【论文-控制设计】基于CAN总线的数控机床DNC通信系统设计.pdf

2 0 0 9 年 第4 期 仪表技术与传感器 I n s t r u m e n t T e c h n i q u ea n dS e n s o r 2 0 0 9 N 0 4 基于C A N 总线的数控机床D N C 通信系统设计 韩庆瑶，李贺 ( 华北电力大学机械工程学院，河北保定0 7 1 0 0 3 ) 摘要：目前，国内数控加工多为分散加工，网络化程度低，效率有待提高。利用C A N 总线可实现工控计算机与数控机 床高效D N C ( D i r e c tN u m e r i c a lC o n t r o lo rD i s t r i b u t e dN u m e r i c a lC o n t r 0 1 ) 联网通信。采用C 8 0 5 1 F 0 4 0 微控制器为核心构成通 信节点电路，以C A N 总线连接上位机与多台数控机床，实现数控机床的直接数字控制与并行加工，提高了数控机床管理 水平和加工效率。 关键词：C A N 总线；C 8 0 5 1 F 0 4 0 控制器；D N C 中图分类号：T I 硷7 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 1 8 4 1 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 1 2 9 一0 3 D N CC o m m u n i c a t i o nS y s t e mo fN CM a c h i n eT o o lB a s e do nC A NB U S H A NQ i n g - y a o ，L IH e ( C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ，B a o d i n g0 7 1 0 0 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h en u m e f i e Mc o n t r o lm a c h i n i n gw o r ki si n e f f i c i e n ti nC h i n ad u et ot h ed i s t r i b u t i o no ft h eN Cm a c h i n et o o l s C o n - n e c t i n gt h ei n d u s t r yc o m p u t e ra n dN Cm a c h i n et o o l sw i t hC A Nb u si s 蚰e f f e c t i v ew a yt ob u i l dt h eD N C ( d i r e c tn u m e f i c Mc o n t r o l ， d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l1s y s t e m Ac o m m u n i c a t i o nn o d eW a Sd e s i g n e d u s i n gt h eC 8 0 51F 0 4 0M C U 鹪c o r ec o n t r o l l e r T h e n o d ec o n n e c t st h ec o m p u t e ra n dt h eN Cm a c h i n et o o l sw i t hC A Nb u st ob u i l daD N Cs y s t e m I tc a ni m p r o v et h em a n a g e m e n ta n d w o r ke f f i c i e n c yo ft h em a c h i n et o o l sb yp a r a l l e lw o r k K e yw o r d s ：C A Nb u s ；C 8 0 5 1 F 0 4 0M C U ；D N C 0 引言 目前，国内数控加工多为分散加工，采用传统的N C 代码输 入方式，网络化程度低，已无法满足生产需求。国内外也研究了 多种数控机床联网通信方案，但在成本和性能上难以做到均衡。 C A D 与C A M 技术的成熟使C A D C A M 系统可以直接生成 控制机床加工的数控N C 代码，从而利用D N C 实现车间自动化 生产。采用C A N 总线组网通信，连接分散的数控机床，可以用 较低的成本实现D N C 直接数字控制。通过该系统驱动多台数 控机床并行加工，可实现数控加工行业的网络化、高效化和自 动化，具有广泛的应用前景。 