（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线的动平衡自动校正系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文以实现多工位动平衡自动校正一体化系统，动态、柔性地有机集成为目 标，将c a n 总线引入动平衡校正系统中，设计开发了基于c a n 总线的多工位 动平衡校正一体化系统。具体研究内容包括 第一章，在论述动平衡校正技术国内外研究现状与趋势，比较常用工业总线 优缺点及其在机电一体化系统中应用现状的基础上，提出了本文的研究内容。 第二章，介绍了c a n 总线及其技术规范，建立了动平衡校正的技术基础， 提出了基于c a n 总线的多工位动平衡自动校正一体化系统的总体方案。 第三章，开展多工位动平衡校正一体化系统各功能模块的研究，重点针对测 量位功能模块，包括支承设计、驱动连接控制策略、信号调理实现和相关测控系 统软硬件具体设计。同时完成各功能模块的接口电路，设计了各节点间的c a n 总线通信协议，并予以实现。 第四章，开展不平衡信号高精度提取技术的研究，在引入小波变换的信号分 析方法的基础上，提出了基于谐波小波的自适应滤波方法，并对不同情况下的滤 波效果进行了比较。最后根据动平衡机国家检测标准对本文研发的动平衡测量功 能模块进行性能测定，给出检测结果。 第五章，研究了基于c a n 总线多工位动平衡自动校正一体化系统的控制策 略，并针对六工位系统建立了节点间信息传送模型，提出了整体协调策略。分析 了多工位系统集成和各功能模块动态、柔性组合的软件实施方案，完成了系统的 集成。 第六章，主要对多工位一体化系统设计和相关技术进行了概括总结，并展望 了动平衡自动校正系统本论文的和展望。 关键词：动平衡，c a n 总线，谐波小波。多工位，自动校正 浙江大学硕士学位论文 l nt h i sd i s s e r t a t i o n i h ei d e at h a tt h ec a nb u si sa p p l i e dt ot h ea u t o m a t i c d y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e m f sp r e s e n t e d f no r d e rl h a tt h em u l t i - p r o c e d u r e a u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e mi sf l e x i b l yc o m p o s e db yf u n c t i o nm o d u l e s t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d s ： t h ef i r s tc h a p t e r ，a f t e rg i v e nt h ei m p o r t a n tr o l eo ft h er e s e a r c ho fd y n a m i c b a l a n c i n ge m e n d a t i o n ，b a s e do nt h er e v i e wo fc u r r e n ts t a t u sa n df u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n do f d y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o nt e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o no fc a nb u so nt h em e c h e c t r o n i cs y s t e r m ，t h er e s e a r c hc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o nj sa d v a n c e d m e a n w h i l e e a c hc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a r r a n g e d t h es e c o n dc h a p t e r , t h es c h e m eo ft h e m u l t i p r o c e d u r ea u t o m a t i c d y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e mb a s e do nc a nb u s i sa d v a n c e d a f t e rt h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i c a is p e c i f i c a t i o no fc a nb u sa n dt h eb a s i ct h e o r yo f d y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o na r ed i s c u s s e d t h et h i r dc h a p t e r , e v e r yf u n c t i o nm o d u l ec o m p o s i n go fm u l t i ，p r o c e d u r e a u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e r ni ss t u d i e d t h ee m p h a s i sc o m p o n e n t so f f u n c t i o nm o d u l ef o rm e a s u r e m e n ta r ed e s i g n e ds u c ha sf o r c em e a s u r e m e n t b e a r i n gb a s e do nr i g i db e a r i n g ，t h ed r i v i n gc o n n e c t i o na n dc o n t r o lu s i n g s v p w mm o d eo fs e r v os y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rm e a s u r e m e n t a t