基于现场总线的加工中心用六轴数控系统

曹建福，王 浩，刘 军

（1.西安交通大学 电信学院，西安 710049；2.西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048）

0 引言

高速高精数控加工要求在数控系统中进行大量数据的传输，为了保证数据及时准确地输送，对系统的实时性和可靠性都提出了很高的要求。一方面，随着工业现场环境和控制对象本身的日益庞杂，外围设备与数控系统的交互信息越来越多；另一方面，一些已经具备独立性的功能模块作为一种全新的优化方式和拓扑结构融入到数控系统的功能框架中，形成具备网络特征协同处理的数控系统控制网络。因此，采用现场总线构建开放结构数控系统成为一种必然的技术发展趋势。

目前，不少学者对基于现场总线的数控系统进行了研究。文献[1,2]构建了基于现场总线的开放式架构数控系统，实现了系统功能的可重构。文献[3]通过建立同步网络模型，解决基于现场总线的控制系统通信，但存在延迟问题。文献[5]介绍了一种利用蓝牙技术构建一个无线制造网络的方法，用该方法取代现有数控机床有线通信方式，以此建设无线制造工业环境，该方法在工业现场的实用性和可靠性还有待验证。文献[8]建立了现场总线通信协议的基本模型，为设计新的或统一的协议标准奠定了基础，文献[10-12]介绍了基于CAN总线的通信机理，但是针对的是中低挡数控系统，无法满足高档数控装置对实时性和可靠性的要求。

本文提出了一种分布式的六轴数控系统，CNC控制器与内装式PMC、远程操作面板之间数据通信采用现场总线，这种数控系统结构扩展性好，而且连线方便。论文设计了一种面向数控系统的现场总线协议，实现现场总线接口能满足实时性和可靠性要求。

1 基于现场总线的数控系统结构

传统数控系统大多是采用专用体系结构，系统功能固定、人机界面不灵活、软硬件开放性差，并且采取集中式控制方式，不利于与其他网络设备进行互连。基于现场总线的开放式数控系统可以与现场的设备相连形成一个控制系统网络，实现分布式的控制。采用现场总线的数控系统还能根据机床厂家和最终用户的需求，对其软硬件功能进行剪裁和重新构造，因此它能够满足高档数控系统的需要。

本文设计的加工中心用六轴数控系统，由CNC控制器、显示与数据操作终端、内装式PMC、远程操作面板等几部分组成，总体结构如图1所示。CNC控制器包括嵌入式工控主板和运动控制模板，嵌入式工控主板负责数控系统的人机界面、数据文件管理和加工代码预处理等功能。运动控制模板采用DSP+FPGA的硬件结构，负责数控系统的大多数实时控制任务，包括代码译码、多轴插补运算、速度控制、模式管理等；同时，CNC控制器作为数控系统的主节点负责控制系统网络初始化、协调控制节点数据交换以及控制命令发送等功能。数控系统的其他分布式控制节点还包括内装式PMC、远程操作面板等，内装式PMC负责输入输出信号的逻辑控制，实现I/O数据扫描、PMC逻辑运算功能，远程操作面板利用数字接口，把机床操作面板的主控制信号送给CNC控制器。这种结构结合了嵌入式工控主板的开放性和DSP的高速处理能力，具有开发性高、运算速度块、可靠性高等特点。

图1 基于现场总线的六轴数控系统总体结构

CAN协议是建立在国际标准组织开放系统互连模型之上，其协议简单，最高通信速率可达1Mbit/s，直接传输距离高达10km，采取多主工作方式，高抗电磁干扰性、纠错能力强；同时，CAN接口安装方便，成本低。因此，本论文选用CAN总线作为PMC与CNC控制器之间的数据通信方式。图2为内装式PMC板的原理结构图，它的基本I/O点数是64/64点，可扩展到128/128点。PMC板使用了TI公司的TMS320F2812数字处理器，该DSP内集成了CAN控制器。

图2 内装式PMC板原理结构图

远程操作面板也是通过CAN总线与CNC控制器进行通信，主要传送来自操作面板的开关信号，同时接收来的响应信号。远程操作面板采用AT89S52单片机，使用独立CAN控制器SJA1000T。

