1引言
　　
　　隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展和迅速應(yīng)用，在制造業(yè)中，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床不斷更新?lián)Q代，正向著高速度、多功能、智能化、開放型以及高可靠性等方面迅速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)量和數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)化程度和技術(shù)水平的重要標(biāo)志。
　　
　　開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。CAN總線適用于數(shù)據(jù)交換簡短而頻繁的場合，是解決工業(yè)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的有效方式，可以方便有效地構(gòu)成分布式實(shí)時(shí)過程檢測與控制系統(tǒng)。由于基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等特點(diǎn)，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備的互連，在汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)也是現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)之一（ISO11898）。
　　
　　本文針對一個(gè)需要上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場通信的數(shù)字控制系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)量和通信速率的要求，采用基于CAN總線作為通信平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)能夠在4ms的控制周期內(nèi)，完成對7個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸的位置和速度控制，系統(tǒng)性能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
　　
　　2數(shù)控機(jī)床的組成
　　
　　數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、CNC裝置（或稱CNC單元）、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置（或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及其測量裝置組成。圖1是數(shù)控機(jī)床組成框圖，其中除機(jī)床本體之外的部分統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)。

　　
　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是建立開放的數(shù)控體系結(jié)構(gòu)，并確定開放式的標(biāo)準(zhǔn)。在結(jié)構(gòu)上向趨于裁剪、擴(kuò)展和升級的方向發(fā)展；形式上向可靈活組成不同檔次、不同類型的方向進(jìn)行邁進(jìn)。
　　
　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　3.1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
　　
　　根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的可裁減要求，數(shù)控系統(tǒng)zui大控制能力為七軸五聯(lián)動(dòng)。具體的控制量為：外接數(shù)字IO數(shù)量不少于340個(gè)，其中輸入不少于200個(gè)，輸出不少于140個(gè)，不少于80個(gè)繼電器輸出，并且有不少于40個(gè)繼電器輸出指示燈。
　　
　　本系統(tǒng)要求能夠控制七個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸，設(shè)置控制周期為4ms，因此要在4ms的控制周期內(nèi)完成對8個(gè)軸的控制，其中每個(gè)軸的控制字為4字節(jié)，再加上本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所使用的外接數(shù)字IO為360個(gè)，則控制字需要360/8=45個(gè)字節(jié)，因此通訊速度至少為（4*8+45）/0.004=19.25Kb/s。在通信距離不超過40m時(shí)，can總線數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)1Mb/s，我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的zui大傳輸距離為30m，因此*可以滿足要求。為了增強(qiáng)通訊的可靠性，使用雙CAN通信，其中第2路can總線作為系統(tǒng)的冗余。
　　
　　如果把上位機(jī)（PC104+CAN通信卡）和下位機(jī)（PC104+位控卡+IO卡）插在一起或疊在一起，會(huì)限制數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝的靈活性。另外，如果上位機(jī)和下位機(jī)擁擠安置在操作盒內(nèi)，不利于散熱；而且運(yùn)動(dòng)控制板卡也安裝在操作盒內(nèi)，接口線纜密集，不利于拆裝。在此，希望設(shè)計(jì)一種通訊結(jié)構(gòu)能夠使上位機(jī)和下位機(jī)分開安裝，而且兩者之間以較少的通訊線連接進(jìn)行長距離通訊，所以此處考慮到采用CAN總線的串行通信方式。圖2為CAN總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。

　　
　　圖中，上位機(jī)系統(tǒng)為思泰基公司的SB610（PC104）主板，外加2路can總線（用SJA1000+82C250）構(gòu)成，采取內(nèi)存影射方式讀寫數(shù)據(jù)，經(jīng)can總線將數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)。上位機(jī)由于外接開關(guān)電源不便以及考慮干擾，電源需要從下位機(jī)引入24V電源，經(jīng)24/5V電源模塊輸出供電。
　　
　　上位機(jī)的機(jī)箱根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的需求，采用外殼為散熱片的鋁殼機(jī)箱，前面面板有LCD窗口，以及其他撥碼開關(guān)等，控制面板鑲嵌在前面板中。后面板有電源（24VDC）輸入，usb輸入口、CAN總線通訊口、鍵鼠接口、CRT接口（調(diào)試需求）和網(wǎng)絡(luò)接口（考慮升級需求）、手搖脈沖接口等。
　　
　　下位機(jī)系統(tǒng)是由母板、1塊CPU板（PC104+2路CAN總線）、2塊位控卡、3塊IO卡構(gòu)成。CPU板、位控卡、IO卡用雙排96針歐式插座（針）成直角插接在母板（孔）上。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入點(diǎn)為216個(gè)，輸出點(diǎn)為144個(gè)，滿足系統(tǒng)I/O要求。
　　
　　3.2CAN通信鏈路設(shè)計(jì)
　　
　　CAN數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式如下：


