基于CAN總線的多點支撐陣列設(shè)計

劉菁昊 胡永立 劉明利

摘 要：CAN總線通訊在多項領(lǐng)域中具備通信效率高和穩(wěn)定性好等多重優(yōu)勢，本文針對大型船舶的生產(chǎn)情況，以19×11個支柱組成陣列，對柔性面進行支撐，并從多個方面出發(fā)，對柔性定位和支撐等技術(shù)進行了設(shè)計，對大型船舶生產(chǎn)自動化研究具有重要價值。

關(guān)鍵詞：CAN總線；多點支撐；船舶制造

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0030-02

我國是造船大國，2011年船舶工業(yè)三大指標造船完工量、手持訂單量、新接訂單量分別為41.2%、44.9%、46.9%，均高于韓日等國家，居世界首位，目前我國造船還是以低端制造為主，造船技術(shù)與效率相對落后，高附加值船型競爭力差、占有率低，曲面分段是指船體機艙、艏、艉部等非平直部分的分段，占船舶分段總量的40%-60%，其制造周期是平面分段的2-4倍，具有結(jié)構(gòu)相似性差、焊接工藝復雜、精度控制困難等特點，是影響艦船制造精度、質(zhì)量、效率與生產(chǎn)周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，技術(shù)與裝備是造船技術(shù)提升的瓶頸之一，我國曲面分段制造技術(shù)與裝備還停留在人工焊接、固定胎架制造的模式，與造船技術(shù)先進國家的高效自動焊接裝備以及流水線生產(chǎn)模式相比相差甚遠。CAN總線通信目前已成熟的被應用于很多領(lǐng)域上，因此，如何將CAN總線通訊技術(shù)與傳統(tǒng)船舶生產(chǎn)結(jié)合起來，是目前很多船舶生產(chǎn)工作人員和通信工作專業(yè)人員高度關(guān)注的問題。

1 基于CAN總線的多點支撐陣列設(shè)計

1.1 多點柔性支撐的主要原理

多點支撐技術(shù)是船舶制造中的的關(guān)鍵技術(shù)，多點支撐技設(shè)備在實際的設(shè)計過程中，應考慮到加工板材的重量，接觸面的摩擦系數(shù)，板材的厚度等因素，對現(xiàn)有生產(chǎn)方式存在的不合理、待改進、誤差大等問題進行研究，保留原有生產(chǎn)中的精華，再與機械自動化技術(shù)進行結(jié)合，從而研發(fā)出一套生產(chǎn)高效、工作穩(wěn)定、定位精準的支撐設(shè)備。目前，大型船舶在進行生產(chǎn)的過程中，多以手工安裝支撐桿為主，這樣不僅消耗大量人力物力，同時精度還難以保證。所以，按照多點支撐陣列的設(shè)計柔性支撐的技術(shù)應用需求，設(shè)計制造一套全自動調(diào)型的支撐陣列是改善船舶制造工藝的重要一步。支撐點的離散化處理是進行多點柔性支撐的主體技術(shù)手法，CAN總線通訊對多節(jié)點、長傳輸距離、大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸有很大優(yōu)勢，為設(shè)計要求，按照大型船舶的部件支撐方式，對其中的技術(shù)擬合措施予以制定，是保證部件在技術(shù)操作當中可以按照支撐截面技術(shù)特點實現(xiàn)定位控制的關(guān)鍵。處在離散狀態(tài)下的多個材料板的支撐點，可以在進行陣列支撐設(shè)計的過程中保持足夠的獨立性與可調(diào)節(jié)性，使支撐點之間能夠憑借離散狀態(tài)的組合，從而對曲面板材契合，為船舶生產(chǎn)的自動化進行保障。