i a s t t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nc a nb u si sd e s i g n e dt h a ti st h ek e y f o rw h o l e s y s t e m t h ef o r t hc h a p t e r , t h ea b s t r a c t i o no ft h eu n b a l a n c i n g s i g n a ji nt h e e n v i r o n m e n to fs t r o n gb a c k g r o u n dn o i s ew i t hh i g hp r e c i s i o nj ss t u d i e d a f t e r d i s c u s s i n gt h es i g n a la n a l y s i sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f e r , a na d a p t i v ef i l t e r i n g m e t h o db a s e do nh a r m o n i cw a v e l e ti sa d v a n c e df o rh i g hp r e c i s e l ya b s t r a c t i n g t h ea m p l i t u d ea n dp h a s e ，w h i c hi m p r o v e dt h ep r e c i s i o no fa m p l i t u d ea n d p h a s ei n d i c t e db yc o m p a r i s o nw i t hg e n e r a lw a y a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h e n a t i o n a li n d u s t r ys t a n d a r d t w oi t e m sa r em e a s u r e do nt h em e a s u r e m e n t s y s t e mi n t h i sd i s s e r t a t i o n 。a n dt h er e s u l ti n d i c a e st h a tt h em e a s u r e m e n t s y s t e mm e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hp r e c i s i o n t h ef i f t h c h a p t e rs t u d i e st h ec o n t r o ia n dh a r m o n i z a t i o ns t r a t e g yo f m u l t i - p r o c e d u r ea u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e m ，a n dd e s i g n st h ed a t a t r a n s f e rm o d u l ea m o n gn o d sf o rs i x p r o c e d u r ea u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n g s y s t e r n f l e x i b l ei n t e g r a t i o no fm u l t i - p r o c e d u r es y s t e mi sa c h i e v e dt h r o u g ht h e s o f t w a r ed e s i g n l a s tc h a p t e rg i v e sc o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n g 。c a nb u s ，h a r m o n i cw a v e l e t ，m u l t i p r o c e d u r e a u t o m a t i ce m e n d a t i o n 1 1 浙江大学硕士学位论文 学号垒堕! 坐! ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸婆盘堂或其他教育枫 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：翊向阳签字日期：2 酊年 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借闲。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：剀向阳 导师签名 毒 签字日期：斯年；月 7 日签字日期：腑弓月，d 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：上绷免斯恬榔纭习 通讯地址：上蔺+ 黼牛j 霄解喵方田 电话：孵停7 如j 邮编：? 胁7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动平衡校正研究的意义 旋转机械转子在运转过程中因不平衡使整个机器发生振动，引起工作精度和 可靠性降低、零件的磨损和疲劳以及产生有害人体的噪声。如该振动频率接近系 统的固有频率时，有可能引起共振而使机器损坏，甚至影响周围建筑和人员的安 全。据国内外统计资料表明，航空发动机的故障4 0 与振动有关，而这些振动多 数是由其叶片的动不平衡所造成( 气流或材料质量和加工性能等多种因素引起动 不平衡) ；气轮发电机设备的异常振动，有6 0 7 0 是由转子的动不平衡所致。 由此可见，动平衡性能对于旋转类机械或设备的重要性【1 】。 随着近代高速、重载和精密机械的发展，上述问题就显得更加突出，在一些 领域成为了制约整个行业产品质量提升的关键因素。如具有广泛应用场合和巨大 市场潜力的电动工具行业，大量产品的工作速度已从原来每分钟几千转向上万 转、甚至几万转方向攀升，带来了同电机转子动平衡性能直接相关的振动烈度增 大、使用噪声提高以及产品寿命缩短等诸多问题，造成质次价低，难以在国际大 市场竞争中立足的尴尬局面。这种局面的出现主要原因在于目前国内的电机转子 动平衡校正技术还难以满足产品向高性能方向发展的需要。 