基于CAN總線的多點(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)

劉菁昊 胡永立 劉明利

摘 要：CAN總線通訊在多項(xiàng)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(duì)大型船舶的生產(chǎn)情況，以19×11個(gè)支柱組成陣列，對(duì)柔性面進(jìn)行支撐，并從多個(gè)方面出發(fā)，對(duì)柔性定位和支撐等技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)大型船舶生產(chǎn)自動(dòng)化研究具有重要價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CAN總線；多點(diǎn)支撐；船舶制造

中圖分類號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0030-02

我國是造船大國，2011年船舶工業(yè)三大指標(biāo)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(duì)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(jī)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(fù)雜、精度控制困難等特點(diǎn)，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(jìn)國家的高效自動(dòng)焊接裝備以及流水線生產(chǎn)模式相比相差甚遠(yuǎn)。CAN總線通信目前已成熟的被應(yīng)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(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)

1.1 多點(diǎn)柔性支撐的主要原理

多點(diǎn)支撐技術(shù)是船舶制造中的的關(guān)鍵技術(shù)，多點(diǎn)支撐技設(shè)備在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)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(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)方式存在的不合理、待改進(jìn)、誤差大等問題進(jìn)行研究，保留原有生產(chǎn)中的精華，再與機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)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(zhǔn)的支撐設(shè)備。目前，大型船舶在進(jìn)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(shí)精度還難以保證。所以，按照多點(diǎn)支撐陣列的設(shè)計(jì)柔性支撐的技術(shù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)制造一套全自動(dòng)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(diǎn)的離散化處理是進(jìn)行多點(diǎn)柔性支撐的主體技術(shù)手法，CAN總線通訊對(duì)多節(jié)點(diǎn)、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(jì)要求，按照大型船舶的部件支撐方式，對(duì)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(dāng)中可以按照支撐截面技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位控制的關(guān)鍵。處在離散狀態(tài)下的多個(gè)材料板的支撐點(diǎn)，可以在進(jìn)行陣列支撐設(shè)計(jì)的過程中保持足夠的獨(dú)立性與可調(diào)節(jié)性，使支撐點(diǎn)之間能夠憑借離散狀態(tài)的組合，從而對(duì)曲面板材契合，為船舶生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)行保障。

1.2 多點(diǎn)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(duì)生產(chǎn)應(yīng)用過程中的船舶尺寸特點(diǎn)進(jìn)行分析，并按照多點(diǎn)支撐的陣列設(shè)計(jì)方案，預(yù)置包絡(luò)面就是采用電動(dòng)支柱，以電動(dòng)支柱頂部參照點(diǎn)作為控制點(diǎn)，根據(jù)3維制造數(shù)字化信息設(shè)置好電動(dòng)支柱的高度。預(yù)置包絡(luò)面以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)描述曲面，而電動(dòng)支柱為了適合不同傾角的支撐位置，電動(dòng)支柱的頂端必須是球面，描述電動(dòng)支柱的位置則以球面的球心為參照點(diǎn)，球直徑越小，其與以數(shù)字化陣列為基礎(chǔ)提取的目標(biāo)板材的坐標(biāo)越接近，從接觸應(yīng)力控制方面考慮，參照點(diǎn)直徑越小，接觸應(yīng)力越大，這可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)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(dòng)支柱的安裝精度同樣也會(huì)影響參照點(diǎn)的位置，需要根據(jù)實(shí)際安裝位置做修正調(diào)整，電動(dòng)支柱按照上述優(yōu)化和修正的坐標(biāo)調(diào)整好后，成為設(shè)計(jì)要求的曲面板的設(shè)計(jì)包絡(luò)面，由于加工誤差的存在，實(shí)際接觸點(diǎn)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(diǎn)接觸，由此，接觸應(yīng)力、水平分力、側(cè)滑等都將受到單個(gè)電動(dòng)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(dòng)支柱由于預(yù)置的特征，大多數(shù)電動(dòng)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(yīng)用受到限制，由于多點(diǎn)支撐實(shí)際變成了個(gè)別點(diǎn)支撐，個(gè)別點(diǎn)的載荷將會(huì)增大很多，為了盡可能增加支撐點(diǎn)，電動(dòng)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(diǎn)。

2 基于CAN總線的多點(diǎn)柔性支撐的基本方法

2.1 基于CAN總線的多點(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，通訊是連接各個(gè)部分的紐帶，對(duì)于通訊系統(tǒng)的研究在平臺(tái)的設(shè)計(jì)中也尤為重要，Can總線的通訊設(shè)計(jì)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(duì)大型船舶制造的實(shí)際應(yīng)用情況，從多個(gè)方面出發(fā)，對(duì)骨架焊接和柔性定位等技術(shù)的處理方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)提升多點(diǎn)陣列平臺(tái)設(shè)計(jì)總體水平，具有十分重要的價(jià)值。同時(shí)也對(duì)工業(yè)領(lǐng)域其他設(shè)備制造提供了經(jīng)驗(yàn)。在研究過程中，研究了Can總線通訊中抗干擾性強(qiáng)、可用節(jié)點(diǎn)多的優(yōu)點(diǎn)。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(tái)的自動(dòng)化需求，CAN總線通訊控制是一項(xiàng)關(guān)鍵因素，應(yīng)從精確度控制，可靠性建設(shè)與柔性度考察多個(gè)方面對(duì)柔性支撐的裝置加以設(shè)計(jì)。按照高精度多點(diǎn)陣列的設(shè)計(jì)理念，對(duì)CAN總線的傳輸速率與距離進(jìn)行研究。同時(shí)對(duì)CAN總線的報(bào)文進(jìn)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(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)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(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，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(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)方法

