基于CANopen协议的喷漆机器人控制系统研究

孙立新，陈 帮

（河北工业大学 机械工程学院，天津 300131）

0 引言

大型储罐长期使用后会出现罐壁腐蚀、表面脱落的现象，当表漆脱落严重时需将罐体表面原漆去除，并重新喷漆。传统大型罐体喷漆需搭建脚手架进行人工喷漆，搭建脚手架时，防止出现事故，所有相关设备需停止运行；并且搭建脚手架耗费很长时间，这将严重影响企业生产[1]。人工喷漆危险系数高，工作量大，对身体危害严重。

若研究设计一种喷漆爬壁机器人，它将取代人工喷漆，缓解工人工作强度；无需搭建脚手架，极大的提高企业生产效率。本文通过CANopen协议研究喷漆机器人的控制系统。

1 喷漆机器人工作原理

本文介绍的喷漆机器人如图1所示。

在车体下面装有磁铁，通过磁吸附在罐体壁面。喷枪放在喷枪支架上，用来进行喷漆操作，喷枪在图中未显示。推杆伸缩可实现喷枪支架的升降，滑台电机实现喷枪支架在滑台上来回移动，达到调整喷枪位置的目的。左右轮为主动轮，其速度大小相同，后轮为万向轮。根据左右轮转向情况不同，实现车体的前进、后退、顺时针转、逆时针转。图中盒子里面装的是三个交流伺服驱动器，用以控制三个伺服电机。两个激光传感器朝向地面发射，根据其测量数值的差异实现车体的纠偏。

图1 喷漆机器人

2 控制系统架构

喷漆机器人控制系统架构如图2所示。

图2 控制系统结构图

可编程控制器（PLC）通过CAN线与左轮驱动器、滑台驱动器和右轮驱动器相互通信；驱动器根据伺服电机上编码器的反馈信息控制电机；激光传感器输出模拟量信号经过信号转换模块转换成RS485信号，通过PLC自带的RS485接口，将信号传递给PLC；触摸屏采用Modbus TCP协议与PLC通讯。操作触摸屏就可以控制喷漆机器人动作。

系统采用的可编程控制器为施耐德PLC，型号TM241CECT/U，既能漏型输出，也可以源型输出，有一个CANopen主端口，与三个驱动器形成CAN网络，驱动器间接线原理如图3所示，只需接CAN_H和CAN_L两根双绞线；一个以太网口，用来和触摸屏通讯；两个串行通信口，一个为RS485接口，与信号转换模块相连，另一个通信口既可以是RS485接口，也可以当作RS232接口；一个USB编程端口，与电脑连接，通过编程软件对PLC程序的编写与修改。三个驱动器为Copley公司的交流伺服驱动器，型号Xenus R10。触摸屏为威纶通MT8071iE，有一个以太网口与PLC通讯。

图3 CAN接线图

3 设备通讯

3.1 PLC与信号转换模块间通讯

PLC与信号转换模块通过RS485进行通讯，施耐德PLC编程软件为Somachine。如图4所示，将PLC设为主站，传输模式为Modbus RTU，设置波特率为115200。信号转换模块设置为从站，其他参数要和PLC设置相同，不然相互通讯不了，它有8路模拟量输入，两个激光传感器占前两路[2]。PLC需给模块发送一组基于Modbus协议的数据，这组数据有8个字节为01 03 00 00 00 02 C4 0B，01表示模块的地址，03代表读数据，00 00为要读数据的首地址，00 02表示要读两路模拟量的数据，C4 0B是两个校验位；模块返回去的一组数为01 03 04 byte1 byte2 byte3 byte4 CRC1 CRC2。

图4 Modbus通讯配置

3.2 PLC与驱动器间通讯

1）CANopen原理

CANopen是一种架构在控制局域网（CAN）上的高层通讯协定，是工业控制常用的一种现场总线。对象字典（OD）为其中最为核心的概念，OD是一个有序的对象组，描述了对应节点的所有参数，使用电子数据表（EDS文件）来记录这些参数，每个对象采用一个16位的索引值来寻址。CANopen采用服务数据对象（SDO）和过程数据对象（PDO）两种途径来访问对象字典。