另一方面，随着科技的不断进步，人类已开始远至宇宙深处进行探索，小至 纳米空间进行研究，带来诸如航空、航天、纳米技术等一大批高科技不断涌现和 飞速发展。在这些高科技当中，运载工具的实现，加工设备的形成以及研究仪器 的使用同样都离不开旋转设备的应用，而这些旋转设备共同的特点是高速、精密， 对动平衡的性能具有更高的要求。如在航空航天领域，因其使用的旋转设备的特 点是高速、精密，所以对旋转设备的动平衡性能具有更高的要求。在惯性导航中， 是利用机械电机陀螺高速旋转后所具有的定轴性实现定位导航，如果陀螺的动平 衡性能不佳，由于其具有的进动性，会使定位导航偏离，造成难以估量的损失或 灾难性事故【2 1 。可见，高科技的发展离不开先进的动平衡校正技术及其设备的应 用，并且具有越来越强烈的需求。因此，开展超高精转子动平衡自动校正技术和 设备的研究，既能满足高科技发展的需求，也能推动传统产业的发展，必将产生 巨大的经济和社会效益。 1 2 动平衡校正技术的发展现状及其趋势 动平衡校正分为动平衡测量和动平衡加工两个基本过程，即在完成不平衡 量和相位测量的基础上，采用一定的加工方式完成不平衡量的消除。在国外，一 些工业发达国家，由于先进的测量技术和数控加工技术的发展及其应用，已普遍 浙江大学硕士学位论文 采用动平衡自动测量和数控加工一体化的动平衡校正策略，即首先通过动平衡的 自动测量，然后将测量结果以一定的通讯方式传输给数控加工设备，控制其完成 对工件的铣削，达到动平衡自动校正的目的，并在廿世纪八十年代就出现了包括 上料、测量、加工、质量评价和分筛等多工位组成的动平衡校正一体化殴备，在 校正效率、校正精度和校正质量稳定性等方面取得了长足的进展，成为动平衡校 正技术和设备的发展主流及方向。在这一领域，德国、日本的技术和设备处于绝 对的领先地位，其中德国专业于航空、航天用大型复杂转子的动平衡自动校正， 而日本在中小型转子动平衡自动校正方面具有明显的优势。如日本国际计测器株 式会社最新出品的六工位全自动修正动平衡试验机，可适用于汽车电机转子、电 动工具、家用电器、各类办公自动化用电机的小型转子的动平衡校正，由于测量 和加工采用计算机集中控制，铣削加工量应用线性补偿，因而动平衡校正精度可 达o 2 5 9 m m k g ，校正效率为3 0 0 只每小时，而一次减少率大于9 5 ，充分体现 出高精度和高效率的特点，代表当前该领域发展的最高水平p j 。 围绕着动平衡自动校正系统的开发，国外在相关技术的研究上主要体现在 以下几个方面：( 1 ) 转子动力学建模和分析。转子动力学建模和分析是动平衡校 正技术的理论基础，对于动平衡校正系统的研究和开发具有重要的指导意义。因 此，长期以来学术界十分重视这方面的研究，取得了大量的研究成果，并在旋转 机械工况监测和故障诊断中得到了广泛的应用。由于刚性转子研究相对成熟，目 前研究重点着眼于大型柔性转子上，并已从线性动力学分析向非线性动力学分析 迈进，在分析精度和可用性方面都取得了长足的进展1 4 j ；( 2 ) 高保真地提取有用信 号，精确确定不平衡量及其相位。由于数字信号处理技术的发展，特别是d s p 芯片技术的突破，数字信号处理技术成为了高保真地提取有用信号、精确、快速 确定不平衡量及其相位的重要手段，并为赋予系统强大的联机功能提供保障；另 一方面，智能信息处理技术得到广泛地应用，使系统在自校零、自校验、自动补 偿和自选量程能力方面得到了明显地加强，带来更高精度地实现不平衡量及其相 位的确定成为可能；( 3 ) 快速、高精度地完成不平衡的消除。动平衡校正中的数 控加工设备跟随着数控技术的发展而不断进步，先后出现了基于步进电机驱动、 液压驱动和交流伺服驱动的各类数控加工设备。由于液压驱动所带来加工力大、 效率高和性价比合理的优势，是多工位系统中应用的主流。为保证加工精度，已 实施计算机控制的线性补偿策略，在加工误差补偿方面作了有益地探索；( 4 ) 实 施动平衡测量和加工一体化的计算机控制。从目前实现的系统来看，现有的控制 系统主要有单片机系统，是一片或多片单片机通过串并行数据交换的方式构成 的测控一体化系统。还有采用服务客户端模式，通过主从自主控制互兼的控制 策略，构成的主从式测控系统。另外随着现场总线技术的发展，集多个测控单元 模块与现场，通过现场总线的形式连接起来，构成一个具有较强的灵活性、可靠 浙江大学硕士学位论文 性和容错能力的分布式测控系统。尽管如此，国外现有的系统还很难方便地协调 适用范围和校正精度之间的矛盾，精度只能在专用设备上予以保证，并实现成本 过高( 两工位1 0 万美元、六工位1 7 万美元左右) ，阻碍其更广泛地应用。 而在国内，长期以来仍沿用动平衡称重和去重相分离的传统动平衡校正策 略，即首先采用一些动平衡称重设备完成动平衡的测量，并把测量结果以一定的 方式显示出来；然后，操作工人根据显示结果的读数，凭借自身的操作经验和相 应的加工设备，对工件进行试凑铣割以完成去重，这种方式由于人为因素影响明 显，带来校正效率低、精度差、质量不稳定和加工成本上升等不利因素，因而， 采用这种方式进行动平衡校正势必难以进一步提高相应产品的制造质量。 因此，集动平衡测量和数控加工于一体的动平衡自动校正技术及其系统，是 当前动平衡校正领域研究的热点和发展的主流。动平衡自动校正一体化系统包括 测量设备、加工设备和负责工件传送和转换的机械手设备，而根据不同的生产需 求和加工工艺要求，可能需要多个测量设备或加工设备组成多工位动平衡自动校 正一体化系统。根据模块化和重用性设计思想，把系统中各功能模块化，即多工 位动平衡自动校正一体化系统由多个测量功能模块、加工功能模块、机械手功能 模块通过一定的通信方式有机组成。多工位动平衡校正系统中，信息交换量大、 整体协调困难，并且对实时性要求较高，因此采用何种通信方式完成系统的集成， 显得尤为重要。国内传统的工业测控系统通信方式一般都采用b i t b u $ 和 r s 4 8 5 5 l ，但其存在如下缺点： ( 1 ) 无法构成多主结构，主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引 起系统瘫痪； ( 2 ) 数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，同时当下端出现异 常时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合； ( 3 ) 物理层采用较陈旧的r s 4 8 5 规范，链路层为s d l c 协议，总体来讲效率 较低，灵活性差，尤其是错误处理能力不强。 而动平衡校正系统中，对各功能模块间信息传递的实时性、可靠性要求非常 高，传统的工业测控通信方式难以满足系统的需求。