1． 引言：

隨著微電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量技術的不斷發展和迅速應用，在制 造業中，數控技術和數控機床不斷更新換代，正向著高速度、多功能、智能化、開放型以及 高可靠性等方面迅速發展。數控機床的生產量和數控技術的應用已成為衡量一個國家工業化 程度和技術水平的重要標志。

開放式、網絡化數控系統已成為當前數控技術發展的主要趨勢。CAN 總線適用于數據 交換簡短而頻繁的場合，是解決工業控制設備之間數據通信的有效方式，可以方便有效地構 成分布式實時過程檢測與控制系統。由于基于CAN 總線的數據通信具有高可靠性、實時性 和靈活性等特點，特別適合于工業現場自動化設備的互連，在汽車工業等領域得到了廣泛的 應用。CAN 總線標準也是現場總線的國際標準之一（ISO11898）。

本文針對一個需要上位機與下位機進行現場通信的數字控制系統，根據數據量和通信速 率的要求，采用基于CAN 總線作為通信平臺。整個系統能夠在4ms 的控制周期內，完成對 7 個伺服軸和一個主軸的位置和速度控制，系統性能達到了預期的目標。

2. 數控機床的組成

數控機床一般由輸入輸出設備、CNC 裝置（或稱CNC 單元）、伺服單元、驅動裝置（或 稱執行機構）、可編程控制器PLC 及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及其測量裝置組成。 圖1 是數控機床組成框圖，其中除機床本體之外的部分統稱為計算機數控（CNC）系統。

開放式數控系統的關鍵技術是建立開放的數控體系結構，并確定開放式的標準。在結構上向趨于裁剪、擴展和升級的方向發展；形式上向可靈活組成不同檔次、不同類型的方向進行邁進。

3. 系統設計

3．1 硬件平臺設計

根據開放式數控系統的可裁減要求，數控系統最大控制能力為七軸五聯動。具體的控制 量為：外接數字IO 數量不少于340 個，其中輸入不少于200 個，輸出不少于140 個，不少 于80 個繼電器輸出，并且有不少于40 個繼電器輸出指示燈。

本系統要求能夠控制七個伺服軸和一個主軸，設置控制周期為 4ms，因此要在4ms 的 控制周期內完成對8 個軸的控制，其中每個軸的控制字為4 字節，再加上本系統設計時所使 用的外接數字IO 為360 個，則控制字需要360/8=45 個字節，因此通訊速度至少為（4*8+45） /0.004=19.25 Kb/s。在通信距離不超過40m 時，can 總線數據傳輸速率可高達1Mb/s，我們 系統設計所要求的最大傳輸距離為30m ，因此完全可以滿足要求。為了增強通訊的可靠性， 使用雙CAN 通信，其中第2 路can 總線作為系統的冗余。

如果把上位機（PC104+CAN 通信卡）和下位機（PC104+位控卡+IO 卡）插在一起或疊 在一起，會限制數控系統結構安裝的靈活性。另外，如果上位機和下位機擁擠安置在操作盒 內，不利于散熱；而且運動控制板卡也安裝在操作盒內，接口線纜密集，不利于拆裝。在此， 希望設計一種通訊結構能夠使上位機和下位機分開安裝，而且兩者之間以較少的通訊線連接 進行長距離通訊，所以此處考慮到采用CAN 總線的串行通信方式。 圖 2 為CAN 總線的開放式數控系統架構。

圖中，上位機系統為思泰基公司的SB610（PC104）主板，外加2 路can 總線（用 SJA1000+82C250）構成，采取內存影射方式讀寫數據，經can 總線將數據傳送給下位機。 上位機由于外接開關電源不便以及考慮干擾，電源需要從下位機引入24V 電源，經24/5V電源模塊輸出供電。

上位機的機箱根據整個系統的需求，采用外殼為散熱片的鋁殼機箱，前面面板有LCD 窗口，以及其他撥碼開關等，控制面板鑲嵌在前面板中。后面板有電源（24VDC）輸入， usb 輸入口、CAN 總線通訊口、鍵鼠接口、CRT 接口（調試需求）和網絡接口（考慮升級 需求）、手搖脈沖接口等。

下位機系統是由母板、1 塊CPU 板（PC104+2 路CAN 總線）、2 塊位控卡、3 塊IO 卡 構成。CPU 板、位控卡、IO 卡用雙排96 針歐式插座（針）成直角插接在母板(孔)上。本系 統設計的輸入點為216 個，輸出點為144 個，滿足系統I/O 要求。

