基于CAN總線的智能尋位制造系統(tǒng)

1、基于CAN總線的智能尋位制造系統(tǒng)          摘要：為提高制造企業(yè)對市場動態(tài)變化的響應(yīng)能力，對新一代網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的硬件方案，并介紹了網(wǎng)絡(luò)通訊和控制的軟件設(shè)計(jì)。所開發(fā)的系統(tǒng)已成功用于多種實(shí)際零件的加工，取得了良好效果。  隨著市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐不斷加快。如何對動態(tài)變化、難以預(yù)測的市場需求作出快速響應(yīng)，高效實(shí)現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品的快速敏捷化生產(chǎn)，成為了制造領(lǐng)域一個(gè)具有普遍意義和相當(dāng)難度的重要研究課題。智能尋位加工技術(shù)

2、和系統(tǒng)為解決上述問題開辟了新的途徑，因此成為造成自動化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。近年來，我們在國家自然科學(xué)基金委員會和國家863計(jì)劃的支持下，在此領(lǐng)域開展了深入系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究14，取得了較大進(jìn)展。本文將介紹在網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)研究開發(fā)方面所取得的部分研究結(jié)果。1 智能尋位制造系統(tǒng)的組成網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)的概念是將智能尋位、工藝規(guī)劃、加工信息生成、加工設(shè)備控制等分布于制造系統(tǒng)中不同物理位置的獨(dú)立單元，借助實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)集成為一有機(jī)整體，從而實(shí)現(xiàn)單元間高速信息交換，并通過>'http:/該系統(tǒng)接到新加工任務(wù)后，無需象常規(guī)制造系統(tǒng)那樣花很多時(shí)間為被加工零件準(zhǔn)備精密夾具，只需根據(jù)

3、零件設(shè)計(jì)信息、加工工藝要求及毛坯信息，便可在調(diào)度子系統(tǒng)控制下，起動系統(tǒng)開始加工。具體運(yùn)行過程為：裝卸站操作人員根據(jù)調(diào)度指令用通用緊固夾持元件將工件固定于托盤上，并將工件/托盤復(fù)合體送往工件尋位工作站。工件尋位工作站以智能化方法主動獲取工件表面宏觀及微觀信息，實(shí)時(shí)求解出工作的實(shí)際狀態(tài)，并通過現(xiàn)場總線將工件實(shí)際狀態(tài)信息送往刀具路徑實(shí)時(shí)生成工作站。刀具路徑實(shí)時(shí)生成工作站將根據(jù)設(shè)計(jì)信息、工藝信息和被加工零件的實(shí)際狀態(tài)信息，通過實(shí)時(shí)規(guī)劃生成被加工零件的實(shí)際狀態(tài)信息，通過實(shí)時(shí)規(guī)劃生成被加工零件本次入棧在各個(gè)機(jī)床上加工的刀具運(yùn)行略徑文件，并通過現(xiàn)場總線將刀具路徑文件送往相應(yīng)的機(jī)床控制系統(tǒng)（一般新型位姿自適應(yīng)

4、數(shù)控系統(tǒng)），使其作好準(zhǔn)備。一旦工件由物流系統(tǒng)送達(dá)該機(jī)庫，即可進(jìn)行加工。工件本次入線的所有工序完成后，由物流將其送往出口裝卸站，由操作人員工件從托盤上卸下，然后托盤則回到系統(tǒng)入口處，準(zhǔn)備裝載新的工件。在這一由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集成環(huán)境下，工件尋位與加工操作可并行進(jìn)行。例如，有若干人個(gè)工件P1、P2、P3進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行加工，則加工中心在對先進(jìn)入系統(tǒng)的工件（如P1）進(jìn)行加工時(shí)，信息獲取工作上可同時(shí)對后續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)的工件（如P2）進(jìn)行尋位處理。而此時(shí)裝卸站還可將新工件（如P3）裝上托盤準(zhǔn)備送入系統(tǒng)，所有這些操作完全是并行進(jìn)行的。在調(diào)度系統(tǒng)控制下，系統(tǒng)將有條不紊地高效工作。   

