0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的日趨成熟，人們對產(chǎn)品的質(zhì)量與精度提出了更高的要求。產(chǎn)品加工出來以后再對產(chǎn)品進(jìn)行檢測的方法由于廢品率高、自動(dòng)化水平低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不能滿足日益成熟的工業(yè)自動(dòng)化要求。為了達(dá)到人們對產(chǎn)品提出的更高要求，一種新型在線檢測設(shè)備——主動(dòng)量儀應(yīng)運(yùn)而生。此設(shè)備能夠在磨削加工過程中對工件的尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將測量結(jié)果反饋給磨床控制系統(tǒng)，從而在線加工過程中及時(shí)控制工件尺寸，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平，降低了廢品率。因而，主動(dòng)量儀在磨削加工過程中的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展與推廣。

　　然而，國內(nèi)外主動(dòng)量儀由于受體積限制，測量通道數(shù)目均有限。例如中原精密Z3000系列主動(dòng)量儀和東京精密PULCOM V10控制儀最多只有4個(gè)傳感器測量通道，只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)4路現(xiàn)場信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，限制了其在磨加工在線測控過程中的應(yīng)用。

　　近年來，信息技術(shù)水平和工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，通信系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量越來越多，對通信速率的要求越來越高。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)無法匹配逐漸趨于完善的計(jì)算機(jī)功能，對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的改進(jìn)勢必增加成本，效果也不明顯，因此，開發(fā)一種新型的通信技術(shù)非常重要?，F(xiàn)場總線技術(shù)就是在這種情況下產(chǎn)生的。它用一根總線將所有現(xiàn)場設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與上位機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場總線由于結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、技術(shù)先進(jìn)、適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通信協(xié)議也逐漸形成國際化標(biāo)準(zhǔn)。本文針對主動(dòng)量儀的缺點(diǎn)，采用現(xiàn)場總線來擴(kuò)展主動(dòng)量儀的測量通道。通過常用現(xiàn)場總線之間的相互比較，最終采用CAN總線構(gòu)建測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性和有效性。

1 主動(dòng)量儀結(jié)構(gòu)與工作原理

　　磨加工主動(dòng)量儀主要由測量裝置、驅(qū)動(dòng)裝置以及控制器三部分構(gòu)成，如圖1所示。傳感器是測量裝置的重要組成部分，主要用來將被測非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量信號(hào)，通常為電感信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置用來帶動(dòng)測量裝置進(jìn)入和退出測量工位。工件裝夾好以后，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)工件進(jìn)入測量工位進(jìn)行加工，加工完畢以后，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)工件退出測量工位，對工件進(jìn)行裝卸?？刂破鲗y量裝置輸出的電感信號(hào)進(jìn)行處理（整流、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等），發(fā)出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信號(hào)給磨床控制系統(tǒng)，磨床控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)磨床進(jìn)給機(jī)構(gòu)來控制工件的尺寸。

　　由于主動(dòng)量儀摒棄了傳統(tǒng)檢測的缺點(diǎn)，在加工過程中就能對工件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，因而在磨加工測控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于主動(dòng)量儀的測量通道數(shù)目過少限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步推廣，因此，擴(kuò)展主動(dòng)量儀的測量通道變得尤為重要。它可以通過一臺(tái)主動(dòng)量儀實(shí)現(xiàn)多臺(tái)磨床的在線加工測量控制，從而降低產(chǎn)品加工的成本，提高生產(chǎn)效率，使主動(dòng)量儀的功能更加強(qiáng)大。

2 主動(dòng)量儀通道擴(kuò)展方案設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)DCS等系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)集中、導(dǎo)線和連接附件繁多、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足工業(yè)自動(dòng)化的要求，而現(xiàn)場總線的產(chǎn)生克服了傳統(tǒng)DCS等系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)。因此，本文主要采用現(xiàn)場總線來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)量儀測量通道的擴(kuò)展功能。下面對兩類常用的現(xiàn)場總線進(jìn)行比較分析。

　　2.1 基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案

　　基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　采用主流PROFIBUS-DP、CC-LINK現(xiàn)場總線擴(kuò)展測量通道，速度快，可達(dá)12 Mb/s，技術(shù)含量高。這類現(xiàn)場總線模塊貨源少，主要是國外產(chǎn)品，價(jià)格較高。采用傳統(tǒng)的站地址編碼方式，需要站地址等節(jié)點(diǎn)的信息，這種編碼方式使得系統(tǒng)不太靈活。

　　2.2 基于CAN總線測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　基于CAN總線測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案如圖3所示。

　　采用主流CAN現(xiàn)場總線擴(kuò)展測量通道，速度不如PROFIBUS-DP、CC-LINK現(xiàn)場總線快，可達(dá)1 Mb/s。這類現(xiàn)場總線模塊貨源多，國內(nèi)外應(yīng)用都比較普遍。它廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼方式，代之對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，不需要站地址信息，系統(tǒng)顯得靈活，性價(jià)比高。

