基于CAN總線的行星旋風銑頭數(shù)控接口設計

梁蔓安，齊保謙，尹輝俊，龐小軍

（1. 廣西工學院 機械工程系，柳州 545006；2. 柳州機車車輛廠，柳州 545007）

基于CAN總線的行星旋風銑頭數(shù)控接口設計

梁蔓安1，齊保謙1，尹輝俊1，龐小軍2

（1. 廣西工學院 機械工程系，柳州 545006；2. 柳州機車車輛廠，柳州 545007）

0 引言

旋風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，適合于高精度、大尺寸螺紋的批量生產(chǎn)，但對某些形狀復雜、受到夾具及機床結(jié)構限制，不能完成工件自轉(zhuǎn)的大螺紋卻無能為力。對于這類大尺寸螺紋的加工，行星旋風銑削是較好的加工方案。行星旋風銑頭的主要功能就是可以根據(jù)螺紋直徑尺寸調(diào)整徑向進給，帶動盤銑刀公轉(zhuǎn)進給；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]從整個機床加工運動特點看，行星旋風銑削頭不是一個獨立的運動系統(tǒng)，其公轉(zhuǎn)運動需要與機床的軸向進給同步以形成螺紋軌跡。若直接采用普通數(shù)控系統(tǒng)對其控制，銑削頭公轉(zhuǎn)導致的動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。因此有必要針對行星旋風銑頭，設計適應其加工特點的控制系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構設計

若放棄通用型數(shù)控系統(tǒng)，自行設計專用旋風銑床數(shù)控系統(tǒng)，周期和成本較高，且不適合于工程應用。經(jīng)制造工藝分析，利用旋風銑削頭公轉(zhuǎn)速度不高的特點，本文提出了整體采用脈沖輸出型的通用數(shù)控系統(tǒng)，對行星旋風銑頭局部功能模塊化，并通過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用性，又有效的避免了銑削頭公轉(zhuǎn)導致的多圈電纜纏繞。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構

數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構如圖1所示。脈沖輸出型數(shù)控系統(tǒng)在每個插補周期依據(jù)插補運算結(jié)果，以數(shù)字脈沖的形式輸出各進給軸的進給量，這樣可以克服模擬量位置控制型數(shù)控系統(tǒng)的傳輸導線空間干擾的缺點，提高定位精度。其中輸出的螺紋軸向進給脈沖與普通的數(shù)控系統(tǒng)一樣直接送入伺服控制器驅(qū)動軸向進給；對于螺紋徑向進給脈沖，經(jīng)過接口的實時計數(shù)，CAN總線報文的編碼/解碼，和動力電源一起通過集電環(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力電源電弧對控制信號的干擾。與普通數(shù)控系統(tǒng)采用邏輯高低電平表示進給脈沖和控制信號的傳送方式相比較，信號經(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、簡化系統(tǒng)結(jié)構，更重要的是能夠利用CAN總線的報文校驗功能，及時發(fā)現(xiàn)并糾正由于強電干擾和集電環(huán)瞬時傳輸故障所造成的錯誤報文，避免丟失進給脈沖，提高傳輸信號的正確性。

2 CAN總線的設計

現(xiàn)場總線作為一種工業(yè)控制設備之間數(shù)據(jù)通信的局域網(wǎng)絡，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用。[2]本文選擇CAN總線的原因：相對于RS485總線，它具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，硬件循環(huán)冗余校驗(CRC)，錯誤報文能夠自動重發(fā)，簡化了對集電環(huán)上動力電源電弧的抗干擾措施，同時短小的數(shù)據(jù)域保證了頻繁數(shù)據(jù)通信的實時性，更適合于設備內(nèi)部功能模塊間的通信；相對于Profibus總線，它的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型應用層不必遵循復雜冗長的協(xié)議，完全能夠根據(jù)具體特有的應用環(huán)境自由定義。

2.1 報文與實時性分析

實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與旋風銑削頭的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)容以及各自的實時性要求。

當系統(tǒng)上電或者重啟時,數(shù)控系統(tǒng)側(cè)與旋風銑頭之間必須先建立通信關系。數(shù)控系統(tǒng)側(cè)復位就緒后將每隔200ms向旋風銑頭發(fā)送“工作請求”命令, 旋風銑頭收到命令后立即使能伺服控制器和啟動主切削變頻器，并將各驅(qū)動器使能就緒的成敗反饋信息發(fā)送回數(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)后才可進入工作狀態(tài)。根據(jù)手動或程序自動操作將旋風銑頭須完成的順序動作再以命令的方式發(fā)送。例如：“徑向進給回零”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給軸回到機床零點；“徑向插補進給”命令是數(shù)控系統(tǒng)側(cè)在每個5ms的插補周期以有符整型數(shù)形式給出的徑向進給量；“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，旋風銑頭也能夠?qū)崟r監(jiān)測進給軸的超程狀態(tài)以及伺服控制器和變頻器的故障報警，將解碼和編碼后的“銑頭報警”信息立即發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)側(cè)。