1.2 多點支撐陣列的主要方法

要按照大型船舶的建設(shè)與生產(chǎn)要求，對生產(chǎn)應用過程中的船舶尺寸特點進行分析，并按照多點支撐的陣列設(shè)計方案，預置包絡(luò)面就是采用電動支柱，以電動支柱頂部參照點作為控制點，根據(jù)3維制造數(shù)字化信息設(shè)置好電動支柱的高度。預置包絡(luò)面以設(shè)計數(shù)據(jù)描述曲面，而電動支柱為了適合不同傾角的支撐位置，電動支柱的頂端必須是球面，描述電動支柱的位置則以球面的球心為參照點，球直徑越小，其與以數(shù)字化陣列為基礎(chǔ)提取的目標板材的坐標越接近，從接觸應力控制方面考慮，參照點直徑越小，接觸應力越大，這可能會導致目標板材的損壞，因此這里面首先需要優(yōu)化，使得在板材不受損的情況下，誤差最小。電動支柱的安裝精度同樣也會影響參照點的位置，需要根據(jù)實際安裝位置做修正調(diào)整，電動支柱按照上述優(yōu)化和修正的坐標調(diào)整好后，成為設(shè)計要求的曲面板的設(shè)計包絡(luò)面，由于加工誤差的存在，實際接觸點在滿足靜平衡的前提下，在剛度足夠好的情況下，只可能是3點接觸，由此，接觸應力、水平分力、側(cè)滑等都將受到單個電動支柱能力的限制，液壓支柱方案中提出的電磁吸盤，在均載的情況下可以利用吸附力固定曲面板，而電動支柱由于預置的特征，大多數(shù)電動支柱無法觸及曲面板，其間的間隙無法產(chǎn)生足夠大的吸力，從而電磁吸盤的應用受到限制，由于多點支撐實際變成了個別點支撐，個別點的載荷將會增大很多，為了盡可能增加支撐點，電動支柱技術(shù)方案需要通過人為干涉的方式在骨架沒有焊接前將板形修正以使其得到更多的支撐點。

2 基于CAN總線的多點柔性支撐的基本方法

2.1 基于CAN總線的多點支撐陣列設(shè)計方法

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中，通訊是連接各個部分的紐帶，對于通訊系統(tǒng)的研究在平臺的設(shè)計中也尤為重要，Can總線的通訊設(shè)計在船舶領(lǐng)域具備通信效率和技術(shù)穩(wěn)定性等多重優(yōu)勢，針對大型船舶制造的實際應用情況，從多個方面出發(fā)，對骨架焊接和柔性定位等技術(shù)的處理方案進行了設(shè)計，對提升多點陣列平臺設(shè)計總體水平，具有十分重要的價值。同時也對工業(yè)領(lǐng)域其他設(shè)備制造提供了經(jīng)驗。在研究過程中，研究了Can總線通訊中抗干擾性強、可用節(jié)點多的優(yōu)點。按照CAN總線通訊傳輸距離與傳輸速率之間的關(guān)系和柔性支撐平臺的自動化需求，CAN總線通訊控制是一項關(guān)鍵因素，應從精確度控制，可靠性建設(shè)與柔性度考察多個方面對柔性支撐的裝置加以設(shè)計。按照高精度多點陣列的設(shè)計理念，對CAN總線的傳輸速率與距離進行研究。同時對CAN總線的報文進行統(tǒng)一編寫。CAN控制器工作于多種方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。

2.2 基于安全性的多點支撐陣列設(shè)計方法

要按照自動化技術(shù)的操作習慣，對多點陣列支撐體系的設(shè)計進行分段處理，并按照大型船舶使用過程中可能存在的安全隱患，對數(shù)據(jù)傳輸過程中的規(guī)范運行策略進行完善，為多點支撐陣列更好地吸收原則性經(jīng)驗因素的指導創(chuàng)造有利條件。在進行柔性定位平臺設(shè)計體系建造的過程中，必須按照當前的核心技術(shù)體系總結(jié)特點，對技術(shù)開發(fā)模式加以制定，以便讓CAN總線通訊技術(shù)滿足安全操作要求。多點支撐在進行柔性定位總體設(shè)計的過程中，以19×11平方米作為陣列設(shè)計的基礎(chǔ)性面積，并保證陣列的柔性支柱可以得到較為完整的設(shè)計，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)對曲面板形狀的合理控制，并使骨架的焊接可以在這一過程中得到穩(wěn)定的技術(shù)控制。曲面板的對接工作也需要結(jié)合安全性的基礎(chǔ)性需要，按照大于兩塊曲面板的面積進行多節(jié)點CAN總線通訊設(shè)計，以便所有的骨架都可以在19×11平方米的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)快速、安全、精準調(diào)型。