为实现动态、柔性地组态各 功能模块，有机集成不同规模的动平衡自动校正一体化系统，协调各功能模块的 工作节拍，以满足各种精度、效率和工艺要求的动平衡校正的实际需求，本文在 动平衡校正系统中引入c a n 总线技术。 1 3c a n 总线技术及其在机电测控系统中的应用 在测控领域，随着电子计算机技术的不断发展，控制系统经历了基地式气动 仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散 式控制系统d c s 等。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低， 计算机与计算机网络系统得到迅速发展，到了2 0 世纪8 0 年代中期，控制系统中 浙江大学硕士学位论文 一种新型的网络技术逐渐发展起来，这就是现场总线技术。现场总线技术将专用 微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自都具有了数字计算和数字通讯能 力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系 统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以 及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据交换，形成各种适应实际需要的自 动控制系统。 因为现场总线系统具有的以下技术特点【7 ：( 1 ) 系统开放性。开放是指相关 标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放的系统，是指它可 以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开， 各不同厂家的设各之间可以实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统 一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商 的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开发互连系统。( 2 ) 互可操作性和互用性。互可操作是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通； 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。( 3 ) 现场设 备的智能化和功能自知性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能 分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。( 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全 分散性系统控制系统的体系结构。从根本上改变了现有的d c s 集中和分散相结合 的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。( 5 ) 对现场环境的适应 性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是为现场环境而设计 的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗 干扰能力，能采样两线制实现供电与通讯，并可满足本质安全防爆要求等。所以 带来了以下的好处： ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能 直接执行多种传感器控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要 单独的调节器、计算单元等，也不需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能 单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投 资，并可减少控制室的占地面积。( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分 简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、 桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现 场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了开支， 也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安 装费用6 0 以上。( 3 ) 节省维护开销。由于现场设备具有自诊断与简单故障处 理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所 有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护 浙江大学硕士学位论文 停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。( 4 ) 提高了 系统的准确性和可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比， 它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结 构简化，设各与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提 高了系统的工作可靠性。 现场总线的发展趋势是朝着开放系统、统一标准的方向发展。但自二十世纪 8 0 年代末以来，有几种现场总线技术己逐渐形成其影响并在一些特定的应用领 域显示了自己的优势。他们各具有各自的特点，业显示了较强的生命力。( 1 ) 基 金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 。在现场总线标准的研究制订过程中，出 现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1 9 9 4 年在国际上基本上形成了 两大阵营，一个以f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西 门子等8 0 家公司制订的i s p 协议；另一个以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议。