通讯对象（COB）是CAN网络上的一个传输单元，数据在COB内部沿着整个网络传输。通讯对象ID（COB-ID）有11位，其中4位表示功能码，功能码越小，消息的优越性越高；7位是节点地址，一个CANopen网络上最多允许127台设备。协议栈中定义4类通讯对象：SDO、PDO、网络管理报文（NMT）、特殊功能对象（包括同步报文SYNC、紧急报文EMCY等）。设备间的通讯模型分为主/从、客户机/服务器、生产者/消费者三种模型。

SDO主要用来对从站进行参数配置，其通信模型为客户机/服务器模型；PDO常用来传输对实时性要求比较高的场合，其通信模型为生产者/消费者模型，PDO的传输优先级高于SDO[3～5]。

2）CANopen运用

首先将Copley驱动器的EDS文件添加到PLC编程软件中，设置CAN总线波特率为250K，添加三个驱动器，站号分别为1，2，3，如图5所示，对应驱动器硬件的参数设置需同PLC设置一致。如此，PLC与驱动器即可通讯。Heartbeat生产时间设为200毫秒。

图5 CANopen通讯配置

配置P D O 参数，如图6 所示，每个节点允许8路PDO，4路接收PDO（RPDO），4路发送PDO（TPDO）。每路PDO最多64位，RPDO用来更新设备，TPDO用来从设备发送数据到网络，PDO传输类型有同步和异步两种方式。

图6 PDO配置

更改控制字（control word）的值可以改变电机轴的状态，当控制字的bit0、bit1、bit3都为TRUE时，电机处于使能状态；否则不处于使能状态。只有当电机轴处于使能状态时，才能进行工作，其有三种运行模式，分别为位置模式、速度模式和回零模式。

通过状态字（status word）知道电机轴当前状态，在TPDO中添加参数可以读取电机实时的脉冲数、速度和电流。

配置完PDO参数，在I/O映射表中可以实时监控，如图7所示。

图7 CANopen I/O映射表

SDO也可以访问对象字典，在索引中输入要访问参数的地址，通过“读SDO”、“写SDO”，对参数进行读写操作，如图8所示。

图8 SDO配置

最后编写程序，图9所示，实现喷漆机器人各种运动。

图9 喷漆机器人程序

4 车体位置校正

左右轮伺服电机编码器为2500线，4倍频，电机转一圈需要10000个脉冲，减速器减速比为100：1，电机转100圈，车轮转一圈，车轮直径为315毫米，所以车轮移动1毫米电机需要走a个脉冲。

图10为喷漆机器人位置校正原理图，实线表示车体实际位置，虚线表示车体校正后车体的位置。校正过程中，令右轮不动，左轮向后移动x毫米，这样就能起到校正的效果。经多次实验，校正后的车体倾斜角可以控制在0.3°以内。左右轮间距L1=455mm，两个激光传感器安装距离为L2=650mm，两激光传感器差值为Δy毫米，车体倾斜角度为θ角，由于θ角度较小，所以：

左轮电机需要顺时针走b个脉冲。

Δy可以通过两激光传感器测量出。

5 结语

图10 车体校正原理图

通过喷漆机器人在罐壁上大量实验，可知采用CANopen协议，数据传输稳定，系统响应时间短，并且接线简单，一对双绞线（CAN_H和CAN_L）上就可以接多个控制设备。喷漆厚度均匀，漆厚度符合要求。由于机器人是轮式，不适合在直径小的罐体上工作，否则车体会脱离罐体表面，造成严重后果。该机器人已在某公司应用，取代人工喷漆，不需搭脚手架，提高企业生产效率，有广泛的应用前景。