CAN總線在軸承套圈加工設(shè)備中的應用

尹 波，張俊杰，尹 屹，彭育林

(江南機器集團有限公司，湖南 湘潭 411207)

近年來，隨著市場競爭的加劇，質(zhì)優(yōu)價廉的自動加工設(shè)備得到了軸承制造企業(yè)的青睞。在軸承套圈自動加工設(shè)備中，傳統(tǒng)的電氣控制電路存在許多問題，制約了機床整體性能的提高?；诳偩€技術(shù)的專用機床控制器，可以解決傳統(tǒng)控制電路無法解決的多功能、低成本等問題，使軸承套圈加工設(shè)備自動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性價比。

1 傳統(tǒng)控制電路存在的問題

目前，軸承套圈加工設(shè)備主要有：下料機、車床、磨床等，這些自動機床的電氣控制電路主要采用傳統(tǒng)的繼電器控制電路或PLC(可編程序控制器)電路。例如：CZ601，CZ691，CZ9101等控制功能相對簡單的自動機床采用PLC做控制器，其控制按鈕箱與電控柜分離，兩者之間的連線有40多根；采用繼電器控制電路，則控制線會更多。若要將這些獨立工作的自動機床連成生產(chǎn)線，完成多工序加工任務(wù)，增加工件計數(shù)、刀具壽命計數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速測量、氣壓測量、液壓測量、故障自診斷等功能，連接線路將會十分復雜，電氣控制線路對模擬量的傳輸還會造成干擾，整個系統(tǒng)的可靠性難以保證。

2 CAN總線技術(shù)

現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，在眾多類型的工業(yè)現(xiàn)場總線中，控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network，CAN)，以其高性能，高可靠性，及獨特的設(shè)計，越來越受到人們的重視。

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134 μs內(nèi)得到傳輸；在1 Mb/s通信速率下，通信距離可達40 m；CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，一般可達110個;CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，使數(shù)據(jù)出錯率極低，這些優(yōu)勢為CAN總線技術(shù)在軸承套圈自動加工設(shè)備中的應用提供了可靠的保證[1]。目前，許多單片機生產(chǎn)廠家都將CAN總線模塊嵌入到其產(chǎn)品中，以提高其產(chǎn)品性價比，國外某公司推出的PIC18F**8系列帶CAN總線模塊單片機可以滿足軸承套圈自動車床控制器的多種需求。

3 基于CAN總線的控制器結(jié)構(gòu)及應用

采用CAN總線的自動機床控制電路中，操作臺與電器柜間僅有一根總線，總線有4根電纜組成：CANH，CANL和24+，24-。其中，CANH，CANL為CAN總線的信號線；24+,24-為直流電源線。KC8840軸承套圈自動車床控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括主控板模塊、人機界面模塊(也稱操作板模塊)和CAN總線。控制器采用可擴展的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個模塊都是一個智能節(jié)點，既可以各自獨立工作，又可以相互配合工作。CAN總線上至少可以連接110個智能節(jié)點，因此，各種自動機床通過CAN總線可以方便地連接成自動生產(chǎn)線。另外，主控板模塊和操作板模塊還自成系統(tǒng)，在一些不需要CAN總線應用的場合，其都可以獨立做控制器使用。

圖1 KC8840車床控制器結(jié)構(gòu)圖

控制器帶位置節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示，例如磨床的工件拖板，其采用步進電動機控制，所以在CAN總線上需要加掛位置控制節(jié)點(模塊)。該節(jié)點接受主機發(fā)出的步進電動機控制信息，控制磨削量，還可完成砂輪修整的控制。另外，控制器還可以應用于CZ9203，CZ9204等自動車床、JN-X101A全自動多片鋸銑床、3MZ系列磨床等的控制中。

圖2 帶位置節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖

4 控制器電路組成

控制器主控板結(jié)構(gòu)如圖3所示。在主控電路板上，輸入、輸出信號通過24路光電隔離輸入、輸出模塊到達并入串出、串入并出芯片組，由主控板單片機的SPI串行接口將信號分別讀入單片機或送出單片機。主控板還有8路模擬信號輸入、轉(zhuǎn)速信號輸入、光電隔離電流/頻率轉(zhuǎn)換模塊(此模塊主要完成需要隔離的模擬信號轉(zhuǎn)換)。主控板單片機通過CAN總線通信模塊與操作板或其他擴展模塊通信。

圖3 主控板結(jié)構(gòu)圖

人機界面板結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要由單片機、矩陣鍵盤和液晶顯示模塊組成。人機界面板同樣經(jīng)過CAN總線與其他模塊通信，矩陣鍵盤接口電路可以接受64個按鍵開關(guān)輸入信號，按鍵輸入信號通過矩陣掃描的方式采集得到。人機界面板的單片機通過其SPI接口以及輔助芯片輸出列掃描信號，按鍵動作產(chǎn)生的輸入信號通過人機界面板單片機的輸入引腳進入單片機，按鍵輸入信號經(jīng)單片機程序處理后，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)街骺匕?，主控板再將CAN總線傳輸來的文本信號經(jīng)過人機界面板單片機處理后，通過其并行輸出接口傳輸?shù)揭壕э@示模塊，文本信息最終在液晶屏上顯示。

