基于CAN总线的智能寻位制造系统

    摘要：为提高制造企业对市场动态变化的响应能力，对新一代网络化智能寻位制造系统进行了研究，给出了系统的总体结构以及网络通讯和控制的硬件方案，并介绍了网络通讯和控制的软件设计。所开发的系统已成功用于多种实际零件的加工，取得了良好效果。

    关键词：现场总线 CAN总线 智能寻位 制造系统

随着市场竞争的日益激烈，产品更新换代的步伐不断加快。如何对动态变化、难以预测的市场需求作出快速响应，高效实现多品种小批量产品的快速敏捷化生产，成为了制造领域一个具有普遍意义和相当难度的重要研究课题。

智能寻位加工技术和系统为解决上述问题开辟了新的途径，因此成为造成自动化领域研究的热点技术之一。近年来，我们在国家自然科学基金委员会和国家863计划的支持下，在此领域开展了深入系统的应用基础研究[1～4]，取得了较大进展。本文将介绍在网络化智能寻位制造系统研究开发方面所取得的部分研究结果。

1 智能寻位制造系统的组成

网络化智能寻位制造系统的概念是将智能寻位、工艺规划、加工信息生成、加工设备控制等分布于制造系统中不同物理位置的独立单元，借助实时控制网络集成为一有机整体，从而实现单元间高速信息交换，并通过管理计算机中的动态调度软件，协调整个系统的高效运行。据此思路构成的网络化智能寻位制造系统的总体结构如图1所示。

该系统接到新加工任务后，无需象常规制造系统那样花很多时间为被加工零件准备精密夹具，只需根据零件设计信息、加工工艺要求及毛坯信息，便可在调度子系统控制下，起动系统开始加工。具体运行过程为：

装卸站操作人员根据调度指令用通用紧固夹持元件将工件固定于托盘上，并将工件/托盘复合体送往工件寻位工作站。工件寻位工作站以智能化方法主动获取工件表面宏观及微观信息，实时求解出工作的实际状态，并通过现场总线将工件实际状态信息送往刀具路径实时生成工作站。刀具路径实时生成工作站将根据设计信息、工艺信息和被加工零件的实际状态信息，通过实时规划生成被加工零件的实际状态信息，通过实时规划生成被加工零件本次入栈在各个机床上加工的刀具运行略径文件，并通过现场总线将刀具路径文件送往相应的机床控制系统（一般新型位姿自适应数控系统），使其作好准备。一旦工件由物流系统送达该机库，即可进行加工。工件本次入线的所有工序完成后，由物流将其送往出口装卸站，由操作人员工件从托盘上卸下，然后托盘则回到系统入口处，准备装载新的工件。

在这一由现场总线网络构成的集成环境下，工件寻位与加工操作可并行进行。例如，有若干人个工件P1、P2、P3…进入系统进行加工，则加工中心在对先进入系统的工件（如P1）进行加工时，信息获取工作上可同时对后续进入系统的工件（如P2）进行寻位处理。而此时装卸站还可将新工件（如P3）装上托盘准备送入系统，所有这些操作完全是并行进行的。在调度系统控制下，系统将有条不紊地高效工作。

    从智能寻位制造的特征可以看到，这一新的系统可以有效地克服基于“定位-加工”模式的传统制造系统由于依赖精密夹具而产生的准备周期长、切换速度慢、灵活性与快速响应差等弊端，从而为提高企业底层制造过程对市场动态变化的响应能力开辟一条新的途径。

2 智能寻位制造系统的支撑子系统-现场总线网络系统

智能寻位制造系统需信息集成环境下运行，因此，网络通讯与控制是其最大关键的支撑子系统。针对智能寻位制造对信息传递要求的特殊性，我们选取CAN现场总线系统作为网络系统。

2.1 CAN网络系统的特点

作业工作现场控制的网络系统，可靠性和实时性是最主要的要求，现场总线CAN在这方面是独具特色的[5]。

首先，为满足工业现场控制对可靠性的特殊要求，CAN总线采用了循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check）、框架检测（Frame Check）、确认信号出错检测（ACK Errors）、总线监控（Bus Monitoring）、位填充（Bit Stuffing）等多种错误监测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误码率小于10 -13[6]。

其次，CAN采用了独特的位仲裁技术，具有比CSMA/CD网（IEEE802.4）更高的实时性。

除此之外，CAN总线还具有通讯速率高、传输距离远、接口简单、安装方案、通讯控制简单、开放性好、扩展能力强、系统成本低等特点[7]。

因此，CAN总线是一种能有效支持分布式制造控制系统的现场总线网络。

2.2 CAN网络系统的建造与运行

由于智能寻位制造系统中所有单元的计算机均采用PC机、工业PC机或与CP机兼容的计算机系统，因此，CAN网络系统的建造比较简单。整个系统主要由插于各计算机中的CAN网卡、连接各网卡的传输介质和运行于各计算机中的网络通讯与控制软件组成。

在该CAN网络系统中，其物理层采用普通双终线或屏蔽双绞线作为传输介质。数据链数层的介质送取控制（MAC）采用基于优先级的位仲裁调度方式。该方式将网上每个站点按通讯实时性要求的高低赋予一定的优先级，并级优先级号码嵌入所发送信息的帧结构中。这样，若某一时刻有两个或两个以上站点同时发送信息（指令、状态、数据等），需通过优先级仲裁；优先级低的站点将主动避让，优先级高的站点将获得发送权，先完成信息的传递，然后优先低的站点再进行信息传递。

上述方案既可解决CSMA/CD方案中由于碰撞而导致的总线效率低、传输延迟大以及重载可能导至的系统崩溃等问题，又可克服令牌总线方案按固定时间（令牌循环周期）调度所引起的响应延迟。