1 方案设计 图l 为数控机床D N C 网络结构。各计算机工作站位于 C A D C A M 部门，通过局域网互联，其中一台计算机作为主控服 务器，负责数控机床的管理和控制。各工作站设计生成的N C 程序通过局域网发送到服务器，再经C A N 总线传输至机床，控 制相应机床；l l l ；各机床上存储的N C 程序及机床状态监控信 息也可通过相反的路径上传至有关计算机进行处理。服务器 与通信节点间以及机床与通信节点问为近距离传输，为简化结 构，采用通用标准R S 2 3 2 接口通信。 2 硬件电路设计 硬件电路设计主要是通信节点电路设计。实际上是一个 C A N R S 2 3 2 接口电路。此电路有两个通信接口：一个是C A N 总线接口，连接C A N 总线；另一个是R S 2 3 2 接口，连接数控机 床或工控机的R S 2 3 2 接口。 收稿日期：2 0 0 8 0 4 0 2 收修改稿日期：2 0 0 8 1 2 1 l 图1D N C 网络系统组成结构 采用C 8 0 5 1 F 0 4 0 微控制器为核心设计通信节点电路。 C 8 0 5 1 F 0 4 0 是混合信号S O C 型8 位M C U ，兼容8 0 5 1 系列指令 集，采用流水线处理结构，平均指令速率达5M I P S ，集成4K B R A M 、6 4KF l a s hR O M 、C A N 控制器、U A R T 串口，非常适合该电 路要求，几乎无需扩展外围芯片，可节省大量硬件开销。 C 8 0 5 1 F 0 4 0 内部的C A N 控制器符合B o s c h 规范2 0 A ( 基 本C A N ) 和2 0 B ( 全功能C A N ) ，方便了C A N 网络通信设计。 C A N 控制器包含1 个C A N 核、消息R A M ( 独立于C 8 0 5 1 的 R A M ) 、1 个消息处理状态机及控制寄存器。C A N 控制器可以 工作在高达1 Mb i t s 速率，有3 2 个消息对象，每个消息对象有 其标识掩码，用于过滤接收到的消息。输入数据、消息对象和 标识掩码存储在C A N 消息R A M 中。与数据发送和接收过滤 有关的所有协议处理均由C A N 控制器完成，不需C 8 0 5 1M C U 干预，这使用于C A N 通信的C P U 带宽最小J 。 C 8 0 5 1 通过特殊功能控制器( S F R ) 配置C A N 控制器，读取 万方数据 1 3 0I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r A p r 2 0 0 9 接收的数据，写入要发送的数据。C A N 控制器结构图见图2 。 T I C A N 控制M T XR X I 一骖琏! I C A N C L K S Y S C U 【 C A N p 塑塑型、( U 控制器核 N C I P - 5 1 、 e J， M C U ( i 个消息对象) A 对M r 2 1 ，l I R FB 培卜 - 引 ，e l 消息处理器 中断卜_ 图2C A N 控制器结构 C A N 总线完成下位机各部分间的通信以及各下位机与上 位机之间的通信。由于C 8 0 5 1 F 0 4 0 集成的C A N 控制器只是个 协议控制器，不能提供物理层驱动，应用时需外加C A N 总线收 发器，采用P C A 8 2 C 2 5 0 收发器作为C A N 控制器和物理总线间 的接口芯片，它可以增强总线驱动能力，提高总线差动发送和 接收能力，从而增加通信距离并扩充节点数量。 R s 一2 3 2 驱动芯片采用M A X 2 3 2 ，实现R S 一2 3 2 电平和 1 T L 电平之间的转换。C 8 0 5 1 I - D 4 0 内部驻有C A N 通信协议，主 要负责对C A N 接口芯片的初始化和控制，完成C A N 总线协议 和R S 一2 3 2 通信协议的转换和数据传输。通信节点的结构框 图如图3 所示。 通信节点 1 5 F 0 4 0M C U I 竺 1 忑翮 C A N HI C A N L 一臻 终端匹配电阻I终端匹配电阻 图3 通信节点的硬件框图 为增强抗干扰能力，采用了高速光电耦合器6 N 1 3 7 隔离 C 8 0 5 1 F 0 4 0M C U 和P C A 8 2 C 2 5 0 的通信端口，实现总线上节点 间的电气隔离，增强了稳定性和安全性。在工业现场恶劣环境 下，不仅通信线路需隔离，供电也必须隔离，否则光耦两侧的噪 声信号将通过电源线耦合。文中采用专门为通信接口设计的 隔离电源器件M A X 2 5 3 。