尹 波，張俊杰，尹 屹，彭育林

(江南機(jī)器集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411207)

近年來(lái)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的自動(dòng)加工設(shè)備得到了軸承制造企業(yè)的青睞。在軸承套圈自動(dòng)加工設(shè)備中，傳統(tǒng)的電氣控制電路存在許多問(wèn)題，制約了機(jī)床整體性能的提高。基于總線技術(shù)的專(zhuān)用機(jī)床控制器，可以解決傳統(tǒng)控制電路無(wú)法解決的多功能、低成本等問(wèn)題，使軸承套圈加工設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性價(jià)比。

1 傳統(tǒng)控制電路存在的問(wèn)題

目前，軸承套圈加工設(shè)備主要有：下料機(jī)、車(chē)床、磨床等，這些自動(dòng)機(jī)床的電氣控制電路主要采用傳統(tǒng)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(duì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)機(jī)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(huì)更多。若要將這些獨(dú)立工作的自動(dòng)機(jī)床連成生產(chǎn)線，完成多工序加工任務(wù)，增加工件計(jì)數(shù)、刀具壽命計(jì)數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量、氣壓測(cè)量、液壓測(cè)量、故障自診斷等功能，連接線路將會(huì)十分復(fù)雜，電氣控制線路對(duì)模擬量的傳輸還會(huì)造成干擾，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性難以保證。

2 CAN總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，在眾多類(lèi)型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中，控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network，CAN)，以其高性能，高可靠性，及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，越來(lái)越受到人們的重視。

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134 μs內(nèi)得到傳輸；在1 Mb/s通信速率下，通信距離可達(dá)40 m；CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，一般可達(dá)110個(gè);CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，使數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，這些優(yōu)勢(shì)為CAN總線技術(shù)在軸承套圈自動(dòng)加工設(shè)備中的應(yīng)用提供了可靠的保證[1]。目前，許多單片機(jī)生產(chǎn)廠家都將CAN總線模塊嵌入到其產(chǎn)品中，以提高其產(chǎn)品性價(jià)比，國(guó)外某公司推出的PIC18F**8系列帶CAN總線模塊單片機(jī)可以滿足軸承套圈自動(dòng)車(chē)床控制器的多種需求。

3 基于CAN總線的控制器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

采用CAN總線的自動(dòng)機(jī)床控制電路中，操作臺(tái)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(hào)線；24+,24-為直流電源線。KC8840軸承套圈自動(dòng)車(chē)床控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括主控板模塊、人機(jī)界面模塊(也稱(chēng)操作板模塊)和CAN總線?？刂破鞑捎每蓴U(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊都是一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，既可以各自獨(dú)立工作，又可以相互配合工作。CAN總線上至少可以連接110個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，因此，各種自動(dòng)機(jī)床通過(guò)CAN總線可以方便地連接成自動(dòng)生產(chǎn)線。另外，主控板模塊和操作板模塊還自成系統(tǒng)，在一些不需要CAN總線應(yīng)用的場(chǎng)合，其都可以獨(dú)立做控制器使用。

圖1 KC8840車(chē)床控制器結(jié)構(gòu)圖

控制器帶位置節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，例如磨床的工件拖板，其采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，所以在CAN總線上需要加掛位置控制節(jié)點(diǎn)(模塊)。該節(jié)點(diǎn)接受主機(jī)發(fā)出的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yīng)用于CZ9203，CZ9204等自動(dòng)車(chē)床、JN-X101A全自動(dòng)多片鋸銑床、3MZ系列磨床等的控制中。

圖2 帶位置節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

4 控制器電路組成

控制器主控板結(jié)構(gòu)如圖3所示。在主控電路板上，輸入、輸出信號(hào)通過(guò)24路光電隔離輸入、輸出模塊到達(dá)并入串出、串入并出芯片組，由主控板單片機(jī)的SPI串行接口將信號(hào)分別讀入單片機(jī)或送出單片機(jī)。主控板還有8路模擬信號(hào)輸入、轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入、光電隔離電流/頻率轉(zhuǎn)換模塊(此模塊主要完成需要隔離的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換)。主控板單片機(jī)通過(guò)CAN總線通信模塊與操作板或其他擴(kuò)展模塊通信。

圖3 主控板結(jié)構(gòu)圖

人機(jī)界面板結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要由單片機(jī)、矩陣鍵盤(pán)和液晶顯示模塊組成。人機(jī)界面板同樣經(jīng)過(guò)CAN總線與其他模塊通信，矩陣鍵盤(pán)接口電路可以接受64個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，按鍵輸入信號(hào)通過(guò)矩陣掃描的方式采集得到。人機(jī)界面板的單片機(jī)通過(guò)其SPI接口以及輔助芯片輸出列掃描信號(hào)，按鍵動(dòng)作產(chǎn)生的輸入信號(hào)通過(guò)人機(jī)界面板單片機(jī)的輸入引腳進(jìn)入單片機(jī)，按鍵輸入信號(hào)經(jīng)單片機(jī)程序處理后，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)街骺匕?，主控板再將CAN總線傳輸來(lái)的文本信號(hào)經(jīng)過(guò)人機(jī)界面板單片機(jī)處理后，通過(guò)其并行輸出接口傳輸?shù)揭壕э@示模塊，文本信息最終在液晶屏上顯示。

