基于CAN总线控制系统的机床加工研究.pdf

第 2 期 总第 1 5 9期 2 0 1 0年 4月 机 械 工 程与自 动 化 MECHANI CAI ENGl NEE RI NG ＆ AUT0MAT1 0N No．2 A pr ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 01 0 0 2 0 0 8 4 一 3 基于 C AN 总线控制系统的机床加工研究 费续 东 太原矿 山机器集 团有限公司，山西 太原0 3 0 0 3 2 摘要 介绍 了 C A N 总线控制系统在 机床加工 中的应用。解析 了系统的工作原理 ，设 计了 C AN控制单元硬件 和 应 用 软 件 。 关键词 C AN；总线；控制系统；机床 中 图 分 类号 TP2 7 3 文献 标 识 码 B 0 引言 为了满足加工精度、加工速度等要求，当今的机 床加工设备都装备了大量的电子设备 。因此加工设备 之间的通信成为加工 自动化的基础，这就对通信网络 的实时性 、 稳定性、 安全性等都提出了较高的要求。目 前加 工设备 之问 常用 的信息 传送方式 有R s 一2 3 2 、 R S 一4 2 2等 ，但 这 些 都 已 无 法 满 足 加 工 自动 化 的需 要。C AN作为一种现场总线，具有突出的可靠性、实 时性 和灵活性 等特 点 。可完成 现场 自动化设 备之 间的 多点数字通信，实现底层设备与外界的信息交换 ．是 机械加工设备理想的通信手段。本文基于 CA N总线 控制系统的研究 ，介绍了 C AN 总线控制系统在机床 加工 中 的应 用 ，设计 了一种 基 于 C AN 总线 的机 床加 工控制 系统 ，具有 自动化 程度高 、实 时性强 、加工精 度 高等 特点 。 1 cAN总线 特点概 述 在 2 O世纪 8 O年代 初期 。德 国 B o s c h公 司为 了解 决 汽车 中众 多 的控 制与 测量设 备 之问的 数据交换 ，开 发 了 一 种 串 行 数 据 通 信 总 线 ，这 是 最 初 的 C AN C o n t r o l l e r Ar c a Ne t wo r k 总线 。 C A N 总线 是一种 有 效支持分布式控制系统或实时控制的串行通信 网络， 通过该网络来实现远距离实时数据的可靠传输 。 C AN 总线 为多主 方式工 作 ， 支持 热插拔 ， 增加 了 通信的灵活性 ， 网络上的节点均可实时地 、 并行地 、 主 动地向网络上其他节点发送信息 ；采用非破坏性的总 线仲裁 ，当多节点同时向总线发送信息报文时 ，优先 级低 的节点 主 动停 止数 据发送 ，而优先级 高的 节点可 以不受影响地继续发送数据 ；具有点对点、一点对多 点以及全局广播传送数据的功能；通信距离远，可达 1 0 k m， 通信速度高， 可达1 Mb ／ s ； 具有较高的性价 比． 收稿 日期 2 O l o o 3 0 l 怍 简介 费续 东 1 9 6 7 ． 男． 辽宁早顺人 ． 工程师． 本科 。 结构 简单 ，器件 容易 购置 ，每个节 点 的价格较低 通 信介质可为双绞线 、同轴电缆或光纤．选择灵活；将 业 务数 据 打包成报 文发送 ，每一个 信息报 文 的有效 字 节 数 为 8个 。这种 方式 传输 时间短 、实 时性 高 、抗 干 扰 性强 ， 能 减少 重发 信息报 文 的机率 ； 采 用位校验 、 填 充 位 校验 、循 环冗 余 校验 C R C 和数据 帧 格式 校验 ． 数 据 出错 概率 在 1 O 以下 ，同时 如果 C AN 节点 出错 次数大于一定数量时，可 自动退 出总线，使错误节点 对 总线 的干扰 降到最 低 。 综上所述 ， C AN总线具有众多的卓越特性， 通过 C AN 总线将现场加工设备连接起来具有其他通信方 式所 无法 比拟 的优点 ，使得 机床加 工 自动化程 度大大 提 高 。 2 C A N控 制 系统组成 及 原理设 计 系统通信 网络拓扑结构 采用总线式 结构 见图 1 ， 多节点共用一条传输线 ， 整个系统可以分为上、 下 两层 。 上层 是控 制计 算机 和 八N适 配卡 ， 下层 由若 干 个控 制单 元组 成 。 