其输出端连接有中心抽头的隔离变压 器原边，变压器副边即可提供隔离侧电源，功率可达1W M A X 2 5 3 的s D 控制端叮连接M C U 作为选通信号，空闲时进入 待机状态降低功耗。电源原理图如图4 所示。 3 软件设计 软件设计包括2 部分内容：下位机C A N 通信软件和上位机 服务器软件。C A N 通信软件主要有两方面功能：一是对 C 8 0 5 1F 0 4 0 内部C A N 控制器的相关寄存器进行初始化配置，包 括协议寄存器，消息对象接口寄存器，消息处理器寄存器等；二 是控制收发缓冲区的读写，完成数据交换”。 + 5 V 图4 隔离电源 处理器将上位机送来的控制指令或N C 程序，通过写入内 部的C A N 数据寄存器来传送给下位机数控机床，又可读取机 床写入寄存器的数据发送给控制服务器。因此，C A N 通信软件 主要包括系统初始化程序、发送程序、接收程序等。采用C 结 构化程序设计方案，具有较好的模块性和可移植性，对不同系 统功能或应用环境，可方便进行编程重组。 3 1 系统初始化程序 初始化程序主要完成初始化设置C A N 控制寄存器 ( C A N O C N ) 、位定时寄存器( B I T R E G ) ，初始化发送报文对象和 接收报文对象。其中，位定时寄存器的设置较复杂，使用8M H z 外部晶振，C A N 通信速率为5 0 0k s ，得到B I T R E G 的初始值为 0 x 2 3 0 1 。对象初始化、发送和接收初始化完成后启动C A N 处理 机制( 对B I T R E G 和C A N O C N 初始化) 。下面为初始化程序结 构： v o i ds t a r t C A N ( v o i d ) S F P R A G E = C A N O P A G E ；指向C A N 0 页面 C A N O C N I = 0 x 4 1 ；置位C C E 和l n i t 开始初始化 C A N O A D R = B I T R E G ；I 指向位定时寄存器进行配置 C A N O D A T = 0 x 2 3 0 1 ；位率为5 0 0k s C A N O C N I = 0 x 0 6 ；允许全局中断。置位I E 和S I E C A N O C N & = 一O x 4 1 ：清C C E 和I N r I 位启动C A N 状态机制 3 2 发送程序 C A N 报文发送由C A N 控制器自动完成，只需根据接收的 远程帧识别符将对应数据转移到发送缓冲寄存器，将此报文对 象编码写入命令请求寄存器启动发送即可。使用定时更新发 送报文对象中的数据，数据的发送由控制器硬件自动完成，当 其收到一个远程帧时，就将相同识别符的数据帧发送出去。发 送程序结构如下： v o i ds e n d m e a g e ( c h a rM s g N u m ) u c h a r j ； S F R P A G E = C A N 0 P A G E ；指向C A N O 页面 C A N O A D R = I F l C M D M S K ；向I F l 命令屏蔽寄存器写人命令 C A N O D A T = 0 x 0 0 8 3 ；位率为5 0 0k s C A N O A D R = I F IA R B 2 ；指向I F l 仲裁寄存器2 C A N O D A T H = O x S 0 ； 万方数据 第4 期韩庆瑶等：基于C A N 总线的数控机床D N C 通信系统设计 1 3 l C A N O A D R = I F ID A T A I ；指向数据场首字节 f o r ( i = O ；i 4 ；i + + ) t C A N O D A T H = c t e m p i ； 将4B y t e 数据写入发送B u f f e r C A N O A D R = I F IC M D R Q S T ； C A N O D A T L = M 孵N u m l 写入报文对象编号，数据发送到对应报文 对象 l 3 3 接收程序 C A N 报文的接收与发送一样，由C A N 控制器自动完成，接 收程序只需从接收缓存器中读取接收的数据，再进行相应处理 即可。基本方法与发送程序一致，只是接收程序采用中断方 式。此应用中，主要接收上位机对机床编号的选择，参数设置 和N C 控制程序以及相反流程的机床状态信息等。