由于CAN总线是一个多主站总线，各节点都有权利向其它节点发送信息，因此可方便地组成多站结构。当信息从CAN网上某个站点发出进，将以广播方式传播到所有其它站点。被指定接收信息站点将接收该信息，而其它站点则可不理会，从而可灵活地实现点对点或一点对多点等多种形式的信息传道。这为在智能寻位制造系统中实现现场设备间的多模式通讯带来极大的方便。

此外，为便于更大范围的信息交换，现场总线网络可通过网关等装置与工厂局域网、国际互联网等相联接，从而构成多层次的满足敏捷制造要求的信息网络系统。

2.3 网络通讯与控制的硬件模块

在所建造的CAN部网络系统中，网络通讯与控制的硬件模块的基本结构如图2所示。该模块的CAN总线网络通讯功能由80C188处理器和SJA1000CAN控制器共同完成。其中，80C188主要承担节点与PC机之间的数据通讯和协调管理工作；SJA1000完成具体的数据发送和接收控制任务。当80C188把数据和控制字标志送给SJA1000时，SJA1000便控制CAN收发器自动完成一帧的发送和接收。

该模块上有2KB高速双口RAM，采用内存映象的方式直接映射到主机内存空间，实现通讯模块与主机PC机的高速数据交换。内存映象法是将通讯模块上的数据存储器地址配置于PC机主存储器的高端（PC机一般未使用这部分），PC机可以采用写主存储器的方式将数据直接写在通讯模块的数据存储器中，在PC机不访问通讯模块时可以读写数据存储器的数据。这样，通讯模块中的数据存储器就能被PC机和微控制器直接访问。采用双口RAM后，可大量减少数据交换的次接；另外它能满足大量数据的存储，增强了通讯模块的通用性。

该模块带有光电隔离，能避免PC机因地流环造成的损坏，增强了系统在工业现场环境中使用的可靠性。通讯介质选用三类非屏蔽双终线或五类屏蔽双绞线。

通讯系统工作过程如下：CAN通讯模块上电复位和初始化后，等待PC机的命令和数据。当PC机发出命令和数据时，CAN通讯模块自动对其进行处理。CAN通讯模块将命令分成两种方式进行处理：（1）将命令作为数据写入SJA1000的DPRAM中，并置位标志位；与CAN网络节点建立联系后，由软件参与完成数据通讯。（2）根据命令将数据写入SJA1000的DPRAM中，并置位标志位，随后网络上的帧传送由SJA1000自动完成。当CAN通讯模块完成一次通讯后，通知PC机，PC机从双口RAM中取出数据作进一步处理。

2.4 网络通讯与控制的软件设计

根据上述硬件模块制成的CAN网卡一次能传送512个字节，物理层和数据链数层的相关功能由网卡实现。为了实现系统级的网络控制功能，还需编制ISO/OSI网络模块中的应用层程序。该软件的总体结构如图3所示。下面对其作简要说明。

2.4.1 数据接收

系统采用定时查询方式接收通信数据，方法是设置一个定时时间为10ms的定时器，每当定时时间到，系统便查询通讯状态标志，判断是否有数据包传来，如有则进行处理。这样可确保通讯的实时性。

2.4.2 数据发送

发送数据时，把发送的数据和目标节点的地址送到网卡上的双口RAM在系统内存的映射区中，然后命令网卡发送，延时若干ms后，判断目标节点是否发来应答信号。如果没有，则视为通讯超过错误，向系统报警。

    2.4.3 文件传送

在网络数控中，需要从上位机向数据机床发送数控程序文件。发送数据文件与发送短帧数据包类似。因为CAN网卡一次能传送512个字节，所以只要以512个字节为单位，将该数据文件分几个部分，然后依次发送即可。具体过程如下：

首先上位机向要接收数控程序的目标节点（数控机床控制器）发送“开始发送数控文件”的命令。目标节点收到后发回一个响应信号，上位机收到该响应信号后，表明网络通讯正常，可以发送该文件，否则表明网络出现故障，通讯失败；接着上位机发送要发送的数控程序文件名，目标数控机床收到后，生成空的文件以备接收；然后上位机根据数控文件长度，按每次发送512个字节计算出发送次数；随后便开始发送，在每次发送一帧数据后都要有数据握手信号以确保数据的准确，直至全部数据发送结束。

2.4.4 文件接收

这一功能使得上位机能接收数控机床等下级设备发送的数据文件。具体过程如下：

首先，上位机中的通讯程序在得到“接收数据文件”的命令后便处于接收文件状态。然后，根据发来的文件名在本机上创建一个相对应的空文件。此后每接收一个数据包，就写入文件并向发送方发送应答信号，直到收到“发送文件完毕”信号便关闭文件。这样就完成了一次数据文件接收。

3 应用实例

根据本文研究结果开发了可用于实际零件加工的网络化智能寻位制造系统，其总体结构如图4所示。为了验证该系统的加工效果，在其上进行了多种零件的实际加工实验。加工完成后，我们用三坐标测量机对零件的尺寸精度和形位精度进行了检测，检测结果表明其各项数据均满足设计要求。由于寻位加工系统不需采用精密夹具而节省了夹具设计、制造、装调等所需的大量准备时间，使单件小批零件的总加工周期比采用夹具的常规定位加工方法缩短50%以上。

在基于现场总线网络的智能寻位制造系统中，通过CAN总线网络的高可靠性和高实时性支持，实现既不需要使用精密夹具对工件进行定位，也不需要由操作者在现场对工件进行位置找正，即可加工出符合要求的零件。这一新的制造系统具有缩短制造周期、快速响应市场需求的良好效果。对于多品种小批量难以精确定位零件的加工，其效果更加明显。