5、; 從智能尋位制造的特征可以看到，這一新的系統(tǒng)可以有效地克服基于“定位-加工”模式的傳統(tǒng)制造系統(tǒng)由于依賴精密夾具而產(chǎn)生的準(zhǔn)備周期長、切換速度慢、靈活性與快速響應(yīng)差等弊端，從而為提高企業(yè)底層制造過程對市場動態(tài)變化的響應(yīng)能力開辟一條新的途徑。2 智能尋位制造系統(tǒng)的支撐子系統(tǒng)-現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能尋位制造系統(tǒng)需信息集成環(huán)境下運(yùn)行，因此，網(wǎng)絡(luò)通訊與控制是其最大關(guān)鍵的支撐子系統(tǒng)。針對智能尋位制造對信息傳遞要求的特殊性，我們選取CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)作業(yè)工作現(xiàn)場控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可靠性和實(shí)時(shí)性是最主要的要求，現(xiàn)場總線CAN在這方面是獨(dú)具特色的5。首先，為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制

6、對可靠性的特殊要求，CAN總線采用了循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check）、框架檢測（Frame Check）、確認(rèn)信號出錯(cuò)檢測（ACK Errors）、總線監(jiān)控（Bus Monitoring）、位填充（Bit Stuffing）等多種錯(cuò)誤監(jiān)測和糾錯(cuò)措施，從而達(dá)到了很高的可靠性，平均誤碼率小于10 -136。其次，CAN采用了獨(dú)特的位仲裁技術(shù)，具有比CSMA/CD網(wǎng)（IEEE802.4）更高的實(shí)時(shí)性。除此之外，CAN總線還具有通訊速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、接口簡單、安裝方案、通訊控制簡單、開放性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)7。因此，CAN總線是一種能有效支持分布式制造控

7、制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造與運(yùn)行由于智能尋位制造系統(tǒng)中所有單元的計(jì)算機(jī)均采用PC機(jī)、工業(yè)PC機(jī)或與CP機(jī)兼容的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建造比較簡單。整個(gè)系統(tǒng)主要由插于各計(jì)算機(jī)中的CAN網(wǎng)卡、連接各網(wǎng)卡的傳輸介質(zhì)和運(yùn)行于各計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)通訊與控制軟件組成。在該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其物理層采用普通雙終線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈數(shù)層的介質(zhì)送取控制（MAC）采用基于優(yōu)先級的位仲裁調(diào)度方式。該方式將網(wǎng)上每個(gè)站點(diǎn)按通訊實(shí)時(shí)性要求的高低賦予一定的優(yōu)先級，并級優(yōu)先級號碼嵌入所發(fā)送信息的幀結(jié)構(gòu)中。這樣，若某一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息（指令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)等），需通

8、過優(yōu)先級仲裁；優(yōu)先級低的站點(diǎn)將主動避讓，優(yōu)先級高的站點(diǎn)將獲得發(fā)送權(quán)，先完成信息的傳遞，然后優(yōu)先低的站點(diǎn)再進(jìn)行信息傳遞。上述方案既可解決CSMA/CD方案中由于碰撞而導(dǎo)致的總線效率低、傳輸延遲大以及重載可能導(dǎo)至的系統(tǒng)崩潰等問題，又可克服令牌總線方案按固定時(shí)間（令牌循環(huán)周期）調(diào)度所引起的響應(yīng)延遲。由于CAN總線是一個(gè)多主站總線，各節(jié)點(diǎn)都有權(quán)利向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，因此可方便地組成多站結(jié)構(gòu)。當(dāng)信息從CAN網(wǎng)上某個(gè)站點(diǎn)發(fā)出進(jìn)，將以廣播方式傳播到所有其它站點(diǎn)。被指定接收信息站點(diǎn)將接收該信息，而其它站點(diǎn)則可不理會，從而可靈活地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)等多種形式的信息傳道。這為在智能尋位制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備間

9、的多模式通訊帶來極大的方便。此外，為便于更大范圍的信息交換，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可通過網(wǎng)關(guān)等裝置與工廠局域網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)等相聯(lián)接，從而構(gòu)成多層次的滿足敏捷制造要求的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊與控制的硬件模塊該模塊上有2KB高速雙口RAM，采用內(nèi)存映象的方式直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)通訊模塊與主機(jī)PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存映象法是將通訊模塊上的數(shù)據(jù)存儲器地址配置于PC機(jī)主存儲器的高端（PC機(jī)一般未使用這部分），PC機(jī)可以采用寫主存儲器的方式將數(shù)據(jù)直接寫在通訊模塊的數(shù)據(jù)存儲器中，在PC機(jī)不訪問通訊模塊時(shí)可以讀寫數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。這樣，通訊模塊中的數(shù)據(jù)存儲器就能被PC機(jī)和微控制器直接訪問。采用雙口RA