圖4 人機(jī)界面板結(jié)構(gòu)圖

主控板電路如圖5所示，其中，主控板單片機(jī)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(tǒng)電源模塊為POW1。

圖5 主控板控制電路圖

外部輸入信號(hào)(主要是機(jī)床行程開(kāi)關(guān)信號(hào))通過(guò)24路光電隔離輸入模塊M2到達(dá)U5，U6，U7并入串出芯片組，由主控板單片機(jī)U8的SPI串行接口將輸入信號(hào)讀入單片機(jī)。與此同時(shí)，主控板單片機(jī)U8通過(guò)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(jī)界面板上傳過(guò)來(lái)的鍵盤(pán)輸入信號(hào)(主要是人工指令信號(hào))。再經(jīng)過(guò)主控板單片機(jī)U8內(nèi)程序處理產(chǎn)生輸出控制信號(hào)和文本信號(hào)。輸出控制信號(hào)通過(guò)主控板單片機(jī)U8的SPI串行接口輸出到U1，U2，U3串入并出芯片組，經(jīng)過(guò)24路光電隔離輸出模塊M1輸出；文本信號(hào)則通過(guò)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?shù)饺藱C(jī)界面板。

人機(jī)界面板電路如圖6所示，其包括人機(jī)界面板單片機(jī)U11(PIC18F458)、中文液晶顯示模塊YJ1(OCMJ4*12J)、人機(jī)界面板CAN總線光電隔離模塊U12、人機(jī)界面板CAN總線接口P4、人機(jī)界面板系統(tǒng)電源模塊POW2和矩陣鍵盤(pán)接口電路U9(ULN2803)，U10(74HC595)，P2，P3。

圖6 人機(jī)界面板電路圖

人機(jī)界面板可以接受64個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，按鍵輸入信號(hào)通過(guò)矩陣掃描的方式采集得到。人機(jī)界面板單片機(jī)通過(guò)其SPI接口以及串入并出芯片U10、驅(qū)動(dòng)芯片U9以及接口P2輸出列掃描信號(hào)。按鍵動(dòng)作產(chǎn)生的輸入信號(hào)又通過(guò)輸入接口P3進(jìn)入人機(jī)界面板單片機(jī)U11，信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)程序處理后，通過(guò)人機(jī)界面板CAN總線光電隔離模塊U12、接口P4，經(jīng)CAN總線傳輸?shù)街骺匕?，主控板將傳輸?lái)的文本信號(hào)經(jīng)過(guò)人機(jī)界面板單片機(jī)U11處理后，通過(guò)其并行輸出接口傳輸?shù)揭壕э@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(xì)電路見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

5 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于CAN總線的控制器，執(zhí)行CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為500 kb/s，通信距離大于100 m。數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)沒(méi)有采用站地址編碼，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，總線上各功能模塊對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)自身需求進(jìn)行取舍，因此，可以很方便地增加功能模塊。CAN總線上的各設(shè)備不分主從，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可以在任何時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，CAN總線的信息沖突解決機(jī)制能夠有效地避免信息的阻塞[3]。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，在軟件設(shè)計(jì)中，將故障信號(hào)、停機(jī)信號(hào)安排在較高優(yōu)先級(jí)，而將壓力顯示信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等安排在較低優(yōu)先級(jí)，以滿足不同的實(shí)時(shí)傳輸要求。

程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用MICROCHIP公司的C18編譯器和MAPLAB ICE2000仿真機(jī)進(jìn)行調(diào)試。主機(jī)、人機(jī)界面的程序主要流程如圖7所示。主機(jī)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，分為用戶程序和系統(tǒng)程序(用戶程序以外的所有程序)兩部分。這種程序結(jié)構(gòu)的好處是：當(dāng)控制器在不同的機(jī)床上應(yīng)用時(shí)，只需要更換用戶程序模塊即可，其他如I/O及A/D轉(zhuǎn)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(shí)中斷執(zhí)行子程序里，這樣就可以保證用戶程序在固定的時(shí)間間隔內(nèi)被執(zhí)行，這類(lèi)似于PLC的用戶程序的執(zhí)行方法。人機(jī)界面主程序結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，各種機(jī)型基本無(wú)差別。

圖7 程序流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

CAN總線技術(shù)的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了機(jī)床控制電路，提高了控制的靈活性，同時(shí)可以很方便地?cái)U(kuò)展機(jī)床功能和多臺(tái)獨(dú)立自動(dòng)機(jī)床聯(lián)成生產(chǎn)線，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。