这两大集团于1 9 9 4 年合并，成立现场总线基金 会( f i e l d b u sf o u n d a t i 0 1 3 ，f f ) ，致力于开发国际上统一的现场总线协议。f f 的 体系结构参照i s o o s i 模型的第l 、2 、7 层协议，即物理层、数据链路层和应用 层，另外增加了用户层。f f 提供两种物理标准：h 1 和h 2 。h 1 为用于过程控制的 低速总线，速率为3 1 2 5 k b p s ，传输距离为2 0 0 m 、4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 四种。 h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物 理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。( 2 ) p r o f i b u s 现场总线。它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用 o s i 模型的物理层、数据链路层。分散化的外围设备( d p ) 型隐去了第3 层至第7 层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范( f m s ) 型则只 隐去第三至第六层，采用了应用层。过程自动化( p a ) 型的标准目前还处于制定过 程之中。其最大传输速率为1 2 m b p s ，传输距离为l o o m 和4 0 0 m ，传输介质可以是 双绞线，也可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。( 3 ) l o n w o r k ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k 局部操作网) 现场总线。它是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年正式推出的。 它采用i s o o s i 模型的全部7 层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变 量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1 5 m b p s ，传输距离为 2 7 0 0 m ，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。采用的l o n t a l k 协议被封装在n e u r o n 芯片中，内含三个8 位微处理器，一个负责介质访问控制， 一个负责网络处理，一个负责应用处理。( 4 ) 可寻址远程传感器数据公路( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，h a r t ) 协议。它是由美国r o s e m o u n t 公司最 早推出的一种兼容4 2 0m a 模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。其数字 通信由于采用调s t 解调方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品， 浙江大学硕士学位论文 因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。( 5 ) 控制局域网 ( c o n t r o la r e an e t w o r k ，c a n ) 控制网络。最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽 车内部测量与执行部件之间的数据通信。c a n 结构模型取i s o o s i 模型的第1 、2 、 7 层协议，即物理层、数据链路层和应用层。通信速率最高可达l m b p s ，通信距 离最远可达l o k m 。 以上总线各具各的特点，并在某些领域具有各自的优势。但c a n 总线是现场 总线中具有突出优点的一种，现已经制定国际标准，与其它通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有可靠性、实时性、和灵活性【8 】。其具有以下特点： ( 1 ) 采用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可 实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；可将d c s 结构中主机的常 规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过c a n 适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任 务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等； ( 2 ) 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故 障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响：同 时c a n 具有出错帧自动重发功能，可靠性高； ( 3 ) 信号传输用短帧结构( 8 字节) ，实时性好，受干扰概率低，具有极好 的检错效果。 ( 4 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极 低。 ( 5 ) 不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展 性： ( 6 ) 采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性， 系统的通用性好； ( 7 ) 通讯介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维 护，经济性好。 另外，在目前主流的现场总线产品中，只有c a n 总线得到了计算机芯片商的 广泛支持，m o t o r a l a 、i n t e l 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的 8 0 c 5 1 芯片，c a n 总线产品还包括a b 公司的d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集 产品等。