圖4 人機界面板結(jié)構(gòu)圖

主控板電路如圖5所示，其中，主控板單片機為U8(PIC18F458)；24路光電隔離輸入模塊為M2；并入串出芯片組為U5～U7(74HC165)；串入并出芯片組為U1～U3(74HC595)；24路光電隔離輸出模塊為M1；主控板CAN總線光電隔離模塊為U4(PCA82C251帶高速光電隔離)；主控板CAN總線接口為P1；主控板系統(tǒng)電源模塊為POW1。

圖5 主控板控制電路圖

外部輸入信號(主要是機床行程開關(guān)信號)通過24路光電隔離輸入模塊M2到達U5，U6，U7并入串出芯片組，由主控板單片機U8的SPI串行接口將輸入信號讀入單片機。與此同時，主控板單片機U8通過主控板CAN總線接口P1以及主控板CAN總線光電隔離模塊U4讀入人機界面板上傳過來的鍵盤輸入信號(主要是人工指令信號)。再經(jīng)過主控板單片機U8內(nèi)程序處理產(chǎn)生輸出控制信號和文本信號。輸出控制信號通過主控板單片機U8的SPI串行接口輸出到U1，U2，U3串入并出芯片組，經(jīng)過24路光電隔離輸出模塊M1輸出；文本信號則通過主控板CAN總線光電隔離模塊U4、主控板CAN總線接口P1以及CAN總線傳輸?shù)饺藱C界面板。

人機界面板電路如圖6所示，其包括人機界面板單片機U11(PIC18F458)、中文液晶顯示模塊YJ1(OCMJ4*12J)、人機界面板CAN總線光電隔離模塊U12、人機界面板CAN總線接口P4、人機界面板系統(tǒng)電源模塊POW2和矩陣鍵盤接口電路U9(ULN2803)，U10(74HC595)，P2，P3。

圖6 人機界面板電路圖

人機界面板可以接受64個按鍵開關(guān)輸入信號，按鍵輸入信號通過矩陣掃描的方式采集得到。人機界面板單片機通過其SPI接口以及串入并出芯片U10、驅(qū)動芯片U9以及接口P2輸出列掃描信號。按鍵動作產(chǎn)生的輸入信號又通過輸入接口P3進入人機界面板單片機U11，信號經(jīng)過單片機內(nèi)程序處理后，通過人機界面板CAN總線光電隔離模塊U12、接口P4，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)街骺匕澹骺匕鍖鬏攣淼奈谋拘盘柦?jīng)過人機界面板單片機U11處理后，通過其并行輸出接口傳輸?shù)揭壕э@示模塊YJ1的并行接口，文本信息最終在液晶屏上顯示。

光電隔離輸入、輸出模塊的詳細電路見參考文獻[2]。

5 軟件設(shè)計

設(shè)計的基于CAN總線的控制器，執(zhí)行CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為500 kb/s，通信距離大于100 m。數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)沒有采用站地址編碼，而是對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，總線上各功能模塊對每一個數(shù)據(jù)塊進行識別，并根據(jù)自身需求進行取舍，因此，可以很方便地增加功能模塊。CAN總線上的各設(shè)備不分主從，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可以在任何時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，CAN總線的信息沖突解決機制能夠有效地避免信息的阻塞[3]。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，在軟件設(shè)計中，將故障信號、停機信號安排在較高優(yōu)先級，而將壓力顯示信號、轉(zhuǎn)速信號等安排在較低優(yōu)先級，以滿足不同的實時傳輸要求。

程序使用C語言編寫，采用MICROCHIP公司的C18編譯器和MAPLAB ICE2000仿真機進行調(diào)試。主機、人機界面的程序主要流程如圖7所示。主機程序采用模塊化設(shè)計，分為用戶程序和系統(tǒng)程序(用戶程序以外的所有程序)兩部分。這種程序結(jié)構(gòu)的好處是：當控制器在不同的機床上應用時，只需要更換用戶程序模塊即可，其他如I/O及A/D轉(zhuǎn)換等子程序均不需要變化。另外，用戶程序模塊還可以放在定時中斷執(zhí)行子程序里，這樣就可以保證用戶程序在固定的時間間隔內(nèi)被執(zhí)行，這類似于PLC的用戶程序的執(zhí)行方法。人機界面主程序結(jié)構(gòu)相對固定，各種機型基本無差別。

圖7 程序流程圖

6 結(jié)束語

CAN總線技術(shù)的應用大大簡化了機床控制電路，提高了控制的靈活性，同時可以很方便地擴展機床功能和多臺獨立自動機床聯(lián)成生產(chǎn)線，在實際應用中取得了很好的效果。