论文部分内容阅读
【摘 要】根据当前国内高等院校机电一体化教学设备存在的问题，提出了一种基于现总线的教学实验平台的实现方法。介绍了柔性平台的设计思想与结构模型，以及平台的硬件组成、客户机软件及仿真系统详细设计。这种具有开放式、模块化、柔性化和网络化的特点机电一体化实验平台具有良好的软、硬件可重构性，真正实现了实验平台的开放性设计和柔性设计，使数控系统实验教学更加灵活。
【关键词】机电一体化；试验平台；CAN总线
1.引言
近年来，随着我国国民经济和工业的迅速发展，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术，然而劳动力市场出现的数控技术应用型人才的严重短缺已成为全社会普遍关注的热点问题。同时，伴随着近几年高校的不断扩招，导致在校人数逐年增长，现有教学资源已经严重短缺，特别是现代化的数控教学设备在现有的理工科院校中成为最为紧缺的教学资源。本文为适应社会经济发展和教学的需要，设计了一套开放式机电一体化试验平台，该平台基于CAN Bus协议和现代化的组网技术，将现有的有限的机电一体化教学设备进行重组，从而达到高效利用现有设备的目的 [1]；同时，本文基于开放式的理念将机电一体化试验平台的实验教学过程进行透明式、可重组式的设计，从而大大提高教学质量。
2 机电一体化试验平台的组成架构
机电一体化试验平台采用星型网络拓扑结构，主要由执行机构、实验控制柜、主控机与客户机四部分组成，其总体结构如图1所示。
2.1 执行机构
执行机构主要由四个小型的执行模块组成，分别是数控车床、数控铣床、机器人手臂和液压实验模块，这是一个典型的机电一体化系统。数控车床和数控铣床是数控加工中最常用的两种设备，机器人手臂是工业自动化中最常用的物流装置，而液压系统目前也广泛地应用于工业界。通过这一层次的实验可以了解数控机床的基本操作及日常简单维护，掌握数控机床的基本结构和机械加工与数控加工的工艺知识。
2.2 实验控制柜
实验控制柜主要由各种运动控制模块组成，内部包含各数控系统的电源、控制电路及驱动部件。控制电路可采用单片机/DSP、运动控制卡和PLC，控制方式可通过主控机来选择。试验人员通过对控制电路的操作，可以深入了解数控机床的原理，培养其对数控机床的设计及创新能力。
图1试验平台结构框图
2.3 主控PC机
主控PC机主要负责网络管理，主控机内嵌数控系统管理软件，完成对客户机和数控实验系统的管理功能。主控机与各数控设备的下位机通过CAN总线进行通讯，可完成对数控设备的直接控制；同时可局域网内的客户机进行通话，实现对多台客户机的管理，这样可充分利用试验资源。同时，试验人员通过对主控机的操作可培养其现场总线的编程能力，同时可以设计新型的加工算法并进行实际验证[2]。
2.4 客户机
实验终端由多台客户机组成，客户机通过网络协议组成局域网络，为实验人员提供操作平台，客户机内嵌数控系统编程系统及CAD/CAM软件，可进行三维造型和自动编程，并提供仿真环境。试验人员可根据自己的要求对需加工的零件进行编程，并可以通过仿真软件来检验加工程序的可行性。同时，客户机通过局域网与主控机相连，如果试验人员需要使用数控设备进行零件加工等操作，可通过客户机向主控PC机提出使用申请，在主控PC机允许的情况下，试验人员可将已编好的加工程序下载到主控机实现所需操作[3]。
3.主控机与执行机构的组网技术
3.1基于CAN Bus协议的网络模型
CAN总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言， 基于CAN总线的分布式控制系统在数据传输速度和可靠性等方面都具有明显的优越性[4]。
3.2 CAN Bus协议的实现
各执行模块的中央处理器（TMS320F28x DSP）通过CAN控制器和CAN收发器连接到CAN总线上，实现CAN通讯的硬件连接。由于TMS320F28x DSP中带有内部控制器，所以只需要外接CAN收发器，通过收发器连接到CAN总线即可，如图2所示。