2.3 基于運動可靠性的多點陣列支撐設(shè)計方法

大型船舶生產(chǎn)對于支撐平臺的使用質(zhì)量具備較高的需求，因此，在進行多點支撐陣列設(shè)計的過程中，需要將運動可靠性作為一項關(guān)鍵性因素進行定位處理。首先，要按照三維曲面的柔性特點，對設(shè)備平臺實施核心技術(shù)控制方案的建設(shè)，并對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)造技術(shù)實驗平臺，保證CAN總線在信息資源傳遞性能方面的特點可以得到全面精準的判斷，促使研究性質(zhì)的工作能夠具備更高水平的操作管理性能。運動的可靠性要按照大型曲面板的支撐特點，對胎架制造順序進行明確，尤其要在焊接開始之前，利用CAN總線通訊將支柱內(nèi)的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偪卦O(shè)備進行判斷分析，以便柔性陣列的設(shè)計工作能夠按照多點支撐技術(shù)操作的實際特點，與電動支柱的曲面預備特點實現(xiàn)技術(shù)融合，保證技術(shù)方案的操作可以在定形技術(shù)得到合理控制的情況下，適應大型船舶運行特點的相關(guān)需要，以此保證多點支撐技術(shù)的優(yōu)勢可以得到充分實現(xiàn)。

2.4 基于通訊需要的多點陣列支撐設(shè)計方法

要結(jié)合通訊性質(zhì)裝置的控制要求，對大型曲面板在船舶當中的實際使用需求進行滿足，以便支撐平臺可以按照技術(shù)開發(fā)與制造的需求實現(xiàn)對子系統(tǒng)的合理掌控，并為多點陣列支撐設(shè)計方案的制定創(chuàng)造有利條件。通訊設(shè)計需要按照209個節(jié)點的分布特征，對多點支撐陣列的具體支撐特征予以分析，并且按照規(guī)范的電動支柱開發(fā)模式，對焊接技術(shù)開始之前的曲面定形系統(tǒng)進行設(shè)計處理。將209個節(jié)點分為4組CAN總線通訊單元，這樣不僅縮短了每一組CAN總線的通訊距離，同時還為后期維護提供了方便。

2.5 CAN總線信號傳輸速率及線纜長度限制研究

CAN定義可編程傳輸延遲（PROP_SEG）為每個位的組成部分，以保證每個節(jié)點在對總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實等待足夠長的時間。PROP_SEG的計算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時鐘頻率相關(guān)知識，PROP_SEG將采樣點規(guī)定在約總位時間的5/6或者更低以照顧其他段，這樣雙向延遲便被規(guī)定為位時間的一小段。CAN標準規(guī)定，線纜為5ns每米傳輸延遲，1Mbps信號速率時最大線纜長度為40米。位時間為1000ns時，最遲采樣點（由PROP_SEG設(shè)定）約為850ns。線纜本身具有200ns的單向延遲（即400ns雙向延遲），從而使收發(fā)器和相關(guān)電路的總延遲只剩約450ns。CAN收發(fā)器的制造商通常規(guī)定“環(huán)路延遲”，其包括驅(qū)動器和接收機延遲。由于雙向計算中涉及兩個收發(fā)器，因此每個收發(fā)器都應有225ns或者更低的環(huán)路延遲，以支持1Mbps信號速率下40米的總線長度。如果收發(fā)器電路包括更多的組件，例如：隔離、電壓電平轉(zhuǎn)換或保護組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預算中。甚至，高速光耦合器一般具有40ns或更長的單向延遲，而全部雙向信號都必須通過四個光耦合器。這就極大地縮短了使用光隔離CAN系統(tǒng)的容許線纜長度（即增加了位時間）。1Mbps條件下，即使快速光耦合器的延遲也會縮短容許線纜長度。

3 結(jié)語

CAN總線的通信性能和使用性能是多點支撐陣列設(shè)計的關(guān)鍵，因此，從多點支撐陣列的設(shè)計與運行方向出發(fā)，對CAN總線通訊的實際設(shè)計予以明確，按照CAN總線通訊的運行控制特點進行程序設(shè)計與現(xiàn)場布線，對提升船舶制造中的通信系統(tǒng)的使用價值，實現(xiàn)多點陣列技術(shù)措施的價值，具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]黃敏思.基于ISO11898-1的CAN總線信號質(zhì)量評估方法[J].機電工程技術(shù)，2017（S2）：451-453.

[2]周竹朋，王歡.基于CAN總線的新能源汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2017（S2）：557-559.

[3]陳玲玲，未慶超，南西.基于CAN總線汽車AFS從控系統(tǒng)的研究[J].電子測試，2017（09）：18-19.

[4]熊永坤，王東陽.基于CAN總線的艦船推進監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（24）：16.

[5]魏小忠.基于CAN總線的大電流測量模塊[J].機電工程技術(shù)，2016（Z2）：96-100.

[6]秦分艷，鄧安亞.基于CAN收發(fā)器ADM3053的有線智能家居通信電路[J].機電工程技術(shù)，2016（Z2）：241-244.