2 面向数控系统的现场总线通信协议

高档数控系统要实现高速高精控制，这既要在内部完成大量的数据传输，同时还要保证通信的实时性和可靠性。本文定义了一种面向数控系统的高速现场总线通信协议，这种协议能保证数控系统中各节点之间的循环通信周期达到16ms。协议采用带29位报文标识符的扩展帧，其通信报文形式如表1所示。

表1 CAN总线报文结构

CAN报文由扩展的29位标识符、1位数据类型、1位远程发送请求、4位该帧内数据段数据长度、0～8字节数据段、16位循环冗余码CRC、2位应答位和1位帧结尾组成。

CAN标识符的分配在设计通信系统应用层协议时非常重要，它决定了信息和相关的优先权及信息的等待时间，同时也影响了信息滤波适用性、合理的通信结构适用性和标识符使用的效率。报文标识符中包含有优先标记、目标地址、源地址、帧类型、帧号、保留位、结束标记，其格式如表2所示。

表2 扩展帧报文标识符格式

其中，优先标记(1位)是用来标记当前帧的优先级别。对于正常信息，该位置为1，对于紧急信息(如报警信息、紧急断电等)，将该标记置0。该标记先于其他帧占用总线，在最短的时间内到达目的地址；

目标地址(7位)：指定该帧数据或信息所要到达的目的地；

源地址(7位)：指定该帧数据或信息的来源地址；在数控系统中，对每个CAN模板都设定一个地址号，用来区分不同的设备。CAN总线上的节点个数主要取决于总线驱动电路，目前最多可达110个。本文采用了长度为7位的目标地址和源地址，可以有128个编码地址，完全满足系统需要。

帧类型(1位)：用来标记该帧数据场中的内容是要传输的数据内容还是通讯协议的控制信息；

帧号(8位)：是用来标记数据拆分后的帧块序号；由于每个邮箱最多可存放8字节即64位的数据，而消息的大小不定，CNC运动控制器侧输入信号有32位，可以直接传输给，刀库表信息和梯形图程序段却远远超过64位，需要分段传输。在传输超过8字节长度的数据时，按照每块8字节对数据进行拆分，根据数据的先后顺序，指定相应的帧号，从0递增。帧号采用8位表示，取值范围为0～255，用这种方式完全满足本控制系统的通信需求。

保留(4位)：用作扩展，可以根据功能扩展的需要增加其他功能；

结束标记(1位)：是用来标记该数据包传输过程的结束。

CAN通信报文数据段要传送的数据包括MST代码、I/O信息、当前刀盘位置信息、梯形图程序、刀库表信息以及远程操作面板信号。

3 数控系统CAN安全通信软件设计

TMS320F2812数字处理器上集成了增强型CAN（eCAN）总线通信接口，完全支持CAN2.0B总线规范。同时，带有32个完全可配置的接收/发送邮箱，支持消息的定时邮递功能，最高通信速率可以达到1Mbps。另外，eCAN模块能够实现灵活稳定的通信，且使用起来非常方便，只要对位时序配置寄存器、屏蔽寄存器、邮箱配置寄存器等相关寄存器进行配置就可以使用。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，DSP的CAN接口发送和接收线路并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是在中间加入了一级高速光耦6N137，UC101、UC103为光耦6N137，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。另外，CAN接口电路采用的双线差分驱动，极大地抑制了工业现场干扰信号的影响，保证了数控系统通信的可靠性。具体电路如图3所示。

图3 CAN总线接口电路图

选用了飞利浦公司的CAN通信收发器PCA82C250作为F2812的CAN控制器和物理总线间的接口，以实现对总线的差动发送和接收功能。将PCA82C250引脚8接地，在高速模式下发送器输出级晶体管以最快速度启动或者关闭，以保证了数据发送的实时性。

设计的CAN安全通信软件包括：CAN模块初始化模块、数据发送模块、数据接收模块等。在使用CAN接口进行通信之前，必须先对其进行初始化，并仅当DSP处于初始化模式下时才能进行初始化。接口初始化结束后，还需要进行邮箱的初始化。邮箱的初始化包括对邮箱属性域、控制域和数据域的设置。邮箱初始化完毕，只要满足一定的条件，相应的邮箱就能进行正常的发送和接收操作。

