基于CAN总线的焊接机器人安全控制器系统的设计

引言

       在焊接机器人系统中, 传统的信号传输和采集是通过众多的U O 接口实现的, 连线复杂, 维护困难。控制总线多采用RS232 ,RS485等总线作为通信桥梁, 组成控制网络, 通信速率低, 实时性差,本文引人CAN(controller area network 控制器局域网)现场总线, 构建分布式控制系统。

        为提高工业焊接机器人安全性, 分析和研究了安全保护系统的任务需求, 引入CAN工业现场总线技术,建立基于CA N 总线的机器人控制结构, 针对机器人控制系统各种工作状态制定相应的安全策略,划定系统安全等级, 设计独立的安全控制器, 配置安全控制器与机器人各模块之间的CAN总线通讯协议格式,监控机器人运行参数, 通过逻辑判断和安全区域计算, 对系统运行错误及预测可能存在的风险能够及时动作, 确保机器人安全稳定运行。实验结果表明所设计的控制器是有效可行的。
        焊接机器人就是在焊接领域内代替焊工从事焊接工作的工业机器人, 现已广泛应用于机械制造、汽车生产等行业, 具有多自由度、运转速度快、运动范围大等特点, 故其安全问题一直是机器人生产商、应用商关注的重要课题。国际电工委员会(IEC)和欧洲标准化组织(CEN/CEN-ELEC )也制定了相关的安全标准, 采用开放式机器人控制器的机器人便于对系统进行扩展, 允许各单元共享数据, 这就为安全控制系统的设计提供了方便。
        在焊接机器人系统中, 传统的信号传输和采集是通过众多的U O 接口实现的, 连线复杂, 维护困难。控制总线多采用RS232 ,RS485等总线作为通信桥梁, 组成控制网络, 通信速率低, 实时性差,本文引人CAN(controller area network 控制器局域网)现场总线, 构建分布式控制系统。由于CAN总线的高性能、高可靠性、造价低、易维护和独特设计等优点,非常适合这种设备转速高, 工作环境复杂,危险系数高,现场干扰强的场合, 使控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展。
        本文将分布式控制概念引人焊接机器人控制系统中, 将现场总线技术应用于安全控制器的数据采集和安全控制中, 以ARM9扩展CAN控制芯片MCP 2515作为安全控制器核心, 首先分析机器人工作特点, 对机器人各关节运动速度、加速度、各关节最大运动角度等运动参数制定相关的专家意见和安全策略; 其次通过CAN总线监视各轴驱动器的工作状态及工作环境中的安全信号, 同时实时计算机器人各关节角度、末端实际位置和姿态, 参照安全策略做出相应措施,实现关节限位和安全区域保护功能, 从而提高机器人工作的稳定性和安全性, 保护现场人员和设备, 实现机器人主动安全防护。

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        作者：郑磊,叶桦,孙晓洁

        东南大学自动化学院;

        东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室)