3．2 CAN 通信鏈路設計

CAN 數據幀的標準格式如下：

其中，我們只需要設置仲裁段、控制段和數據段。仲裁段用來設置不同類型幀的優先級；控 制段由6個位構成，用來顯示數據段使用的字節數；數據段可包含0～8個字節的數據。

CAN 通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優先權的報文優先發送。在CAN 總線上 發送的每一條報文都具有唯一的一個29 位數字的ID。CAN 總線狀態取決于二進制0 而不 是1，所以ID 號越小，則報文擁有越高的優先權。 本通信系統共設置 8 個優先級，CNC 系統與主軸之間交換的數據設置為最高優先級， 即將其數據幀的仲裁段設置為全0。CNC 系統與七個伺服軸之間交換的數據的優先級被分 別依次設置為優先級1～7。

本通信系統所傳送的每一幀數據段只用了 8 字節其中的3 字節，后5 字節保留未用，其 中，第一字節表示當前數據幀的類型，接下來的2 個字節是本數據幀需要傳輸的數據。具體 設置如下：

（1）CNC 系統要向伺服驅動器發送的信息主要包括控制信號和位置/速度增量。 當數據類型為 0x01 時，對應的數據內容為對伺服驅動器的控制信號。該信號在下述3 種情況下發送：開機（或重啟動）初始化完成時；當CNC 系統要改變對伺服驅動器的控制 時；發生報警時。

當數據類型為 0x02 時，對應的數據內容為實時控制伺服運動的位置/速度增量值，2 字 節16 位帶符號數表示范圍是±32767 個增量單位。本數據幀CNC 系統每個控制周期向伺服 驅動器發送一次。

（2）伺服驅動器需要向CNC 系統發送的數據信息主要包括狀態信號和實際（編碼器） 的位置/速度增量以及其他伺服數據。

當數據類型為 0x01 時，對應的數據內容為伺服狀態信號。該信號在以下幾種情況下發 送：當CNC 系統請求獲得伺服狀態信號而此時又沒有位置回復幀時；當伺服驅動器出現報 警時；在CNC 位置廣播后的位置回復幀中。

當數據類型為 0x02 時，對應的數據內容為伺服驅動器反饋的實際位置/速度增量值，2 字節16 位帶符號數表示范圍是±32767 個增量單位。本數據幀CNC 系統每個控制周期向伺 服驅動器發送一次。

4. 基于CAN 總線的數控系統的控制性能

通常，數控系統所工作的工業現場環境比較復雜，所以在實際應用中對CAN 總線數據 傳輸可靠性的要求比較高。在CAN 總線的實際應用中，時鐘同步機制在提高系統可靠性方 面發揮著十分重要的作用。

表 1 總結了兩種比較常用的有效的CAN 總線時鐘同步方法的主要特點。如下，

通過比較這兩種同步方法的各項性能指標，本文采用的同步方法為OCS-CAN （orthogonal clock subsystem for CAN）。特別的，該時鐘同步方法在容錯性方面有許多優點， 容錯性的提高將大大提高系統數據傳輸的可靠性。

該方法在容錯性方面主要基于以下三點： 首先，限制各節點的錯誤語義轉化為突發錯誤語義。這點是可以做到的，例如，采用[3] 中提到的重復比較方法。第二，采用主站冗余機制。OCS-CAN定義了大量的備用主站，可 以隨時替換出錯的主站。

第三，進行模塊檢測[4]來正式核實容錯機制的正確性。該正式核 實考慮到大量的錯誤模型，包括可能出現的信息矛盾。 試驗證明，該方法不僅可以提高系統數據傳輸的精度和可靠性，而且可以將成本控制在 一個合理的水平，是一種經濟有效的CAN 時鐘同步方法。

5．結論：

基于 CAN 總線的數控機床網絡解決了局域網型數控機床的缺點，結構簡單、實時性好、 可靠性高、通信距離長、連接設備多。

本文的設計結果表明，對一個控制量多、實時性要求 嚴格的數字控制系統，基于CAN 總線的通信完全能夠滿足要求。 本文作者創新點：利用CAN 總線構成了一個全閉環的開放式數控系統，并且本數控系 統的最大控制能力為能夠控制七個伺服軸和一個主軸。