接收程序结 构如下： v o i dr e c e i v e _ d a t a ( v o i d ) S F R P A G E = C A N O P A G E1 指向C A N 0 页面 C A N O A D R = W 2 C M D M S K ；向I F 2 命令屏蔽寄存器写命令 C A N O D A T H = 0 x 0 0 ； C A N O D A T L = 0 x 3 F ；位率为5 0 0k s C A N O A D R = I F 2 C M D R Q S T ；将报文对象编号写入命令请求寄存 器，对应接收 C A N O D A T L = M s g N u m ；得到数据就从报文R A M 移到数据B u f f e r 中 C A N O A D R = I F 2 D A T A l1 1 1 指向数据场首字节 f o r ( i = O ；i 4 ；i + + ) C A N _ R X i = C A N O D A T ； 读取4 B y t e 数据 3 4 上位机服务器软件 上位机服务器软件主要功能有N C 程序文件数据管理，数 控机床的编号管理，数据发送，通信接点及下位机状态监测，下 位机数据的上传等，软件功能结构图见图5 。软件的规模较大， 属于典型的C S ( 客户、服务器) 模式软件。采用D e l p h i 7 0 进 行开发。利用D e l p h i 下安装S P C O M M 控件实现串口通信H 。 由于涉及到文件管理，需要管理多个文件，按加工顺序传输，需 要建立数据库系统。采用M i c r o s o f tO f f i c eA c c e s s 数据库软件建 立数据库管理系统。 收发程序文件 矿 L 一 N C 程序数据库 G U I 图形用户界面 接收控制指令 型业 际五蔬石蒜 一 图5 上位机软件结构 4 设计实验结果 实验机床为C A K 6 1 3 6 V 7 5 0 型数控机床3 台；实验环境为 该校工程训练中心机加工车间强干扰工业环境，并在实验过程 中启动电火花加工机床、线切割机床等强干扰源。 实验中，上位机分别向3 台数控机床发送4B y t e 测试数 据，机床接收后立即向上位机返回所接收数据，系统验证数据 正确后继续发送数据，直到数据出错或通信次数达到预设循环 时停止发送。实验中C A N 总线波特率设置为5 0 0L s ，通信线 缆长为1 5m ，进行了多次长时间测试，取其中1 次实验数据分 析见表1 。 测试时间6 0 0S ，发送数据l7 0 40 6 1 次，计算得出上位机和 单台机床交换一次数据的时间为0 3 5，考虑到计时误差2 1m s 及通信等待时间，系统和3 台机床通信一次约需1 0 5 63m s ，系 统响应满足数控加工要求。由于通信节点电路及电源电路都 设计了特殊的抗干扰措施，并得益于C A N 总线的高可靠特性， 实验实现了快速响应下极低的数据传输错误率。 表1 实验数据分析 测试项目实验途径实验数据 实验时间秒表计时 总数据传输量节点测试程序累计 总数据校验错误数节点测试程序累计 C A N 发送错误计数器节点测试程序凑2 5 1 5 控制器 C A N 接收错误计数器节点测试程序读2 5 1 5 控制器 C A N 错误中断标志寄存器节点测试程序读2 5 1 5 控制器 C A N 总线负载C A N 分析仪 C A N 分析仪错误帧数C A N 分析仪 然后，在上位机编辑一段加工一个圆台的N C 代码，发送至 3 台数控机床，控制3 台机床并行加工，完成的工件刀痕排列细 腻一致，扭曲较小，极少有弯折现象，表明加工速度比较稳定； 同时3 台机床加工出的工件经测量一致性很好。 实验结果表明：采用C A N 总线的D N C 通信系统，传输距离 远，抗干扰能力强，实时性好。 5 结束语 基于C A NB u s 的低成本，高可靠性的D N C 通信系统可将 普通数控机床与计算机网络连接起来，使异地C A D C A M 系 统生成的N C 代码可以直接远程控制数控机床进行加工，同时 允许多台机床并行工作，并具有一定的故障监测功能，实现 机床N C 代码的可重用性，从根本上提高了数控机床的加工效 率。 参考文献： 1 新华龙电子C 8 0 5 1F 0 4 0I S PF l a s hM C UD a t a s h e e t R e v I 4 ，2 0 0 4 2 谢瑞和串行技术大全北京：清华大学出版社2 0 0 3 ：1 2 2 1 2 5 3 李金刚付志伟基于c 8 0 5 1 F O Z l O 的C A N 总线智能节点设计电 子产品世界，2 0 0 7 ( 3 ) ：1 0 2 1 0 6 4 陈良光陈庄基于B o r h n dC + + B u i l d e r 实现C O M 口通信的程序 设计与研究仪表技术与传感器，2 0 0 3 ( 3 ) ：2 3 - 2 6 5 彭为单片机典型系统设计实例精讲北京：电子工业出版社， 2 0 0 6 ( 5 ) ：2 1 3 2 3 0 6 1 饶运涛，现场总线