基于CAN總線的行星旋風(fēng)銑頭數(shù)控接口設(shè)計(jì)

梁蔓安，齊保謙，尹輝俊，龐小軍

（1. 廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006；2. 柳州機(jī)車車輛廠，柳州 545007）

基于CAN總線的行星旋風(fēng)銑頭數(shù)控接口設(shè)計(jì)

梁蔓安1，齊保謙1，尹輝俊1，龐小軍2

（1. 廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006；2. 柳州機(jī)車車輛廠，柳州 545007）

0 引言

旋風(fēng)銑削具有重載切削力、加工表面質(zhì)量高、高速和高效率的特點(diǎn)，適合于高精度、大尺寸螺紋的批量生產(chǎn)，但對(duì)某些形狀復(fù)雜、受到夾具及機(jī)床結(jié)構(gòu)限制，不能完成工件自轉(zhuǎn)的大螺紋卻無(wú)能為力。對(duì)于這類大尺寸螺紋的加工，行星旋風(fēng)銑削是較好的加工方案。行星旋風(fēng)銑頭的主要功能就是可以根據(jù)螺紋直徑尺寸調(diào)整徑向進(jìn)給，帶動(dòng)盤銑刀公轉(zhuǎn)進(jìn)給；并根據(jù)切削速度要求調(diào)整盤銑刀的自轉(zhuǎn)速度以完成主切削。[1]從整個(gè)機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)看，行星旋風(fēng)銑削頭不是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要與機(jī)床的軸向進(jìn)給同步以形成螺紋軌跡。若直接采用普通數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其控制，銑削頭公轉(zhuǎn)導(dǎo)致的動(dòng)力電纜和控制電纜的多圈纏繞必然降低系統(tǒng)的可靠性和壽命。對(duì)于圈數(shù)較多的螺紋，這種方案甚至不可行。因此有必要針對(duì)行星旋風(fēng)銑頭，設(shè)計(jì)適應(yīng)其加工特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

若放棄通用型數(shù)控系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)專用旋風(fēng)銑床數(shù)控系統(tǒng)，周期和成本較高，且不適合于工程應(yīng)用。經(jīng)制造工藝分析，利用旋風(fēng)銑削頭公轉(zhuǎn)速度不高的特點(diǎn)，本文提出了整體采用脈沖輸出型的通用數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)行星旋風(fēng)銑頭局部功能模塊化，并通過(guò)CAN總線集電環(huán)傳輸方式完成與數(shù)控系統(tǒng)交互控制信號(hào)的方案。這樣既確保了通用數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性和工程實(shí)用性，又有效的避免了銑削頭公轉(zhuǎn)導(dǎo)致的多圈電纜纏繞。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。脈沖輸出型數(shù)控系統(tǒng)在每個(gè)插補(bǔ)周期依據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果，以數(shù)字脈沖的形式輸出各進(jìn)給軸的進(jìn)給量，這樣可以克服模擬量位置控制型數(shù)控系統(tǒng)的傳輸導(dǎo)線空間干擾的缺點(diǎn)，提高定位精度。其中輸出的螺紋軸向進(jìn)給脈沖與普通的數(shù)控系統(tǒng)一樣直接送入伺服控制器驅(qū)動(dòng)軸向進(jìn)給；對(duì)于螺紋徑向進(jìn)給脈沖，經(jīng)過(guò)接口的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，CAN總線報(bào)文的編碼/解碼，和動(dòng)力電源一起通過(guò)集電環(huán)送至銑削頭側(cè)公轉(zhuǎn)的伺服控制器。由于銑削頭的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較低，避免了因集電環(huán)制造誤差等因素造成的動(dòng)力電源電弧對(duì)控制信號(hào)的干擾。與普通數(shù)控系統(tǒng)采用邏輯高低電平表示進(jìn)給脈沖和控制信號(hào)的傳送方式相比較，信號(hào)經(jīng)CAN總線接口的編碼傳送，不僅可以大大減少系統(tǒng)模塊間的走線數(shù)量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更重要的是能夠利用CAN總線的報(bào)文校驗(yàn)功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正由于強(qiáng)電干擾和集電環(huán)瞬時(shí)傳輸故障所造成的錯(cuò)誤報(bào)文，避免丟失進(jìn)給脈沖，提高傳輸信號(hào)的正確性。

2 CAN總線的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)總線作為一種工業(yè)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的局域網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)控系統(tǒng)功能模塊開放互聯(lián)方面得到了日愈廣泛的應(yīng)用。[2]本文選擇CAN總線的原因：相對(duì)于RS485總線，它具有可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，硬件循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，錯(cuò)誤報(bào)文能夠自動(dòng)重發(fā)，簡(jiǎn)化了對(duì)集電環(huán)上動(dòng)力電源電弧的抗干擾措施，同時(shí)短小的數(shù)據(jù)域保證了頻繁數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，更適合于設(shè)備內(nèi)部功能模塊間的通信；相對(duì)于Profibus總線，它的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型應(yīng)用層不必遵循復(fù)雜冗長(zhǎng)的協(xié)議，完全能夠根據(jù)具體特有的應(yīng)用環(huán)境自由定義。

