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zui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=19.25Kb/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zui大傳輸距離為30m，因此*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。
　　
　　3.2CAN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zui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*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zui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，*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（orthogonalclocksubsystemforCAN）。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zui大控制能力為能夠控制七個伺服軸和一個主軸。