图 l 系统通信网络拓扑结构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 费续东基 于 C AN 总线控制 系统的机 床加工研 究 8 5 上层的控制计算机是一台高性能的 P C． 其主要功 能 为向用 户提供 人机交 互 界面 、存 储现 场数 据 、控制 加工 过程等 。控制 计算 机可 以远 程监视 和控 制每 个现 场控制 单元 ． 并且 将数据 实 时地上 报给用 户 。 C AN 适 配卡 一端与 总线相 连 ，另一 端与控 制计算 机 相连 。它 将控制计算机的操作信号和控制参数传送给指定的现 场控制 单元 ．同时 ，将控 制单 元 的数据 传输 给控制 计 算 机做进 一步 的处 理 。 下层 的 现场 控制 单 元是 由带 有 C AN 接 口的嵌 入 式模块组 成 。按功能主要分 为 数据 采集模块 、控 制模 块 、传输 模块 、输 入／ 输 出模块 等。其主要功 能如下 1 数据传输 现场控制单元负责向控制计算机 实时传送进给速度、切削深度等加工过程的参数 ，以 及 向下级 设备传送 控 制计算 机 的加 工指 令 。 2 监控管理 完成对机 床的基本数据处理 、 故障诊 断和报警、参数设置、时钟校对等监控和管理工作。 加 工控 制过程 为 控 制计 算机 根据用 户设 定 的相 关 参数选 择控 制方 式和执 行机 构 。现场控 制单 元将 采 集 到 的 数 据 通 过 八N 总线 实 时 地 发 送 给 控 制 计 算 机 。控 制计算 机 的决策软 件根据 上报 数据 和用 户设定 的参数进行运算．随即向下层传输控制量 ，指示相关 机构执行 动作 。整 个过程 无需 人工 干预 ，实现 了高精 度 和智 能化 。 3 C AN控 制 系统 硬件 设计 由图 l系统 结构 可知 ，系统 硬件 主要包 括 控制 计 算机 、 C AN 适配 卡 、 C AN 总线 和现场 控制 单元 。 控 制计算 机采 用高 性能工 业控 制计算 机 ，负责 系统 的初 始化 、通信 管理 、加 工控制 等 。 AN适 配卡 的选 用应 利 于与工控 机 的连接 ，利 于接 口设 计 ．目前 市场 上有 多家公 司 的产 品可供选 购 ， 如三 兴达公 司 。 它通过 软 、 硬 件 设 置 可 以 将 双 口 R AM 映 射 成 P C机 的 物 理 内 存，使收发数据相当于直接向内存读写数据 ，从而提 高 了数 据 交换的速 率 。 控制单元是实时数据 、加工指令等任务的物理载 体 。 它 主要 由嵌入 式处理 单元 、 C AN控 制 器 、 C AN 收 发器 、光 电隔离 电路 、 存储 单 元 、 I ／ O 等构成 。图 2为 控 制单 元硬件 结构 图 。 图 2 控 制 单 元硬 件 结 构 图 嵌入 式处 理 单 元一 般选 取 其 内部 具 有 4 k B以上 程序存储能力的单片机。 存储单元存放初始化参数 、 用 户 自定义 的数 据 、一些 简单 的加工 程序 ．以及微 处理 器 在运算 、测 量 、控 制 时的有关 数据 。 AN 总 线 主要有 两大类 独立 的 C AN 控制 器与 微 控制 器结 合 使用 和 带 有 A N 控 制 器 的微 处 理 器 。 针对 系统 的要求 和开 发环 境 ， CAN控 制器应 能够 完成 C A N 协 议所 规定 的物理 层和数 据链 路层 的所 有功 能 ， 具有完 成高性 能 通信 协议所要 求 的全部 特性 。光 电隔 离 电路 可增 强控 制节点 的抗 干扰 能力 ，防止线 路 问串 扰 ，使 总线上 各 个 CA N 节点 之 间实 现 隔离 ，以保 护 C AN 控制 器 。另外 ，总线 两端 要接上 1 2 O Q的匹配 电 阻 。以提高 整个 系统通 信 的可靠性 和抗 干扰能 力 ；系 统 中的单 片机 时钟 与 CA N 控 制器 时钟应 同步 。 I ／ O设 备采 用小 数 字键 盘 和液 晶数码 管实现 。接 口电路 实现与 各种 数据 采集设 备 、传感 器的连 接 。 4软件 设计 4 ． 1 控制 计 算机软件 设 计 使用 C AN 适 配卡 提供 的接 口函数编 程 即可 开发 控制 计算机 软件 ．其 程序 流程 见 图 3 。