2.1 報(bào)文與實(shí)時(shí)性分析

實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與旋風(fēng)銑削頭的CAN總線通信，首先要依據(jù)控制工藝要求，確定通信雙方的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容以及各自的實(shí)時(shí)性要求。

當(dāng)系統(tǒng)上電或者重啟時(shí),數(shù)控系統(tǒng)側(cè)與旋風(fēng)銑頭之間必須先建立通信關(guān)系。數(shù)控系統(tǒng)側(cè)復(fù)位就緒后將每隔200ms向旋風(fēng)銑頭發(fā)送“工作請(qǐng)求”命令, 旋風(fēng)銑頭收到命令后立即使能伺服控制器和啟動(dòng)主切削變頻器，并將各驅(qū)動(dòng)器使能就緒的成敗反饋信息發(fā)送回?cái)?shù)控系統(tǒng)。只有在數(shù)控系統(tǒng)側(cè)接收到“銑頭就緒”成功狀態(tài)后才可進(jìn)入工作狀態(tài)。根據(jù)手動(dòng)或程序自動(dòng)操作將旋風(fēng)銑頭須完成的順序動(dòng)作再以命令的方式發(fā)送。例如：“徑向進(jìn)給回零”命令是為了精確的控制螺紋半徑，在工件裝夾后需要徑向進(jìn)給軸回到機(jī)床零點(diǎn)；“徑向插補(bǔ)進(jìn)給”命令是數(shù)控系統(tǒng)側(cè)在每個(gè)5ms的插補(bǔ)周期以有符整型數(shù)形式給出的徑向進(jìn)給量；“主切削軸轉(zhuǎn)速”命令能夠根據(jù)螺紋加工工藝要求在線改變主切削軸的轉(zhuǎn)速。在加工的同時(shí)，旋風(fēng)銑頭也能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)給軸的超程狀態(tài)以及伺服控制器和變頻器的故障報(bào)警，將解碼和編碼后的“銑頭報(bào)警”信息立即發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)側(cè)。

2.2 報(bào)文優(yōu)先級(jí)與波特率的確定

數(shù)控系統(tǒng)與旋風(fēng)銑頭間的所有控制信息都要通過(guò)CAN總線傳遞，這樣必然造成總線資源的占用和沖突。因此需要根據(jù)各控制信息的實(shí)時(shí)性要求確定相應(yīng)報(bào)文優(yōu)先級(jí)，讓實(shí)時(shí)性強(qiáng)、優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文優(yōu)先占用總線，保證系統(tǒng)正常、可靠的運(yùn)行。

采用非破壞總線仲裁技術(shù)的CAN總線是依據(jù)報(bào)文幀中的仲裁域標(biāo)識(shí)符各位的顯/隱性判斷報(bào)文優(yōu)先級(jí)的，因此總線的利用率可以接近100%。有別于其它主從式的總線，CAN總線中的標(biāo)識(shí)符并不是直接對(duì)通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，而是對(duì)所發(fā)送的報(bào)文信息進(jìn)行編號(hào)。因此每幀的標(biāo)識(shí)符既表征了數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用意義，又確定了這類數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。表1列出了數(shù)控系統(tǒng)與旋風(fēng)銑頭間的各類報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求及其標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符中的各位在互補(bǔ)輸出的電介質(zhì)傳播中，0代表顯性；1代表隱性。并將標(biāo)識(shí)符劃分為三部分：前5位區(qū)分實(shí)時(shí)性要求的六個(gè)優(yōu)先等級(jí)；考慮到后續(xù)的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，預(yù)留隨后3位作為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)；最后3位用于表示同節(jié)點(diǎn)同優(yōu)先級(jí)下的報(bào)文類型。

表 1 報(bào)文及其標(biāo)識(shí)符

CAN總線協(xié)議規(guī)定通訊的最高波特率可以達(dá)到1Mbit/s；并且一幀報(bào)文由（44+8N）位構(gòu)成，其中N為數(shù)據(jù)域中有效數(shù)據(jù)的字節(jié)寬度。[3]考慮到工控環(huán)境的干擾以及傳輸媒介中集電環(huán)的雜散電容效應(yīng)，保守設(shè)定實(shí)際的波特率200Kbit/s,那么在加工過(guò)程中傳輸最為頻繁的插補(bǔ)進(jìn)給指令報(bào)文和85%總線利用率的環(huán)境下，一個(gè)插補(bǔ)周期能夠完成5次插補(bǔ)進(jìn)給指令報(bào)文和2次銑削頭報(bào)警報(bào)文的發(fā)送，足以滿足加工時(shí)的可靠性要求。

3 功能接口設(shè)計(jì)