　　
　　其中，我們只需要設(shè)置仲裁段、控制段和數(shù)據(jù)段。仲裁段用來設(shè)置不同類型幀的優(yōu)先級；控制段由6個(gè)位構(gòu)成，用來顯示數(shù)據(jù)段使用的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)段可包含0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
　　
　　CAN通過“無損的逐位仲裁”方法來使有zui高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有*的一個(gè)29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制0而不是1，所以ID號(hào)越小，則報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。本通信系統(tǒng)共設(shè)置8個(gè)優(yōu)先級，CNC系統(tǒng)與主軸之間交換的數(shù)據(jù)設(shè)置為zui高優(yōu)先級，即將其數(shù)據(jù)幀的仲裁段設(shè)置為全0。CNC系統(tǒng)與七個(gè)伺服軸之間交換的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級被分別依次設(shè)置為優(yōu)先級1～7。
　　
　　本通信系統(tǒng)所傳送的每一幀數(shù)據(jù)段只用了8字節(jié)其中的3字節(jié)，后5字節(jié)保留未用，其中，*字節(jié)表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型，接下來的2個(gè)字節(jié)是本數(shù)據(jù)幀需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。具體設(shè)置如下：
　　
　?。?）CNC系統(tǒng)要向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的信息主要包括控制信號(hào)和位置/速度增量。當(dāng)數(shù)據(jù)類型為0x01時(shí)，對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為對伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。該信號(hào)在下述3種情況下發(fā)送：開機(jī)（或重啟動(dòng)）初始化完成時(shí)；當(dāng)CNC系統(tǒng)要改變對伺服驅(qū)動(dòng)器的控制時(shí)；發(fā)生報(bào)警時(shí)。
　　
　　當(dāng)數(shù)據(jù)類型為0x02時(shí)，對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為實(shí)時(shí)控制伺服運(yùn)動(dòng)的位置/速度增量值，2字節(jié)16位帶符號(hào)數(shù)表示范圍是±32767個(gè)增量單位。本數(shù)據(jù)幀CNC系統(tǒng)每個(gè)控制周期向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一次。
　　
　?。?）伺服驅(qū)動(dòng)器需要向CNC系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息主要包括狀態(tài)信號(hào)和實(shí)際（編碼器）的位置/速度增量以及其他伺服數(shù)據(jù)。
　　
　　當(dāng)數(shù)據(jù)類型為0x01時(shí)，對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為伺服狀態(tài)信號(hào)。該信號(hào)在以下幾種情況下發(fā)送：當(dāng)CNC系統(tǒng)請求獲得伺服狀態(tài)信號(hào)而此時(shí)又沒有位置回復(fù)幀時(shí)；當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)報(bào)警時(shí)；在CNC位置廣播后的位置回復(fù)幀中。
　　
　　當(dāng)數(shù)據(jù)類型為0x02時(shí)，對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的實(shí)際位置/速度增量值，2字節(jié)16位帶符號(hào)數(shù)表示范圍是±32767個(gè)增量單位。本數(shù)據(jù)幀CNC系統(tǒng)每個(gè)控制周期向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一次。
　　
　　4基于CAN總線的數(shù)控系統(tǒng)的控制性能
　　
　　通常，數(shù)控系統(tǒng)所工作的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，所以在實(shí)際應(yīng)用中對CAN總線數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求比較高。在CAN總線的實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)鐘同步機(jī)制在提高系統(tǒng)可靠性方面發(fā)揮著十分重要的作用。
　　
　　表1總結(jié)了兩種比較常用的有效的CAN總線時(shí)鐘同步方法的主要特點(diǎn)。如下，

　　
　　通過比較這兩種同步方法的各項(xiàng)性能指標(biāo)，本文采用的同步方法為OCS-CAN（orthogonalclocksubsystemforCAN）。特別的，該時(shí)鐘同步方法在容錯(cuò)性方面有許多優(yōu)點(diǎn)，容錯(cuò)性的提高將大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />　　
　　該方法在容錯(cuò)性方面主要基于以下三點(diǎn)：首先，限制各節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤語義轉(zhuǎn)化為突發(fā)錯(cuò)誤語義。這點(diǎn)是可以做到的，例如，采用[3]中提到的重復(fù)比較方法。第二，采用主站冗余機(jī)制。OCS-CAN定義了大量的備用主站，可以隨時(shí)替換出錯(cuò)的主站。
　　
　　第三，進(jìn)行模塊檢測[4]來正式核實(shí)容錯(cuò)機(jī)制的正確性。該正式核實(shí)考慮到大量的錯(cuò)誤模型，包括可能出現(xiàn)的信息矛盾。試驗(yàn)證明，該方法不僅可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群涂煽啃?，而且可以將成本控制在一個(gè)合理的水平，是一種經(jīng)濟(jì)有效的CAN時(shí)鐘同步方法。
　　
　　5結(jié)論
　　
　　基于CAN總線的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)解決了局域網(wǎng)型數(shù)控機(jī)床的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、通信距離長、連接設(shè)備多。
　　
　　本文的設(shè)計(jì)結(jié)果表明，對一個(gè)控制量多、實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的數(shù)字控制系統(tǒng)，基于CAN總線的通信完夠滿足要求。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用CAN總線構(gòu)成了一個(gè)全閉環(huán)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，并且本數(shù)控系統(tǒng)的zui大控制能力為能夠控制七個(gè)伺服軸和一個(gè)主軸。