基于現(xiàn)場總線的加工中心用六軸數(shù)控系統(tǒng)

0 引言

　　高速高精數(shù)控加工要求在數(shù)控系統(tǒng)中進行大量數(shù)據(jù)的傳輸，為了保證數(shù)據(jù)及時準確地輸送，對系統(tǒng)的實時性和可靠性都提出了很高的要求。一方面，隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，外圍設備與數(shù)控系統(tǒng)的交互信息越來越多；另一方面，一些已經(jīng)具備獨立性的功能模塊作為一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結(jié)構(gòu)融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中，形成具備網(wǎng)絡特征協(xié)同處理的數(shù)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡。因此，采用現(xiàn)場總線構(gòu)建開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)成為一種必然的技術發(fā)展趨勢。

　　目前，不少學者對基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)進行了研究。文獻[1,2]構(gòu)建了基于現(xiàn)場總線的開放式架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的可重構(gòu)。文獻[3]通過建立同步網(wǎng)絡模型，解決基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)通信，但存在延遲問題。文獻[5]介紹了一種利用藍牙技術構(gòu)建一個無線制造網(wǎng)絡的方法，用該方法取代現(xiàn)有數(shù)控機床有線通信方式，以此建設無線制造工業(yè)環(huán)境，該方法在工業(yè)現(xiàn)場的實用性和可靠性還有待驗證。文獻[8]建立了現(xiàn)場總線通信協(xié)議的基本模型，為設計新的或統(tǒng)一的協(xié)議標準奠定了基礎，文獻[10-12]介紹了基于CAN總線的通信機理，但是針對的是中低擋數(shù)控系統(tǒng)，無法滿足高檔數(shù)控裝置對實時性和可靠性的要求。

　　本文提出了一種分布式的六軸數(shù)控系統(tǒng)，CNC控制器與內(nèi)裝式PMC、遠程操作面板之間數(shù)據(jù)通信采用現(xiàn)場總線，這種數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴展性好，而且連線方便。論文設計了一種面向數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議，實現(xiàn)現(xiàn)場總線接口能滿足實時性和可靠性要求。

1 基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)大多是采用專用體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能固定、人機界面不靈活、軟硬件開放性差，并且采取集中式控制方式，不利于與其他網(wǎng)絡設備進行互連。基于現(xiàn)場總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)可以與現(xiàn)場的設備相連形成一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)分布式的控制。采用現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)還能根據(jù)機床廠家和最終用戶的需求，對其軟硬件功能進行剪裁和重新構(gòu)造，因此它能夠滿足高檔數(shù)控系統(tǒng)的需要。

　　本文設計的加工中心用六軸數(shù)控系統(tǒng)，由CNC控制器、顯示與數(shù)據(jù)操作終端、內(nèi)裝式PMC、遠程操作面板等幾部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CNC控制器包括嵌入式工控主板和運動控制模板，嵌入式工控主板負責數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)據(jù)文件管理和加工代碼預處理等功能。運動控制模板采用DSP+FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，負責數(shù)控系統(tǒng)的大多數(shù)實時控制任務，包括代碼譯碼、多軸插補運算、速度控制、模式管理等；同時，CNC控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的主節(jié)點負責控制系統(tǒng)網(wǎng)絡初始化、協(xié)調(diào)控制節(jié)點數(shù)據(jù)交換以及控制命令發(fā)送等功能。數(shù)控系統(tǒng)的其他分布式控制節(jié)點還包括內(nèi)裝式PMC、遠程操作面板等，內(nèi)裝式PMC負責輸入輸出信號的邏輯控制，實現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)掃描、PMC邏輯運算功能，遠程操作面板利用數(shù)字接口，把機床操作面板的主控制信號送給CNC控制器。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了嵌入式工控主板的開放性和DSP的高速處理能力，具有開發(fā)性高、運算速度塊、可靠性高等特點。

圖1 基于現(xiàn)場總線的六軸數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　CAN協(xié)議是建立在國際標準組織開放系統(tǒng)互連模型之上，其協(xié)議簡單，最高通信速率可達1Mbit/s，直接傳輸距離高達10km，采取多主工作方式，高抗電磁干擾性、糾錯能力強；同時，CAN接口安裝方便，成本低。因此，本論文選用CAN總線作為PMC與CNC控制器之間的數(shù)據(jù)通信方式。圖2為內(nèi)裝式PMC板的原理結(jié)構(gòu)圖，它的基本I/O點數(shù)是64/64點，可擴展到128/128點。PMC板使用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字處理器，該DSP內(nèi)集成了CAN控制器。

