采用CAN总线实现数控机床与设计与特点分析

1． 引言：

随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用，在制 造业中，数控技术和数控机床不断更新换代，正向着高速度、多功能、智能化、开放型以及 高可靠性等方面迅速发展。数控机床的生产量和数控技术的应用已成为衡量一个国家工业化 程度和技术水平的重要标志。

开放式、网络化数控系统已成为当前数控技术发展的主要趋势。CAN 总线适用于数据 交换简短而频繁的场合，是解决工业控制设备之间数据通信的有效方式，可以方便有效地构 成分布式实时过程检测与控制系统。由于基于CAN 总线的数据通信具有高可靠性、实时性 和灵活性等特点，特别适合于工业现场自动化设备的互连，在汽车工业等领域得到了广泛的 应用。CAN 总线标准也是现场总线的国际标准之一（ISO11898）。

本文针对一个需要上位机与下位机进行现场通信的数字控制系统，根据数据量和通信速 率的要求，采用基于CAN 总线作为通信平台。整个系统能够在4ms 的控制周期内，完成对 7 个伺服轴和一个主轴的位置和速度控制，系统性能达到了预期的目标。

2. 数控机床的组成

数控机床一般由输入输出设备、CNC 装置（或称CNC 单元）、伺服单元、驱动装置（或 称执行机构）、可编程控制器PLC 及电气控制装置、辅助装置、机床本体及其测量装置组成。 图1 是数控机床组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控（CNC）系统。

开放式数控系统的关键技术是建立开放的数控体系结构，并确定开放式的标准。在结构上向趋于裁剪、扩展和升级的方向发展；形式上向可灵活组成不同档次、不同类型的方向进行迈进。

3. 系统设计

3．1 硬件平台设计

根据开放式数控系统的可裁减要求，数控系统最大控制能力为七轴五联动。具体的控制 量为：外接数字IO 数量不少于340 个，其中输入不少于200 个，输出不少于140 个，不少 于80 个继电器输出，并且有不少于40 个继电器输出指示灯。

本系统要求能够控制七个伺服轴和一个主轴，设置控制周期为 4ms，因此要在4ms 的 控制周期内完成对8 个轴的控制，其中每个轴的控制字为4 字节，再加上本系统设计时所使 用的外接数字IO 为360 个，则控制字需要360/8=45 个字节，因此通讯速度至少为（4*8+45） /0.004=19.25 Kb/s。在通信距离不超过40m 时，can 总线数据传输速率可高达1Mb/s，我们 系统设计所要求的最大传输距离为30m ，因此完全可以满足要求。为了增强通讯的可靠性， 使用双CAN 通信，其中第2 路can 总线作为系统的冗余。

如果把上位机（PC104+CAN 通信卡）和下位机（PC104+位控卡+IO 卡）插在一起或叠 在一起，会限制数控系统结构安装的灵活性。另外，如果上位机和下位机拥挤安置在操作盒 内，不利于散热；而且运动控制板卡也安装在操作盒内，接口线缆密集，不利于拆装。在此， 希望设计一种通讯结构能够使上位机和下位机分开安装，而且两者之间以较少的通讯线连接 进行长距离通讯，所以此处考虑到采用CAN 总线的串行通信方式。 图 2 为CAN 总线的开放式数控系统架构。

图中，上位机系统为思泰基公司的SB610（PC104）主板，外加2 路can 总线（用 SJA1000+82C250）构成，采取内存影射方式读写数据，经can 总线将数据传送给下位机。 上位机由于外接开关电源不便以及考虑干扰，电源需要从下位机引入24V 电源，经24/5V电源模块输出供电。

上位机的机箱根据整个系统的需求，采用外壳为散热片的铝壳机箱，前面面板有LCD 窗口，以及其他拨码开关等，控制面板镶嵌在前面板中。后面板有电源（24VDC）输入， usb 输入口、CAN 总线通讯口、键鼠接口、CRT 接口（调试需求）和网络接口（考虑升级 需求）、手摇脉冲接口等。

下位机系统是由母板、1 块CPU 板（PC104+2 路CAN 总线）、2 块位控卡、3 块IO 卡 构成。CPU 板、位控卡、IO 卡用双排96 针欧式插座（针）成直角插接在母板(孔)上。本系 统设计的输入点为216 个，输出点为144 个，满足系统I/O 要求。