要按照自動(dòng)化技術(shù)的操作習(xí)慣，對(duì)多點(diǎn)陣列支撐體系的設(shè)計(jì)進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中的規(guī)范運(yùn)行策略進(jìn)行完善，為多點(diǎn)支撐陣列更好地吸收原則性經(jīng)驗(yàn)因素的指導(dǎo)創(chuàng)造有利條件。在進(jìn)行柔性定位平臺(tái)設(shè)計(jì)體系建造的過程中，必須按照當(dāng)前的核心技術(shù)體系總結(jié)特點(diǎn)，對(duì)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(diǎn)支撐在進(jìn)行柔性定位總體設(shè)計(jì)的過程中，以19×11平方米作為陣列設(shè)計(jì)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(jì)，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(jìn)行多節(jié)點(diǎn)CAN總線通訊設(shè)計(jì)，以便所有的骨架都可以在19×11平方米的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、安全、精準(zhǔn)調(diào)型。

2.3 基于運(yùn)動(dòng)可靠性的多點(diǎn)陣列支撐設(shè)計(jì)方法

大型船舶生產(chǎn)對(duì)于支撐平臺(tái)的使用質(zhì)量具備較高的需求，因此，在進(jìn)行多點(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)的過程中，需要將運(yùn)動(dòng)可靠性作為一項(xiàng)關(guān)鍵性因素進(jìn)行定位處理。首先，要按照三維曲面的柔性特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備平臺(tái)實(shí)施核心技術(shù)控制方案的建設(shè)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)造技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保證CAN總線在信息資源傳遞性能方面的特點(diǎn)可以得到全面精準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)的可靠性要按照大型曲面板的支撐特點(diǎn)，對(duì)胎架制造順序進(jìn)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(jìn)行判斷分析，以便柔性陣列的設(shè)計(jì)工作能夠按照多點(diǎn)支撐技術(shù)操作的實(shí)際特點(diǎn)，與電動(dòng)支柱的曲面預(yù)備特點(diǎn)實(shí)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(yīng)大型船舶運(yùn)行特點(diǎn)的相關(guān)需要，以此保證多點(diǎn)支撐技術(shù)的優(yōu)勢可以得到充分實(shí)現(xiàn)。

2.4 基于通訊需要的多點(diǎn)陣列支撐設(shè)計(jì)方法

要結(jié)合通訊性質(zhì)裝置的控制要求，對(duì)大型曲面板在船舶當(dāng)中的實(shí)際使用需求進(jìn)行滿足，以便支撐平臺(tái)可以按照技術(shù)開發(fā)與制造的需求實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的合理掌控，并為多點(diǎn)陣列支撐設(shè)計(jì)方案的制定創(chuàng)造有利條件。通訊設(shè)計(jì)需要按照209個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布特征，對(duì)多點(diǎn)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(dòng)支柱開發(fā)模式，對(duì)焊接技術(shù)開始之前的曲面定形系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)處理。將209個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)還為后期維護(hù)提供了方便。

2.5 CAN總線信號(hào)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(gè)位的組成部分，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)總線數(shù)據(jù)采樣以前都確實(shí)等待足夠長的時(shí)間。PROP_SEG的計(jì)算涉及雙向延遲和本地系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相關(guān)知識(shí)，PROP_SEG將采樣點(diǎn)規(guī)定在約總位時(shí)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(shí)間的一小段。CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線纜為5ns每米傳輸延遲，1Mbps信號(hào)速率時(shí)最大線纜長度為40米。位時(shí)間為1000ns時(shí)，最遲采樣點(diǎn)（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(dòng)器和接收機(jī)延遲。由于雙向計(jì)算中涉及兩個(gè)收發(fā)器，因此每個(gè)收發(fā)器都應(yīng)有225ns或者更低的環(huán)路延遲，以支持1Mbps信號(hào)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(hù)組件，則這些組件產(chǎn)生的延遲必須也包括在總延遲預(yù)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(hào)都必須通過四個(gè)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(shí)間）。1Mbps條件下，即使快速光耦合器的延遲也會(huì)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(diǎn)支撐陣列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，從多點(diǎn)支撐陣列的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方向出發(fā)，對(duì)CAN總線通訊的實(shí)際設(shè)計(jì)予以明確，按照CAN總線通訊的運(yùn)行控制特點(diǎn)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與現(xiàn)場布線，對(duì)提升船舶制造中的通信系統(tǒng)的使用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)陣列技術(shù)措施的價(jià)值，具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃敏思.基于ISO11898-1的CAN總線信號(hào)質(zhì)量評(píng)估方法[J].機(jī)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(jì)[J].機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)電工程技術(shù)，2016（Z2）：241-244.