圖2 內(nèi)裝式PMC板原理結(jié)構(gòu)圖

　　遠程操作面板也是通過CAN總線與CNC控制器進行通信，主要傳送來自操作面板的開關信號，同時接收來的響應信號。遠程操作面板采用AT89S52單片機，使用獨立CAN控制器SJA1000T。

2 面向數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信協(xié)議

　　高檔數(shù)控系統(tǒng)要實現(xiàn)高速高精控制，這既要在內(nèi)部完成大量的數(shù)據(jù)傳輸，同時還要保證通信的實時性和可靠性。本文定義了一種面向數(shù)控系統(tǒng)的高速現(xiàn)場總線通信協(xié)議，這種協(xié)議能保證數(shù)控系統(tǒng)中各節(jié)點之間的循環(huán)通信周期達到16ms。協(xié)議采用帶29位報文標識符的擴展幀，其通信報文形式如表1所示。CAN報文由擴展的29位標識符、1位數(shù)據(jù)類型、1位遠程發(fā)送請求、4位該幀內(nèi)數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)長度、0~8字節(jié)數(shù)據(jù)段、16位循環(huán)冗余碼CRC、2位應答位和1位幀結(jié)尾組成。

　　CAN標識符的分配在設計通信系統(tǒng)應用層協(xié)議時非常重要，它決定了信息和相關的優(yōu)先權(quán)及信息的等待時間，同時也影響了信息濾波適用性、合理的通信結(jié)構(gòu)適用性和標識符使用的效率。報文標識符中包含有優(yōu)先標記、目標地址、源地址、幀類型、幀號、保留位、結(jié)束標記，其格式如表2所示。

　　其中，優(yōu)先標記(1位)是用來標記當前幀的優(yōu)先級別。對于正常信息，該位置為1，對于緊急信息(如報警信息、緊急斷電等)，將該標記置0。該標記先于其他幀占用總線，在最短的時間內(nèi)到達目的地址；

　　目標地址(7位)：指定該幀數(shù)據(jù)或信息所要到達的目的地；

　　源地址(7位)：指定該幀數(shù)據(jù)或信息的來源地址；在數(shù)控系統(tǒng)中，對每個CAN模板都設定一個地址號，用來區(qū)分不同的設備。CAN總線上的節(jié)點個數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前最多可達110個。本文采用了長度為7位的目標地址和源地址，可以有128個編碼地址，完全滿足系統(tǒng)需要。

　　幀類型(1位)：用來標記該幀數(shù)據(jù)場中的內(nèi)容是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容還是通訊協(xié)議的控制信息；

　　幀號(8位)：是用來標記數(shù)據(jù)拆分后的幀塊序號；由于每個郵箱最多可存放8字節(jié)即64位的數(shù)據(jù)，而消息的大小不定，CNC運動控制器側(cè)輸入信號有32位，可以直接傳輸給，刀庫表信息和梯形圖程序段卻遠遠超過64位，需要分段傳輸。在傳輸超過8字節(jié)長度的數(shù)據(jù)時，按照每塊8字節(jié)對數(shù)據(jù)進行拆分，根據(jù)數(shù)據(jù)的先后順序，指定相應的幀號，從0遞增。幀號采用8位表示，取值范圍為0～255，用這種方式完全滿足本控制系統(tǒng)的通信需求。

　　保留(4位)：用作擴展，可以根據(jù)功能擴展的需要增加其他功能；

　　結(jié)束標記(1位)：是用來標記該數(shù)據(jù)包傳輸過程的結(jié)束。

　　CAN通信報文數(shù)據(jù)段要傳送的數(shù)據(jù)包括MST代碼、I/O信息、當前刀盤位置信息、梯形圖程序、刀庫表信息以及遠程操作面板信號。

3 數(shù)控系統(tǒng)CAN安全通信軟件設計

　　TMS320F2812數(shù)字處理器上集成了增強型CAN（eCAN）總線通信接口，完全支持CAN2.0B總線規(guī)范。同時，帶有32個完全可配置的接收/發(fā)送郵箱，支持消息的定時郵遞功能，最高通信速率可以達到1Mbps。另外，eCAN模塊能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的通信，且使用起來非常方便，只要對位時序配置寄存器、屏蔽寄存器、郵箱配置寄存器等相關寄存器進行配置就可以使用。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，DSP的CAN接口發(fā)送和接收線路并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是在中間加入了一級高速光耦6N137，UC101、UC103為光耦6N137，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。另外，CAN接口電路采用的雙線差分驅(qū)動，極大地抑制了工業(yè)現(xiàn)場干擾信號的影響，保證了數(shù)控系統(tǒng)通信的可靠性。具體電路如圖3所示。