图2 CAN通讯的硬件连接
CAN通讯软件主要由初始化模块、发送模块和接收模块三部分组成。
（1）初始化模块：首先将主控制寄存器的改变配置请求位（CCR）和CANES的改变配置使能位（CCE）置“1”，进入配置模式后才能对CAN进行初始化。要返回工作模式，必须将CCE和CCR依次成功清“0”。
（2）发送模块：CAN要发送信息，首先须将某个邮箱配置成发送邮箱，然后再配置邮箱标识符寄存器、报文控制寄存器以及待发送数据。当使能该邮箱并将发送寄存器（CANTRS）相应的位置“1”，CAN就将该邮箱中的数据发送到总线上[5]。
（3）接收模块：在配置好信息标识符寄存器（MID）、局部接收屏蔽寄存器（LAM）、覆盖保护寄存器（CANOPC），并使能相应的邮箱后，CAN即开始接收信息时。当CAN邮箱接收
到信息时，就会产生相应的中断，继而CPU判断是哪个邮箱接收到信息。
4.结论
本数控试验教学平台是上海电机学院实验教学改革工程项目，通过实际教学实践证明它能够使少量的数控教学设备发挥出最大的作用，能够极大的提高实验设备利用率，有效解决学员数目多和数控教学设备少的矛盾，有助于培养学员的工程实践能力、设计创新能力，适合在工科高等院校、职业技术院校作教学之用。
参考文献：
[1]舒志兵，张杰，严彩忠.基于CAN总线和TCP/IP的交流伺服试验系统的研究[J].机床与液压， 2007，35（12）：145～148.
[2]朵云峰，王毅，容会.如何有效地进行TCP/IP协议教学[J].昆明冶金高等专科学校学报， 2006，22（1）：78～82.
[3]刘勇，杨林，张瑞临.基于PC的开放式软件数控系统的设计.机械工程与自动化，2006.8（04）：22～28.
[4]刘丽松，殷苏民，林新华，郑晓峰.基于CAN总线的开放式数控系统控制网络的设计[J].机床与液压，2007（02）：59～63.
[5]王鹏远，尚展垒.数控仿真关键技术的研究与实现[J].微计算机信息，2008，13（5）： 179～180.
【关键词】机电一体化；试验平台；CAN总线
1.引言
近年来，随着我国国民经济和工业的迅速发展，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术，然而劳动力市场出现的数控技术应用型人才的严重短缺已成为全社会普遍关注的热点问题。同时，伴随着近几年高校的不断扩招，导致在校人数逐年增长，现有教学资源已经严重短缺，特别是现代化的数控教学设备在现有的理工科院校中成为最为紧缺的教学资源。本文为适应社会经济发展和教学的需要，设计了一套开放式机电一体化试验平台，该平台基于CAN Bus协议和现代化的组网技术，将现有的有限的机电一体化教学设备进行重组，从而达到高效利用现有设备的目的 [1]；同时，本文基于开放式的理念将机电一体化试验平台的实验教学过程进行透明式、可重组式的设计，从而大大提高教学质量。
2 机电一体化试验平台的组成架构
机电一体化试验平台采用星型网络拓扑结构，主要由执行机构、实验控制柜、主控机与客户机四部分组成，其总体结构如图1所示。
2.1 执行机构
执行机构主要由四个小型的执行模块组成，分别是数控车床、数控铣床、机器人手臂和液压实验模块，这是一个典型的机电一体化系统。数控车床和数控铣床是数控加工中最常用的两种设备，机器人手臂是工业自动化中最常用的物流装置，而液压系统目前也广泛地应用于工业界。通过这一层次的实验可以了解数控机床的基本操作及日常简单维护，掌握数控机床的基本结构和机械加工与数控加工的工艺知识。
2.2 实验控制柜
实验控制柜主要由各种运动控制模块组成，内部包含各数控系统的电源、控制电路及驱动部件。控制电路可采用单片机/DSP、运动控制卡和PLC，控制方式可通过主控机来选择。试验人员通过对控制电路的操作，可以深入了解数控机床的原理，培养其对数控机床的设计及创新能力。