3.1 数据发送过程

使用发送邮箱发送消息，发送请求寄存器（CANTRS）被置1，启动消息发送，CAN模块处理CAN消息的发送。成功发送消息后，CAN模块将发送响应标志位TA置位为1。成功发送或中止发送后，模块将TRS标志复位为0。同一个邮箱为了进行下一次发送，必须将发送响应标志清零，即置TA为1。使用同一个邮箱发送其他消息，需要刷新邮箱的数据区。等待TRS为1，启动下一个发送。写入邮箱RAM的数据可以是半字（16位s）或整字（32位s），但CAN模块总是返回一个32位的数据，CPU必须接收所有32位或32位中的一部分。

3.2 数据接收过程

使用接收邮箱接收消息，当接收到一个消息时，接收消息挂起寄存器（CANRMP）中相应的标志位就会被置位，并产生一个中断，CPU可以从邮箱中读取消息。在CPU从邮箱RAM中读取数据之前，应该先清除RMP位。在读取数据后，CPU还需要验证RMP有没有再次被模块置位。如果RMP被置1，说明数据已经被损坏。当CPU读取旧的消息时，由于接收到新的消息，CPU要重新读取数据。

4 基于CAN总线的加工中心用六轴数控系统的工业应用

针对多轴联动数控系统具有多任务和实时性的特点，本文设计的数控核心软件采用前、后台型软件。前台程序为中断时间为4ms的实时中断服务程序，承担几乎全部与数控加工过程直接相关的实时性任务，如插补计算、MST代码处理、报警处理、速度控制和位置控制等；后台程序又称为“背景”程序，主要用来完成加工数据的准备工作和管理工作，包括：数控加工程序输入、译码、刀补计算、FIFO通信、CAN通信以及I/O处理等功能。后台程序是一个循环运行的程序，它是主程序，在运行过程中被4ms实时中断服务程序打断，前、后台程序相互配合完成数控系统的各项控制和管理任务。

本系统已在某公司的五轴数控加工中心上进行了成功的应用，实际应用的数控加工中心如图4所示，已完成了速度、精度测试和实际切削实验。图5为开发的六轴数控系统主界面图。

图4 STH-850型数控加工中心

图5 六轴数控系统主界面图

数控系统主要的技术指标如下：

1）具有六个运动轴，即直线轴X、Y、Z轴，旋转轴A、B、C轴，可实现五轴联动，最小分辨率0.001mm/0.001度；

2）切削进给速度达到24m/min，快移速度达到24m/min，进给加速度达到20m/s2；

3）具有微线段的前瞻自适应速度控制功能，其中微线段最小段长为0.01mm，预读段数为100段；

4）具有直线、圆弧插补、空间螺旋线等插补功能；

5）具有刀具补偿、螺距补偿以及反向间隙补偿等自动补偿功能；

6）主轴转速达到8000r/min，具有正转、反转、停止以及准停功能；

7）支持钻孔、镗孔、攻丝等多种固定循环加工宏指令；

8）提供内装式PMC功能，可使用梯形图进行编程；

9）具有动态三维仿真显示功能；

10）提供手动、自动换刀功能。

在预读段衔接进给速度和加工过程平滑减速的约束条件下，对转接点最优衔接速度进行预计算，以实现前瞻自适应速度控制功能。按照国家标准对直线和圆插补精度进行了测试，测试结果如表3所示。实际测试表明，微线段加工时其进给速度可达到10m/min，可实现进给速度的高速平滑衔接。图6为使用五轴联动加工叶轮试件的实际切削图。数控系统经过持续不间断生产加工，结果表明：控制系统硬件能够可靠工作，软件各项功能工作正常并且稳定，加工过程中速度控制平稳，精度高，系统各项指标均达到了设计时提出的要求。

表3 试件测试结果

5 结束语

为了保证加工中心用数控系统连线方便和功能具有可扩展性，本文提出了基于现场总线的六轴数控系统结构，实现了分布式的运动控制，克服了传统数控系统集中式控制的缺点。设计了一种现场总线协议及其安全通信软件，能保证CNC控制器与内装式PMC、远程操作面板之间进行数据通信的实时性和可靠性。该系统已在五轴数控加工中心上得到了成功的应用。

图6 五轴联动加工试件实际切削图

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