2.2 報文優(yōu)先級與波特率的確定

數(shù)控系統(tǒng)與旋風銑頭間的所有控制信息都要通過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)各控制信息的實時性要求確定相應報文優(yōu)先級，讓實時性強、優(yōu)先級高的報文優(yōu)先占用總線，保證系統(tǒng)正常、可靠的運行。

采用非破壞總線仲裁技術的CAN總線是依據(jù)報文幀中的仲裁域標識符各位的顯/隱性判斷報文優(yōu)先級的，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總線中的標識符并不是直接對通信目標節(jié)點編號，而是對所發(fā)送的報文信息進行編號。因此每幀的標識符既表征了數(shù)據(jù)實際應用意義，又確定了這類數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。表1列出了數(shù)控系統(tǒng)與旋風銑頭間的各類報文的實時性要求及其標識符。標識符中的各位在互補輸出的電介質(zhì)傳播中，0代表顯性；1代表隱性。并將標識符劃分為三部分：前5位區(qū)分實時性要求的六個優(yōu)先等級；考慮到后續(xù)的節(jié)點擴展，預留隨后3位作為節(jié)點標識；最后3位用于表示同節(jié)點同優(yōu)先級下的報文類型。

表 1 報文及其標識符

CAN總線協(xié)議規(guī)定通訊的最高波特率可以達到1Mbit/s；并且一幀報文由（44+8N）位構成，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，保守設定實際的波特率200Kbit/s,那么在加工過程中傳輸最為頻繁的插補進給指令報文和85%總線利用率的環(huán)境下，一個插補周期能夠完成5次插補進給指令報文和2次銑削頭報警報文的發(fā)送，足以滿足加工時的可靠性要求。

3 功能接口設計

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?。涣硗鉃榱吮苊馇邢骷庸r冷卻液滲入造成的短路故障，因此功能接口設計盡量采用集成度較高的方案。本文選擇了外設功能齊備的dsPIC30F4012作為任務控制器，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)和伺服控制器的進給脈沖和各類數(shù)字開關量接口設計，由于各產(chǎn)品型號的設計差異，需要嚴格依據(jù)具體產(chǎn)品型號的用戶手冊，滿足機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)動的電氣隔離對于提高系統(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，配以總線雙向保護二極管以便吸收來自伺服驅(qū)動的瞬時浪涌干擾。

徑向回零功能在接口硬件上需要光電編碼器和零點減速開關的支持。跟隨徑向進給軸同步旋轉(zhuǎn)的光電編碼器選擇具備遠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置完成；在QEI/中斷/定時器功能的支持下由程序完成以編碼器Z相作為零點信號的精確回零操作，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編碼器的Z相零點脈沖，利用內(nèi)部的加減計數(shù)器完成編碼器輸入的正交信號辨向，并實時記錄進給軸的正反轉(zhuǎn)角度脈沖。

圖3 徑向回零功能流程

4 結(jié)論

針對行星旋風銑床的銑削頭公轉(zhuǎn)所造成的動力/控制電纜多圈纏繞問題，本文在通用數(shù)控系統(tǒng)的基礎上，對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)控制信號交互的方法，并完成了銑削頭模塊各功能接口的設計。實驗證明了在強電干擾下CAN總線各類報文在集電環(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.螺紋超高速旋風銑削[J].機械制造,2003,41(469): 42.

[2]劉艷強,郇極.基于現(xiàn)場總線的開放式數(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總線的機床數(shù)控系統(tǒng)接口設計研究[J].中國機械工程,2007,18(2):178-182.

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

[5]安川電機SICPS0000005A.SGMII系列SGM H/SGDH用戶手冊[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)基礎上對銑削頭功能模塊化，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文及實時性要求，設計了報文的優(yōu)先級別并驗證了通訊波特率；完成了控制銑削頭所需的各功能接口設計；驗證了數(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，研究方向為機電一體化設計。

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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項目（桂科攻0992002-6）；廣西教育廳科研資助項目（200808LX167）