图1试验平台结构框图
2.3 主控PC机
主控PC机主要负责网络管理，主控机内嵌数控系统管理软件，完成对客户机和数控实验系统的管理功能。主控机与各数控设备的下位机通过CAN总线进行通讯，可完成对数控设备的直接控制；同时可局域网内的客户机进行通话，实现对多台客户机的管理，这样可充分利用试验资源。同时，试验人员通过对主控机的操作可培养其现场总线的编程能力，同时可以设计新型的加工算法并进行实际验证[2]。
2.4 客户机
实验终端由多台客户机组成，客户机通过网络协议组成局域网络，为实验人员提供操作平台，客户机内嵌数控系统编程系统及CAD/CAM软件，可进行三维造型和自动编程，并提供仿真环境。试验人员可根据自己的要求对需加工的零件进行编程，并可以通过仿真软件来检验加工程序的可行性。同时，客户机通过局域网与主控机相连，如果试验人员需要使用数控设备进行零件加工等操作，可通过客户机向主控PC机提出使用申请，在主控PC机允许的情况下，试验人员可将已编好的加工程序下载到主控机实现所需操作[3]。
3.主控机与执行机构的组网技术
3.1基于CAN Bus协议的网络模型
CAN总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言， 基于CAN总线的分布式控制系统在数据传输速度和可靠性等方面都具有明显的优越性[4]。
3.2 CAN Bus协议的实现
各执行模块的中央处理器（TMS320F28x DSP）通过CAN控制器和CAN收发器连接到CAN总线上，实现CAN通讯的硬件连接。由于TMS320F28x DSP中带有内部控制器，所以只需要外接CAN收发器，通过收发器连接到CAN总线即可，如图2所示。
图2 CAN通讯的硬件连接
CAN通讯软件主要由初始化模块、发送模块和接收模块三部分组成。
（1）初始化模块：首先将主控制寄存器的改变配置请求位（CCR）和CANES的改变配置使能位（CCE）置“1”，进入配置模式后才能对CAN进行初始化。要返回工作模式，必须将CCE和CCR依次成功清“0”。
（2）发送模块：CAN要发送信息，首先须将某个邮箱配置成发送邮箱，然后再配置邮箱标识符寄存器、报文控制寄存器以及待发送数据。当使能该邮箱并将发送寄存器（CANTRS）相应的位置“1”，CAN就将该邮箱中的数据发送到总线上[5]。
（3）接收模块：在配置好信息标识符寄存器（MID）、局部接收屏蔽寄存器（LAM）、覆盖保护寄存器（CANOPC），并使能相应的邮箱后，CAN即开始接收信息时。当CAN邮箱接收
到信息时，就会产生相应的中断，继而CPU判断是哪个邮箱接收到信息。
4.结论
本数控试验教学平台是上海电机学院实验教学改革工程项目，通过实际教学实践证明它能够使少量的数控教学设备发挥出最大的作用，能够极大的提高实验设备利用率，有效解决学员数目多和数控教学设备少的矛盾，有助于培养学员的工程实践能力、设计创新能力，适合在工科高等院校、职业技术院校作教学之用。
参考文献：
[1]舒志兵，张杰，严彩忠.基于CAN总线和TCP/IP的交流伺服试验系统的研究[J].机床与液压， 2007，35（12）：145～148.
[2]朵云峰，王毅，容会.如何有效地进行TCP/IP协议教学[J].昆明冶金高等专科学校学报， 2006，22（1）：78～82.
[3]刘勇，杨林，张瑞临.基于PC的开放式软件数控系统的设计.机械工程与自动化，2006.8（04）：22～28.
[4]刘丽松，殷苏民，林新华，郑晓峰.基于CAN总线的开放式数控系统控制网络的设计[J].机床与液压，2007（02）：59～63.
[5]王鹏远，尚展垒.数控仿真关键技术的研究与实现[J].微计算机信息，2008，13（5）： 179～180.