带有c a n 的m c u 芯片总量已经达l 亿3 千万片；因此接口芯片技术方面，c a n 已经遥遥领先于其它所有现场总线，c a n 总线已经成为最易于实现和成本最为低 廉的现场总线。由于c a n 总线具有的特点和优势，其在机电测控系统中得到了广 泛应用。如在多轴控制系统中，通过c a n 总线构完成对各轴节点的实时运动控制， 其网络模型如图1 1 。图中通过c a n 接口连入总线的伺服控制器内置p l c ，使其能 够完成检测、变换、补偿和运算等控制功能，把控制任务下放到现场，实现了真 6 浙江大学硕士学位论文 正意义上的控制分散，缩短了控制周期，提高了实时性。 工业控制计算机 c a n 插卡, l 一一 l c a n 总线 一0 憾型：胜型三j i 伺鼎四燃烈五型六 i 伺服电机il 伺服电机l j 伺服电机l 【伺服电机f i 伺服电机j 图1 1 基于c a n 总线的多轴控制系统 由以上分析可知，c a n 总线技术可使我们利用标准通信协议，在动平衡校正 一体化系统各功能模块间建立信息交换桥梁，通过一定的软件技术，可动态增减 各功能模块，实现模块化柔性组合，有机组成多工位动平衡校正一体化系统。 1 4 课题的提出及本论文的安排 综上所述，把c a n 总线引入多工位动平衡校正一体化系统中具有重大的研究 意义和实用价值。本文根据国内动平衡校正技术的现状及国外工业发达国家该技 术的发展趋势，结合国家“8 6 3 ”高科技计划资助项目超高精转子动平衡自动 校正关键技术的研究，通过对超高精度转子动平衡自动校正关键技术，包括智 能测量、高性能数控加工、c a n 总线技术、系统集成等方面的理论和方法的研究， 在多工位动平衡系统中引入c a n 总线技术，设计开发多工位动平衡分布式测控 加工一体化系统。研究特色主要体现在： ( 1 ) 以电动工具电机转子为研究对象 随着我国经济的不断发展，电动工具在我国已经得到迅速的普及应用，在航 空航天、国防、工业、民用等领域都具有广泛的应用场合。在电动工具生产方面， 越来越多的生产厂家也参与其中，在某些地区已称为主导产业。但令人遗憾的是 我国在该方面的技术还相当薄弱，只能以“质次价低”的形象充斥市场，据统 计，同国外一些品牌产品相比，我国的多数产品不及其价格的1 0 ，极大地阻 碍该产业迸一步地发展。正如上面所述，目前提高电动工具行业质量的瓶颈之一 是动平衡校正技术，显而易见，传统的动平衡称重和去重相分离的动平衡校正策 略己不能适应该领域生产的需要。因此，动平衡自动校正一体化技术的应用是该 行业产品“提高质量，创我品牌”，在激烈的市场竞争中脱颖而出的重要举措， 有其迫切性和重要性，蕴含着广阔的应用前景。 从技术层面上讲，尽管电动工具的电机转子尺寸较小、重量较轻，并可以作 为刚性转子处理，因而，与其相关的动力学理论比较成熟，在这方面不会对本文 浙江大学硕士学位论文 的研究造成难以逾越的技术障碍。但是，电动工具的电机转子集合有电枢，其去 重部位是有选择性的，同时还存在电气性能、机械强度以及动平衡性能等多方面 的优化问题，因此，以电动工具的电机转子作为本文研究的应用对象，具有一定 的挑战性。可以讲，如果能在电动工具的电机转子上实施动平衡自动校正一体化 技术，已经解决了平衡自动校正中关键的共性技术，可直接推广应用于其它能作 为网4 性转予处理的转子上。因此以电动工具的电机转子作为应用对象而研究、开 发成功的动平衡自动校正一体化技术或系统具有普遍性的意义。 ( 2 ) 以c a n 总线为信息传输网络 动平衡自动校正一体化系统由动平衡测量、加工和工件切换等多个功能模块 根据不同的需要有机组合而成，是一个典型的多功能机电一体化系统。由于机电 一体化系统已由集控型向多级分布式的体系结构发展，毫无疑问，本文的研究、 开发工作也将在这样的趋势的指导下进行。因此，系统各功能模块之间以及同上 位机之间的信息交换的快速性、可靠性和安全性直接决定系统的总体性能，采用 何种总线为信息传输的桥梁成为了本文研究的关键点，决定系统方案的形式。 信息技术的飞速发展引起了自动化领域的深刻变革，逐步形成了网络化的、 全开放的自动控制体系结构，而现场总线就是这场深刻变革的最核心的技术。现 场总线技术将专用微处理器景入传统的测量控制仪表，使他们各自都具有了一定 的数字计算和数字通讯能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。 现场总线给自动化领域带来的变化，如互联网给单个计算机带来的变化。如果说， 计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自控系统与设备加入到信 息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸 到生产现场。所以现场总线技术的出现标志着一个自动化新时代的开端。而c a n 总线作为现场总线众多种类中最具有发展前途的一种，c a n 卓越的特性、极高 的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连。在我国也发展较早， 具有一定的技术积累，因此本文采用c a n 总线为各模块问的连接桥梁，满足动平 衡系统的实时性、高可靠性的要求，实现分布式动平衡校正一体化系统，符合 工业自动化的发展趋势，为后续的动平衡校正一体化系统的研究发展奠定宽厚 的技术基础。 ( 3 ) 以高精、高效、柔性组合系统为追求的目标 由于不同种类的电动工具转子不同的校正需求，对动平衡校正一体化系统 的要求也多种多样，因此与其相关的生产设备除在效率、精度和可靠性方面应具 有优良的品质外，还应具有可动态柔性集合各模块、有机组成不同规模的动平衡 自动校正一体化系统的能力。相关参数具体为： 曲工件质量范围： 一 i - 9 5 h ) 工作效率： 5 0 0 只每小时( 六工位系统) 上述指标中，工作效率是指六工位系统的技术指标，而根据不同要求而柔 性组合的多工位系统要达到的效率也不尽相同。根据c a n 总线通信高效、可靠 的特点，引入c a n 总线的动平衡校正一体化系统在实现柔性化组合各功能模块 的同时，必将使整个系统达到较优的工作效率和较高的可靠性。 因此我们的目标是：在实现动态、柔性组合各功能模块的基础上，协调工 作节拍，提高系统整体效率，满足不同精度、效率和工艺要求的动平衡校正的 实际需求。 为此，本论文共分六章，各章安排如下： 第一章，综合阐述本课题研究意义，在主要论述动平衡一体化校正技术和 c a n 总线技术应用的现状及趋势的基础上，提出本课题的研究内容，并进行论文 的章节安排。 第二章，在对动平衡理论基础介绍的同时，提出基于c a n 总线的多工位动 平衡自动校正一体化系统整体方案，并介绍本文研究重点。 