3．2 CAN 通信链路设计

CAN 数据帧的标准格式如下：

其中，我们只需要设置仲裁段、控制段和数据段。仲裁段用来设置不同类型帧的优先级；控 制段由6个位构成，用来显示数据段使用的字节数；数据段可包含0～8个字节的数据。

CAN 通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送。在CAN 总线上 发送的每一条报文都具有唯一的一个29 位数字的ID。CAN 总线状态取决于二进制0 而不 是1，所以ID 号越小，则报文拥有越高的优先权。 本通信系统共设置 8 个优先级，CNC 系统与主轴之间交换的数据设置为最高优先级， 即将其数据帧的仲裁段设置为全0。CNC 系统与七个伺服轴之间交换的数据的优先级被分 别依次设置为优先级1～7。

本通信系统所传送的每一帧数据段只用了 8 字节其中的3 字节，后5 字节保留未用，其 中，第一字节表示当前数据帧的类型，接下来的2 个字节是本数据帧需要传输的数据。具体 设置如下：

（1）CNC 系统要向伺服驱动器发送的信息主要包括控制信号和位置/速度增量。 当数据类型为 0x01 时，对应的数据内容为对伺服驱动器的控制信号。该信号在下述3 种情况下发送：开机（或重启动）初始化完成时；当CNC 系统要改变对伺服驱动器的控制 时；发生报警时。

当数据类型为 0x02 时，对应的数据内容为实时控制伺服运动的位置/速度增量值，2 字 节16 位带符号数表示范围是±32767 个增量单位。本数据帧CNC 系统每个控制周期向伺服 驱动器发送一次。

（2）伺服驱动器需要向CNC 系统发送的数据信息主要包括状态信号和实际（编码器） 的位置/速度增量以及其他伺服数据。

当数据类型为 0x01 时，对应的数据内容为伺服状态信号。该信号在以下几种情况下发 送：当CNC 系统请求获得伺服状态信号而此时又没有位置回复帧时；当伺服驱动器出现报 警时；在CNC 位置广播后的位置回复帧中。

当数据类型为 0x02 时，对应的数据内容为伺服驱动器反馈的实际位置/速度增量值，2 字节16 位带符号数表示范围是±32767 个增量单位。本数据帧CNC 系统每个控制周期向伺 服驱动器发送一次。

4. 基于CAN 总线的数控系统的控制性能

通常，数控系统所工作的工业现场环境比较复杂，所以在实际应用中对CAN 总线数据 传输可靠性的要求比较高。在CAN 总线的实际应用中，时钟同步机制在提高系统可靠性方 面发挥着十分重要的作用。

表 1 总结了两种比较常用的有效的CAN 总线时钟同步方法的主要特点。如下，

通过比较这两种同步方法的各项性能指标，本文采用的同步方法为OCS-CAN （orthogonal clock subsystem for CAN）。特别的，该时钟同步方法在容错性方面有许多优点， 容错性的提高将大大提高系统数据传输的可靠性。

该方法在容错性方面主要基于以下三点： 首先，限制各节点的错误语义转化为突发错误语义。这点是可以做到的，例如，采用[3] 中提到的重复比较方法。第二，采用主站冗余机制。OCS-CAN定义了大量的备用主站，可 以随时替换出错的主站。

第三，进行模块检测[4]来正式核实容错机制的正确性。该正式核 实考虑到大量的错误模型，包括可能出现的信息矛盾。 试验证明，该方法不仅可以提高系统数据传输的精度和可靠性，而且可以将成本控制在 一个合理的水平，是一种经济有效的CAN 时钟同步方法。

5．结论：

基于 CAN 总线的数控机床网络解决了局域网型数控机床的缺点，结构简单、实时性好、 可靠性高、通信距离长、连接设备多。

本文的设计结果表明，对一个控制量多、实时性要求 严格的数字控制系统，基于CAN 总线的通信完全能够满足要求。 本文作者创新点：利用CAN 总线构成了一个全闭环的开放式数控系统，并且本数控系 统的最大控制能力为能够控制七个伺服轴和一个主轴。