由于銑削頭內(nèi)需要安裝交流伺服控制器、變頻器等大體積電器，留給接口電路的安裝尺寸較小；另外為了避免切削加工時(shí)冷卻液滲入造成的短路故障，因此功能接口設(shè)計(jì)盡量采用集成度較高的方案。本文選擇了外設(shè)功能齊備的dsPIC30F4012作為任務(wù)控制器，其內(nèi)部集成的CAN總線模塊、正交編碼器模塊（QEI）、通用異步串行通訊模塊分別為接口的CAN總線通訊、徑向回零和主切削變頻調(diào)速提供了功能支持。與CNC系統(tǒng)和伺服控制器的進(jìn)給脈沖和各類數(shù)字開關(guān)量接口設(shè)計(jì)，由于各產(chǎn)品型號(hào)的設(shè)計(jì)差異，需要嚴(yán)格依據(jù)具體產(chǎn)品型號(hào)的用戶手冊(cè)，滿足機(jī)械與電氣上的連接要求。[4,5]CAN總線通訊和徑向回零功能的接口電路如圖2所示。

圖2 總線與回零功能接口

CAN總線兩端的CNC系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)的電氣隔離對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性是必要的，ISO1050作為內(nèi)置電氣隔離的總線收發(fā)器集成了以往通訊光耦6N137和普通總線收發(fā)器MCP2551的功能，配以總線雙向保護(hù)二極管以便吸收來(lái)自伺服驅(qū)動(dòng)的瞬時(shí)浪涌干擾。

徑向回零功能在接口硬件上需要光電編碼器和零點(diǎn)減速開關(guān)的支持。跟隨徑向進(jìn)給軸同步旋轉(zhuǎn)的光電編碼器選擇具備遠(yuǎn)距離抗干擾傳輸特性的三相差分輸出的接口形式，經(jīng)AM26LS32電平轉(zhuǎn)換后送入控制器，后續(xù)的數(shù)字濾波和倍頻都可以方便地由控制器設(shè)置完成；在QEI/中斷/定時(shí)器功能的支持下由程序完成以編碼器Z相作為零點(diǎn)信號(hào)的精確回零操作，控制流程如圖3所示。其中QEI模塊能夠以中斷的方式快速響應(yīng)編碼器的Z相零點(diǎn)脈沖，利用內(nèi)部的加減計(jì)數(shù)器完成編碼器輸入的正交信號(hào)辨向，并實(shí)時(shí)記錄進(jìn)給軸的正反轉(zhuǎn)角度脈沖。

圖3 徑向回零功能流程

4 結(jié)論

針對(duì)行星旋風(fēng)銑床的銑削頭公轉(zhuǎn)所造成的動(dòng)力/控制電纜多圈纏繞問題，本文在通用數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)銑削頭控制功能分析，提出了采用CAN總線集電環(huán)傳輸完成與數(shù)控系統(tǒng)控制信號(hào)交互的方法，并完成了銑削頭模塊各功能接口的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明了在強(qiáng)電干擾下CAN總線各類報(bào)文在集電環(huán)傳輸?shù)目尚行院涂煽啃?，有效的解決了電纜多圈纏繞的問題，使經(jīng)銑削頭的系統(tǒng)走線得到了簡(jiǎn)化；各類功能接口經(jīng)調(diào)試工作正常可行。

[1]呂彥明.螺紋超高速旋風(fēng)銑削[J].機(jī)械制造,2003,41(469): 42.

[2]劉艷強(qiáng),郇極.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字伺通信協(xié)議[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2006,28(1):50-55.

[3]潘月斗,許鎮(zhèn)琳,楊堂勇,等.一種基于CAN總線的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007,18(2):178-182.

[4]KND-100M銑床用數(shù)控系統(tǒng)用戶手冊(cè)[EB/OL].http://www.knd.com.cn.

[5]安川電機(jī)SICPS0000005A.SGMII系列SGM H/SGDH用戶手冊(cè)[Z].2003.

CNC interface design for milling head of epicyclical-whirling milling machine based on CAN bus

LIANG Man-an1, QI Bao-qian1, YIN Hui-jun1, PANG Xiao-jun2

為解決數(shù)控行星旋風(fēng)銑床的銑削頭電纜多圈纏繞問題，提出了在通用數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)銑削頭功能模塊化，使用CAN總線集電環(huán)傳輸完成與數(shù)控系統(tǒng)通訊的方法。分析了總線控制銑削頭所需的控制報(bào)文及實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)別并驗(yàn)證了通訊波特率；完成了控制銑削頭所需的各功能接口設(shè)計(jì)；驗(yàn)證了數(shù)控接口方案的可行性和各功能接口的正確性。

CAN總線；行星旋風(fēng)銑床；數(shù)控系統(tǒng)；功能接口

梁蔓安（1978 -），男，廣西南寧人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

book=3,ebook=215

TP391

B

1009-0134(2011)4(上)-0096-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).30

2010-10-17

廣西科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻0992002-6）；廣西教育廳科研資助項(xiàng)目（200808LX167）