基于TCP.IP和CAN Bus协议的机电一体化试验平台的研究.doc

基于TCP/IP和CAN Bus协议的机电一体化试验平台的研究摘要: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TCP/IP和CAN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；TCP/IPResearch of Machatronics experiments platform based on TCP / IP and CAN BusAbstract: A Machatronics experimental platform based on TCP / IP and CAN Bus is given to resolve the existing problems of the teaching facility for Machatronics experiments in most university of domestic. The hardware system, server software system and synchronous simulation system of this flexible platform are introduced. This platform has the characteristics of opening, modularity, flexibility and networking. Moreover, the hardware and software of this platform can be reconstructed easily, which achieves the opening and flexible CNC system and makes the experiment teaching agiler. Key Words: Machatronics; experimental; platform; CAN-bus; TCP/IP前言近年来，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TCP/IP和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。1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。图1试验平台结构框图Fig.1 Experimental platform structure frame1.1 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。1.2 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。1.3 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；同时可通过TCP/IP协议与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。1.4 客户机实验终端由多台客户机组成，客户机通过TCP/IP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。2主控机与客户终端的组网技术2.1 基于TCP/IP协议的网络模型 随着网络的普及，基于网络的教学系统也逐渐得到推广。TCP/IP是一种计算机互联网通讯协议，它是构建计算机网络的基础。计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同或功能独立的多个计算机系统连接起来,以功能完善的网络软件实现网络的资源共享和信息传递的系统2。机电一体化平台主控机与客户机的通讯基于TCP/IP协议进行设计。2.2 TCP/IP协议的实现2.2.1 多次握手通讯运用TCP/IP协议在网络通信之前进行三次握手可以有效的保证通信过程的安全性。2.2.2 统一的客户端和服务器端编程为了更好的实现局域网内客户机与服务器之间的文件信息传输，在编程过程中把客户端程序和服务器端程序用一个程序实现，使客户机与服务器能够通过同时相互发送和接收数据和文件进行通信3。2.2.3 可调速的文件传输在文件传输过程中，由于Winsock的特性需要对过大的发送文件进行分割，在编程过程中采用了可选的不同大小的文件块来进行文件传输，使得传输的速度变得可以调节。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3.2.1 CAN Bus协议的硬件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Fig.2 Hardware connection of CAN bus3.2.2 CAN Bus协议的软件实现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6。CAN发送流程如图3所示。图3 CAN发送流程图Fig.3 Transmitting flow-chart of CAN bus（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客户机仿真软件的设计基于PC平台的数控加工仿真系统以虚拟数控技术为基础，对数控设备的加工环境及其工作状态进行全面仿真，对零件切削过程进行三维动画演示。客户机仿真系统功能框图如图4所示。图4 仿真系统功能框图Fig.4 Architecture of simulation system同时，还可以在本系统基础之上，开发远程教学系统，即以学生实验PC机作为客户端，培训人员可先在客户机上通过该仿真系统的虚拟加工环境进行零件试加工，系统通过数控插补原理演示、数控程序代码语法检查、编译、简单干涉检测、工件尺寸测量等处理后，在屏幕上自动生成毛坯和零件外形，同时同步显示刀具坐标及主轴状态等信息，毛坯外形跟随刀具的移动而实时改变，演示完成后系统对加工过程进行评价。培训人员确认系统仿真结果正确无误后可通过TCP/IP网络向主控机发出申请，在实际数控设备上进行操作，从而达到提高效率、节约成本的目的5。图5 客户仿真软件界面Fig.5 Interface of client simulation software该仿真系统以Visual Basic 6.0作为开发平台，并结合利用三维造型软件Open GL 和3ds MAX。首先使用3ds MAX对复杂模型进行建模，然后将它转换到Open GL下，用Open GL编程实现人机交互式控制，从而实现全面仿真。客户机仿真软件界面如图5所示。5结论本数控试验教学平台是东华大学教育质量工程项目，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):145-1482 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):78-823 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):22-284 刘丽松, 殷苏民, 林新华, 等. 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