CAN總線在軸承套圈加工設備中的應用

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，質優價廉的自動加工設備得到了軸承制造企業的青睞。在軸承套圈自動加工設備中，傳統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。基于總線技術的專用機床控制器，可以解決傳統控制電路無法解決的多功能、低成本等問題，使軸承套圈加工設備自動控制系統具有優良的性價比。

1 傳統控制電路存在的問題

目前，軸承套圈加工設備主要有：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線，完成多工序加工任務，增加工件計數、刀具壽命計數、主軸轉速測量、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，整個系統的可靠性難以保證。

2 CAN總線技術

現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，在眾多類型的工業現場總線中，控制器局域網總線(Controller Area Network，CAN)，以其高性能，高可靠性，及獨特的設計，越來越受到人們的重視。

CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，高優先級的數據最多可在134 μs內得到傳輸；在1 Mb/s通信速率下，通信距離可達40 m；CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路，一般可達110個;CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，使數據出錯率極低，這些優勢為CAN總線技術在軸承套圈自動加工設備中的應用提供了可靠的保證[1]。目前，許多單片機生產廠家都將CAN總線模塊嵌入到其產品中，以提高其產品性價比，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總線的控制器結構及應用

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構如圖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構設計，每個模塊都是一個智能節點，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線。另外，主控板模塊和操作板模塊還自成系統，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車床控制器結構圖

控制器帶位置節點的結構如圖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點(模塊)。該節點接受主機發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 帶位置節點的結構圖

4 控制器電路組成

控制器主控板結構如圖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、轉速信號輸入、光電隔離電流/頻率轉換模塊(此模塊主要完成需要隔離的模擬信號轉換)。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 主控板結構圖

人機界面板結構如圖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，按鍵輸入信號經單片機程序處理后，經CAN總線傳輸到主控板，主控板再將CAN總線傳輸來的文本信號經過人機界面板單片機處理后，通過其并行輸出接口傳輸到液晶顯示模塊，文本信息最終在液晶屏上顯示。

圖4 人機界面板結構圖

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)。再經過主控板單片機U8內程序處理產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總線傳輸到人機界面板。

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、驅動芯片U9以及接口P2輸出列掃描信號。按鍵動作產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，信號經過單片機內程序處理后，通過人機界面板CAN總線光電隔離模塊U12、接口P4，經CAN總線傳輸到主控板，主控板將傳輸來的文本信號經過人機界面板單片機U11處理后，通過其并行輸出接口傳輸到液晶顯示模塊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 軟件設計

設計的基于CAN總線的控制器，執行CAN2.0B技術規范，通信速率為500 kb/s，通信距離大于100 m。數據傳輸軟件系統沒有采用站地址編碼，而是對通信數據塊進行編碼，總線上各功能模塊對每一個數據塊進行識別，并根據自身需求進行取舍，因此，可以很方便地增加功能模塊。CAN總線上的各設備不分主從，網絡上任一節點均可以在任何時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，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]。網絡上的節點信息分不同的優先級，在軟件設計中，將故障信號、停機信號安排在較高優先級，而將壓力顯示信號、轉速信號等安排在較低優先級，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計，分為用戶程序和系統程序(用戶程序以外的所有程序)兩部分。這種程序結構的好處是：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被執行，這類似于PLC的用戶程序的執行方法。人機界面主程序結構相對固定，各種機型基本無差別。

圖7 程序流程圖

6 結束語

CAN總線技術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成生產線，在實際應用中取得了很好的效果。