首先进 行 C AN 总线 的初始 化 ，主要 包括 工作方 式设 置 、基本参 数设 置 、接收屏 蔽寄 存器 和接 收掩码 寄存 器 的设 置等 。其 次与 下层控 制单 元进 行联 系 ，建立传输 通路 ，用 户选 择 加 工程序 ，向下层 控制单 元传 送 信号 ，控 制计算 机 接收数 据 ．生成 加工 指令传 向下 端执行 。最后 当加 工 完成后 ，向控制单元发送结束信号，程序结束 。整个 加 工过 程完 全 由程 序控 制 ． 自动 完成 。 图 3控 制 计 算 机 程 序 流 程 图 4 ． 2 控 制 单元软件 设 计 下层的控制单元完成数据传输和对下层设备的监 控管理工作。其基本流程见图 4 。 4 ． 3 硬 件 的初始 化和 收 、发 程序 的 实现 4 ． 3 ． 1初始 化程序 初始 化 程序 主要包 括工作 模式 的 设置 、接收滤 波 方 式 的设 置 、接 收屏蔽 寄存 器和接 收代 码寄存 器 的设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 2 期 置、 波特率参数的设置和中断允许寄存器的设置等 。 在 完成硬 件 的初 始化 设置 以后 ， 就可 以 回到工 作状态 ， 进 行正常的通信任务 。 图 4 控 制 单 元 程序 流 程 图 A Co n t r o l S y s t e m Ba s e d 4 ． 3 ． 2 收、发程 序 的实现 初始化工作结束以后就可 以向 C AN总线进行读 写操作。对于数据 的收和发 ，可以采取查询和中断两 种方式实现 。 其 中断处理原理为 当接收缓冲器满时， 向 C P U发出中断请求，通知 C P U取走数据 ；而当写 人缓冲区的数据发送完之后，同样通过中断方式告知 C P U数据已经发送完成 ，发送缓冲器已空，可以写入 其他的数据 。C P U通过中断服务程序对 C A N控制器 的中断请求做出响应。 5 结束语 C AN总线具有众多的卓越特性 ，通过 C AN总线 将现场加工设备连接起来具有其他通信方式所无法 比 拟 的优 点 ，使 得机 床加工 自动 化程度 大大提 高 。本 文 是 C AN总线在机 械制造 领域 的一 个应用 ，显示 了 C AN 总 线 在 机 械 制 造 领 域 中 的 优 势 。随 着 人 们 对 C AN 总线研 究 的不 断深入 ，C A N 总线控 制 系统必将 在 机械制 造领域 得 到更广泛 的应 用 。 参考文献 [ 1 ] 张柱 银 ， 陈思义 ， 明兴祖． 数控 原理 与数 控机床 [ M] ． 北 京 化学工业出版社 ， 2 0 0 3 ． E 2 ] 饶运涛 ， 邹继军 ， 郑勇芸． 现场总线 C AN原理与应用技术 E M] ． 北京 北 京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． o n CAN Fi e l d BU S f o r M a c h i n e To o l s FEI Xu d on g Ta i y u a n M i n i n g M a c h i n e r y Gr o u p Co ．． Lt d．， Ta i y u a n 0 3 0 0 3 2．Ch i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o d u e e s a CAN f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m wh i c h i S u s e d f o r ma c h i n e t o o l s ．