　　通過以上兩種現(xiàn)場總線測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與比較分析，最終選定CAN總線實(shí)現(xiàn)主動(dòng)量儀測量通道的擴(kuò)展。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、便于編程、性價(jià)比高的STC89C52RC單片機(jī)作為測量通道擴(kuò)展系統(tǒng)方案中的微控制器，采用SJA1000控制器、高速光耦6N137和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250集成電路板作為系統(tǒng)方案中的CAN模塊。將CAN模塊的排針插到單片機(jī)上的孔槽中，實(shí)現(xiàn)CAN模塊與單片機(jī)之間的連接。這種連接方式減少了導(dǎo)線的數(shù)目，使系統(tǒng)變得簡單緊湊。STC89-C52RC單片機(jī)電路板上帶有RS232串口和USB接口，RS232串口具有向單片機(jī)下載程序以及與主動(dòng)量儀連接的功能，USB接口用來向單片機(jī)供電。單片機(jī)通過程序控制來實(shí)現(xiàn)串口的初始化以及對各測量通道的數(shù)據(jù)采集。CAN總線通信控制器的硬件電路如圖4所示。

　　CAN總線接口電路主要包括CAN控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。為了增強(qiáng)總線節(jié)點(diǎn)之間的抗干擾能力，消除線路之間的串?dāng)_，在CAN控制器與驅(qū)動(dòng)器之間采用高速光耦6N137進(jìn)行光電隔離，硬件電路原理如圖5所示。SJA1000內(nèi)置CAN2.0B協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)通信的全部特性，但其接口不能直接與CAN總線相連，信號(hào)不能直接在CAN總線上進(jìn)行傳輸。CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250就是用來解決CAN控制器與總線連接的問題。它將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低兩種電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在CAN總線上的傳輸，將總線電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收，提高了對總線差動(dòng)發(fā)送和接收的能力。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

　　軟件程序采用便于閱讀理解的C高級(jí)程序語言。采用Keil uvision4編譯器作為C語言的編譯環(huán)境，對程序進(jìn)行編輯、調(diào)試、仿真等。采用STC-ISP燒錄軟件將編譯生成的Hex文件下載到單片機(jī)內(nèi)執(zhí)行。CAN控制器SJA1000的初始化是CAN總線系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中極為重要的一部分內(nèi)容。與傳統(tǒng)的匯編語言相比，C語言只要很少的語句就能完成SJA1000的初始化工作。Keil uvision4編譯環(huán)境為開發(fā)高性能程序奠定了基礎(chǔ)，大大縮短了軟件開發(fā)的周期。下面僅對CAN控制器的初始化作一描述。CAN控制器的初始化設(shè)置必須在復(fù)位模式下進(jìn)行，主要包括對工作方式、代碼寄存器的接收、波特率參數(shù)、濾波方式的接收等內(nèi)容的設(shè)置。初始化以后CAN控制器就可以回到工作狀態(tài)進(jìn)行正常的通信任務(wù)。程序主流程圖如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　5.1 多測量通道數(shù)據(jù)的采集過程

　　本實(shí)驗(yàn)針對主動(dòng)量儀擴(kuò)展了7個(gè)測量通道，鑒于篇幅限制，以兩測量通道為例來闡述對各測量通道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程。根據(jù)程序設(shè)定單片機(jī)數(shù)碼管的前兩位顯示測量通道的節(jié)點(diǎn)號(hào)，后兩位顯示相應(yīng)測量通道現(xiàn)場采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。0號(hào)單片機(jī)在相鄰等時(shí)間段內(nèi)，依次對測量通道1和測量通道2的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集。圖7為0號(hào)單片機(jī)正在采集測量通道1的數(shù)字信號(hào)過程。

　　5.2 多測量通道數(shù)據(jù)的顯示控制過程

　　為了使主動(dòng)量儀能夠?qū)U(kuò)展的各測量通道生產(chǎn)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于統(tǒng)一管理，在原有主動(dòng)量儀基礎(chǔ)上拓展開發(fā)了窗口8作為多測量通道數(shù)據(jù)的顯示控制界面。0號(hào)單片機(jī)對測量通道1的數(shù)字信號(hào)采集之后，通過RS232串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到Z3000控制器的顯示控制界面上。依次類推，完成7個(gè)擴(kuò)展通道的數(shù)據(jù)采集與顯示控制，然后重復(fù)循環(huán)整個(gè)過程。主動(dòng)量儀根據(jù)數(shù)值判斷加工狀態(tài)，發(fā)送信號(hào)給磨床控制系統(tǒng)，從而控制工件的磨削過程。數(shù)據(jù)在主動(dòng)量儀拓展開發(fā)界面上的顯示控制過程如圖8所示。

　　通過CAN總線技術(shù)擴(kuò)展磨加工主動(dòng)量儀測量通道，實(shí)現(xiàn)了CAN總線多測量通道與磨加工主動(dòng)量儀之間的數(shù)據(jù)通信。該擴(kuò)展系統(tǒng)簡單可靠、擴(kuò)展性好、操作方便、性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對多臺(tái)磨床在線加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低了產(chǎn)品加工的成本，提高了生產(chǎn)效率，便于統(tǒng)一管理，滿足了工業(yè)自動(dòng)化的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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