10、M后，可大量減少數(shù)據(jù)交換的次接；另外它能滿足大量數(shù)據(jù)的存儲，增強(qiáng)了通訊模塊的通用性。該模塊帶有光電隔離，能避免PC機(jī)因地流環(huán)造成的損壞，增強(qiáng)了系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用的可靠性。通訊介質(zhì)選用三類非屏蔽雙終線或五類屏蔽雙絞線。通訊系統(tǒng)工作過程如下：CAN通訊模塊上電復(fù)位和初始化后，等待PC機(jī)的命令和數(shù)據(jù)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)出命令和數(shù)據(jù)時(shí)，CAN通訊模塊自動對其進(jìn)行處理。CAN通訊模塊將命令分成兩種方式進(jìn)行處理：（1）將命令作為數(shù)據(jù)寫入SJA1000的DPRAM中，并置位標(biāo)志位；與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系后，由軟件參與完成數(shù)據(jù)通訊。（2）根據(jù)命令將數(shù)據(jù)寫入SJA1000的DPRAM中，并置位標(biāo)志位，隨后網(wǎng)絡(luò)上

11、的幀傳送由SJA1000自動完成。當(dāng)CAN通訊模塊完成一次通訊后，通知PC機(jī)，PC機(jī)從雙口RAM中取出數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊與控制的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)上述硬件模塊制成的CAN網(wǎng)卡一次能傳送512個(gè)字節(jié)，物理層和數(shù)據(jù)鏈數(shù)層的相關(guān)功能由網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的網(wǎng)絡(luò)控制功能，還需編制ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模塊中的應(yīng)用層程序。該軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面對其作簡要說明。系統(tǒng)采用定時(shí)查詢方式接收通信數(shù)據(jù)，方法是設(shè)置一個(gè)定時(shí)時(shí)間為10ms的定時(shí)器，每當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，系統(tǒng)便查詢通訊狀態(tài)標(biāo)志，判斷是否有數(shù)據(jù)包傳來，如有則進(jìn)行處理。這樣可確保通訊的實(shí)時(shí)性。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，把發(fā)送的數(shù)據(jù)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址送到網(wǎng)卡上

12、的雙口RAM在系統(tǒng)內(nèi)存的映射區(qū)中，然后命令網(wǎng)卡發(fā)送，延時(shí)若干ms后，判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否發(fā)來應(yīng)答信號。如果沒有，則視為通訊超過錯(cuò)誤，向系統(tǒng)報(bào)警。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控中，需要從上位機(jī)向數(shù)據(jù)機(jī)床發(fā)送數(shù)控程序文件。發(fā)送數(shù)據(jù)文件與發(fā)送短幀數(shù)據(jù)包類似。因?yàn)镃AN網(wǎng)卡一次能傳送512個(gè)字節(jié)，所以只要以512個(gè)字節(jié)為單位，將該數(shù)據(jù)文件分幾個(gè)部分，然后依次發(fā)送即可。具體過程如下：首先上位機(jī)向要接收數(shù)控程序的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（數(shù)控機(jī)床控制器）發(fā)送“開始發(fā)送數(shù)控文件”的命令。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到后發(fā)回一個(gè)響應(yīng)信號，上位機(jī)收到該響應(yīng)信號后，表明網(wǎng)絡(luò)通訊正常，可以發(fā)送該文件，否則表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，通訊失??；接著上位機(jī)發(fā)送要發(fā)送的數(shù)控程序文件名，目

13、標(biāo)數(shù)控機(jī)床收到后，生成空的文件以備接收；然后上位機(jī)根據(jù)數(shù)控文件長度，按每次發(fā)送512個(gè)字節(jié)計(jì)算出發(fā)送次數(shù)；隨后便開始發(fā)送，在每次發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后都要有數(shù)據(jù)握手信號以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，直至全部數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。這一功能使得上位機(jī)能接收數(shù)控機(jī)床等下級設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)文件。具體過程如下：首先，上位機(jī)中的通訊程序在得到“接收數(shù)據(jù)文件”的命令后便處于接收文件狀態(tài)。然后，根據(jù)發(fā)來的文件名在本機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)相對應(yīng)的空文件。此后每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包，就寫入文件并向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答信號，直到收到“發(fā)送文件完畢”信號便關(guān)閉文件。這樣就完成了一次數(shù)據(jù)文件接收。3 應(yīng)用實(shí)例根據(jù)本文研究結(jié)果開發(fā)了可用于實(shí)際零件加工的網(wǎng)絡(luò)化智能尋位制造系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的加工效果，在其上進(jìn)行了多種零件的實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)。加工完成后，我們用三坐標(biāo)測量機(jī)對零件的尺寸精度和形位精度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。由于尋位加工系統(tǒng)不需采用精密夾具而節(jié)省了