I t d e s c r i b e s t h e wo r k p r i n c i p l e o f t hi s s y s t e m ， a nd t h e h a r dwa r e de s i g n me t h od o f t h e f i e l d c ont r ol uni t i n de t a i l ， a s we l l a s t he d e s i gn t ho ught o f s o f t wa r e a pp l i c a t i o n． Ke y wor dsCAN ； b us；c on t r o l s y s t e m ； ma c h i n e t oo l s e } 业坐 坐生出 } 生生业 业 坐坐 船坐 螺 尘业啦 业业业 螺 坐 鞋坐业 e业船 e } 业 出 I- 接 第 8 3页4结束语 5 要 一 5 一 1 0 一 1 5 理 论 频 响 翘 j 实际频蛹 辨 识 频 响 ‘ 毒 一 ] ⋯ 毽 本 文在 电动 负载模 拟 器系统 的 结构基 础上 ，从 理 论上详细推导了该系统的数学模型 ，并通过实验的方 法 频率 响应法 辨 识 出实 际的 系统 模 型 的主 要模 块 ， 证 实 了系统建 模 的准确 性 ，为进 一步 的 系统特性 分析 和控 制算 法 的设 计提 供 了实验依 据 。 参 考 文献 E l i 刘明基． 永磁同步电动机系统动态特性及应用的研究E D ] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 2 9 9 1 0 3 ． [ 2 ] 李鹏波 ， 胡德 文． 系统辨识基础 [ M] ． 北京 中国水利水 电 出 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 潘 立登 ， 潘仰 东． 系统 辨识与建模 [ M] ． 北京 化学工业 出 版社 ， 2 0 0 4 ． 图 5 辨识模 型与实测和理论模型波特图 Es t a b l i s h me nt a nd I de n t i f i c a t i o n o f El e c t r i c a l Lo a d S i m u l a t o r S y s t e m M o d e l S oNG J i n g ． W ANG Xu e y o n g 1 ． Ho n g l i n Me c h a n i c a l F a c t o r y o f Ch i n a S a n j i a n g S p a c e G r o u p ， X i a o g a n 4 3 2 0 0 0 ． C h i n a 2 ． T h e Th i r d A c a d e me I n s t i t u t e o f C AS I C． B e i j i n g 1 0 0 0 7 4 ． Ch i n a Ab s t r a c tThe ma t he ma t i c al mo de l of a n e l e c t r i c al t o a d s i mul a t or i s bui l t b y u s i ng me ch a ni s m mo de l i ng met h od f i r s t l y， t a ke n t h e e l e c t r i c a l l o a d s i mu l a t o r d r i v e d b y P M S M d i r e c t l y a s r e s e a r c h o b j e c t ．Th e f r e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e k e y b l o c k i n t h e s y s t e m mod e l i s t es t e d t hr ou gh ex pe r i me nt a l me t h ods，whi c h v e r i f i e s t he mo de l i ng pr o c e s s i s c o r r e c t ．Thi s wor k h as l a i d t he ba s i s f o r t he f ur t he r s t ud y． Ke y wor dsPM SM ； e l e c t r i c a l l oa d s i mul a t o r； f r e q ue nc y r e s po ns e c h a r a c t e r i s t i c 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m