CAN總線實現(xiàn)數(shù)控機床的網(wǎng)絡化

　　目前,國內數(shù)控加工多為分散加工,采用傳統(tǒng)的NC代碼輸入方式,網(wǎng)絡化程度低,已無法滿足生產需求。國內外也研究了多種數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)通信方案,但在成本和性能上難以做到均衡。

　　CAD與CAM技術的成熟使CAD/CAM系統(tǒng)可以直接生成控制機床加工的數(shù)控NC代碼,從而利用DNC實現(xiàn)車間自動化生產。采用CAN總線組網(wǎng)通信,連接分散的數(shù)控機床,可以用較低的成本實現(xiàn)DNC直接數(shù)字控制。通過該系統(tǒng)驅動多臺數(shù)控機床并行加工,可實現(xiàn)數(shù)控加工行業(yè)的網(wǎng)絡化、高效化和自動化,具有廣泛的應用前景。

1　方案設計

圖1　DNC網(wǎng)絡系統(tǒng)組成結構

　　圖1為數(shù)控機床DNC網(wǎng)絡結構。各計算機工作站位于CAD/CAM部門,通過局域網(wǎng)互聯(lián),其中一臺計算機作為主控服采用C8051F040微控制器為核心設計通信節(jié)點電路。C8051F040是混合信號SOC型8位MCU,兼容8051系列指令務器,負責數(shù)控機床的管理和控制。各工作站設計生成的NC程序通過局域網(wǎng)發(fā)送到服務器,再經CAN總線傳輸至機床,控制相應機床加工;各機床上存儲的NC程序及機床狀態(tài)監(jiān)控信息也可通過相反的路徑上傳至有關計算機進行處理。服務器與通信節(jié)點間以及機床與通信節(jié)點間為近距離傳輸,為簡化結構,采用通用標準RS232接口通信。

2　硬件電路設計

　　硬件電路設計主要是通信節(jié)點電路設計。實際上是一個CAN /RS232接口電路。此電路有兩個通信接口:一個是CAN總線接口,連接CAN總線;另一個是RS232接口,連接數(shù)控機床或工控機的RS232接口。

　　采用C8051F040 微控制器為核心設計通信節(jié)點電路。C8051F040是混合信號SOC型8位MCU,兼容8051系列指令集,采用流水線處理結構,平均指令速率達5 M IPS,集成4 KBRAM、64 K Flash ROM、CAN控制器、UART串口,非常適合該電路要求,幾乎無需擴展外圍芯片,可節(jié)省大量硬件開銷。C8051F040內部的CAN控制器符合Bosch規(guī)范2. 0A (基本CAN)和2. 0B (全功能CAN) ,方便了CAN 網(wǎng)絡通信設計。CAN控制器包含1 個CAN 核、消息RAM (獨立于C8051 的RAM) 、1個消息處理狀態(tài)機及控制寄存器。CAN控制器可以工作在高達1M bit/ s速率,有32個消息對象,每個消息對象有其標識掩碼,用于過濾接收到的消息。輸入數(shù)據(jù)、消息對象和標識掩碼存儲在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關的所有協(xié)議處理均由CAN控制器完成,不需C8051 MCU干預,這使用于CAN通信的CPU帶寬最小。

　　C8051通過特殊功能控制器(SFR)配置CAN控制器,讀取接收的數(shù)據(jù),寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。CAN控制器結構圖見圖2。

圖2　CAN控制器結構

　　CAN總線完成下位機各部分間的通信以及各下位機與上位機之間的通信。由于C8051F040集成的CAN控制器只是個協(xié)議控制器,不能提供物理層驅動,應用時需外加CAN總線收發(fā)器,采用PCA82C250收發(fā)器作為CAN控制器和物理總線間的接口芯片,它可以增強總線驅動能力,提高總線差動發(fā)送和接收能力,從而增加通信距離并擴充節(jié)點數(shù)量。

　　RS - 232 驅動芯片采用MAX232,實現(xiàn)RS - 232 電平和TTL電平之間的轉換。C8051F040內部駐有CAN通信協(xié)議,主要負責對CAN接口芯片的初始化和控制,完成CAN總線協(xié)議和RS - 232通信協(xié)議的轉換和數(shù)據(jù)傳輸。通信節(jié)點的結構框圖如圖3所示。

圖3　通信節(jié)點的硬件框圖

　　為增強抗干擾能力,采用了高速光電耦合器6N137 隔離C8051F040MCU和PCA82C250的通信端口,實現(xiàn)總線上節(jié)點間的電氣隔離,增強了穩(wěn)定性和安全性。在工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境下,不僅通信線路需隔離,供電也必須隔離,否則光耦兩側的噪聲信號將通過電源線耦合。文中采用專門為通信接口設計的隔離電源器件MAX253。其輸出端連接有中心抽頭的隔離變壓器原邊, 變壓器副邊即可提供隔離側電源, 功率可達1 W.MAX253的SD控制端可連接MCU作為選通信號,空閑時進入待機狀態(tài)降低功耗。電源原理圖如圖4所示。

圖4　隔離電源

3 軟件設計

　　軟件設計包括2部分內容:下位機CAN通信軟件和上位機服務器軟件。CAN 通信軟件主要有兩方面功能: 一是對C8051F040內部CAN控制器的相關寄存器進行初始化配置,包括協(xié)議寄存器,消息對象接口寄存器,消息處理器寄存器等;二是控制收發(fā)緩沖區(qū)的讀寫,完成數(shù)據(jù)交換。

　　處理器將上位機送來的控制指令或NC程序,通過寫入內部的CAN數(shù)據(jù)寄存器來傳送給下位機數(shù)控機床,又可讀取機床寫入寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制服務器。因此, CAN通信軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序、接收程序等。采用C結構化程序設計方案,具有較好的模塊性和可移植性,對不同系統(tǒng)功能或應用環(huán)境,可方便進行編程重組。