第三章，对组成多工位动平衡校正一体化系统的各功能模块分别展开研究， 重点设计测量位功能模块，包括支承设计、驱动连接控制策略、信号调理实现和 软硬件设计。同时完成各功能模块的硬件接1 7 1 电路，特别是p l c 与c a n 总线的 转换接1 ：3 电路。最后重点设计节点间的c a n 通信协议和软件实现。 第四章，开展不平衡信号高精度提取技术的研究，在引入小波变换的信号分 析方法的基础上，提出了基于谐波小波的自适应滤波方法，并对不同情况下的滤 波效果进行了比较。最后根据动平衡机国家检测标准对本文研发的动平衡测量功 能模块进行性能测定，给出检测结果。 第五章，对多工位动平衡校正一体化系统的控制策略展开研究，并针对六工 位动平衡校正一体化系统建立节点间信息传送模型，提出整体协调策略。从软件 上分析多工位系统集成和动态柔性组合的实现，并设计监控软件。 第六章，对本文多工位动平校正一体化系统进行概括和总结，并展望后续工 作及研究方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 【本章摘要】本章首先介绍了c a n 总线的技术特点和技术规范，以及动平衡 校正的基本理论，然后提出基于c a n 总线的多工位动平衡自动校正一体化系 统的总体结构。 2 1c a n 总线 2 1 1c a n 总线性能特点 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 m b p s 。c a n 总 线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据 的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数 据块进行编码【8 】。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限 制，数据块的标识码可由l l 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 l l 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同 的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可 满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字 节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验 并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。在c a n 总线上发送的 有四类信息帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。数据帧用于发送数据，远程 帧用于请求数据，其区别在于r t r 位。数据帧r t r 位为0 ，远程帧中r t r 位为l 。 c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的 互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。 另外，c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁 的串行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。c a n 总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性 价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯i l 。c a n 总线插卡可以任意 插在p ca tx t 兼容机上，方便地构成分布式监控系统。 2 1 2c a n 总线技术规范 c a n 总线定义了两种协议规范：c a n 2 0 a ，c a n 2 0 b 。c a n 2 0 a 为标准格 式，在c a n 2 0 b 中定义了标准格式和扩展帧格式。标准c a n 的标识符长度是 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 1 位，而扩展格式c a n 的标识符可达2 9 位。c a n 协议的2 0 a 版本规定c a n 控制器必须有一个1 1 位的标识符，同时在2 0 b 版本中规定c a n 控制器的标识 符长度可以是1 1 位或2 9 位。遵循c a n 2 0 b 协议的控制器可以发送和接收标准 格式报文或扩展格式报文。如果禁止c a n 2 0 b ，则c a n 控制器只能发送和接收 1 1 位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构但不会出错误。目前 p h i l i p s 公司主要推广的c a n 独立控制器均支持c a n 2 0 b 协议即支持2 9 位标识 符的扩展格式i l “。 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单位的总线空 闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，则该单元为接收器。对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻时 不同的。对于发送器而言，如果真到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文 有效。如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能与其它报文进 行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到 帧结束的最后一位一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则 进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动地在 实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式， 不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由 检测出总线错误的任何