基于TwinCAT平臺(tái)的多軸開放體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

□ 陳良驥 □ 李慧瑩

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450015

五軸數(shù)控技術(shù)是目前機(jī)械制造業(yè)比較重視的技術(shù)，它是以計(jì)算機(jī)作為控制核心，通過閉環(huán)電路系統(tǒng)控制5個(gè)伺服電機(jī)，適用于加工外形復(fù)雜的產(chǎn)品。隨著復(fù)雜產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的提高，對五軸數(shù)控加工的柔性化也提出了更高的要求，而五軸數(shù)控機(jī)床在高速高精加工中發(fā)揮著不可替代的作用［1-4］。

然而，傳統(tǒng)的數(shù)控體系具有封閉性，控制模式比較單一，這在一定程度上阻礙了數(shù)控技術(shù)向更高性能和智能化方向的發(fā)展，已經(jīng)漸漸不能適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品市場化、多元化的發(fā)展理念。目前許多國家都在研究和開發(fā)具有開放性的數(shù)控系統(tǒng)和技術(shù)，投入了大量的人力、物力資源，目的都是要盡快適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，奪取高速高精加工制造業(yè)的控制權(quán)。

開放式數(shù)控系統(tǒng)一般采用分塊式的體系結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)都有各自的通用平臺(tái)，而且生產(chǎn)效率高，降低了生產(chǎn)成本，縮短了加工周期，還可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行各種軟硬件的更換，其系統(tǒng)中的許多軟件都是遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的，可以根據(jù)需要進(jìn)行軟件的再次開發(fā)［5］。

開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)應(yīng)該建立在一種標(biāo)準(zhǔn)的、通用的硬件基礎(chǔ)之上，而軟件系統(tǒng)則應(yīng)該建立在模塊化、多結(jié)構(gòu)的軟件基礎(chǔ)之上。本文主要討論了TwinCAT這一工控軟件的特點(diǎn)、功能以及其在開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)過程中的優(yōu)越性。

1 TwinCAT平臺(tái)簡介

TwinCAT (The Windows Control and Automation Technology)是由德國倍福 (Beckhoff)公司開發(fā)的基于PC-Based技術(shù)的工業(yè)控制軟件，該軟件已廣泛應(yīng)用于電力、風(fēng)能、水處理、自動(dòng)化制造、紡織印染等行業(yè)。在上海世博會(huì)上，由上海大學(xué)研發(fā)的京劇表演機(jī)器人成為眾多國內(nèi)外觀眾矚目的焦點(diǎn)，Beckhoff的TwinCAT被用作其自動(dòng)化系統(tǒng)。在德國寶馬汽車公司的噴涂車間，設(shè)有2條符合最新全球標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線，總共用了55臺(tái)基于TwinCAT軟件的控制面板用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的可視化。TwinCAT軟件的工作界面如圖1所示。

▲圖1 TwinCAT軟件的主界面

該軟件采用了標(biāo)準(zhǔn)的Windows NT 4.0操作系統(tǒng)，遵循IEC61131-3 PLC國際標(biāo)準(zhǔn)，支持5種常用編程語言，功能強(qiáng)大，操作方便。軟件中自帶有編程程序，用于完成PLC、主軸控制等任務(wù)。輸入輸出接口主要采用分布式結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) （如Sercos總線、Lightbus總線）。利用OCX接口和VB、VC等編程語言來開發(fā)上層管理軟件，也可以兼容其它的工業(yè)控制系統(tǒng)，在控制界面下可以實(shí)時(shí)顯示加工流程、反饋信息、報(bào)錯(cuò)信息等，便于完善對生產(chǎn)的管理和監(jiān)控。

TwinCAT可以對 PLC、PID、I/O、NC 軸位控制以及系統(tǒng)需要執(zhí)行的專項(xiàng)任務(wù)等進(jìn)行多任務(wù)的時(shí)間安排。每個(gè)任務(wù)都是獨(dú)立運(yùn)行，即使某一項(xiàng)任務(wù)出現(xiàn)問題，也不會(huì)影響其它任務(wù)的正常進(jìn)行。TwinCAT特有的用戶應(yīng)用程序集成度很高，在程序控制、數(shù)據(jù)共享、算法仿真等方面發(fā)揮著重要的作用。TwinCAT是運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下的工業(yè)控制軟件，可取代傳統(tǒng)的PLC和NC/CNC控制器以及專用操作設(shè)備。采用VC++、VB等編程語言對某些應(yīng)用軟件和控制接口進(jìn)行編程，提高系統(tǒng)的開放性［6,7］。

TwinCAT系統(tǒng)由實(shí)時(shí)服務(wù)器 (Realtime Server)、系統(tǒng)控制器(System Control)系統(tǒng)OCX接口、系統(tǒng)工具箱(System Toolbox)、PLC系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)(I/O System)、用戶應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)(User Appl.)、自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口(ADS-Interface)及自動(dòng)化信息路由器(AMS Router)等組成［7］，其結(jié)構(gòu)分布圖如圖 2 所示。

▲圖2 TwinCAT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TwinCAT系統(tǒng)軟件集成了工業(yè)控制系統(tǒng)中許多軟件的優(yōu)良特性，程序開發(fā)周期短，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，占用資源少并且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。圖3為硬件PLC和TwinCAT PLC執(zhí)行1000條PLC命令所需時(shí)間的比較，可以看出基于工業(yè)PC機(jī)的PLC運(yùn)算要比傳統(tǒng)的硬件PLC節(jié)省許多時(shí)間，提高了效率。

2 多軸開放體系硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開放式數(shù)控系統(tǒng)一般都是基于計(jì)算機(jī)和通用操作系統(tǒng)來配置的，本文使用的是個(gè)人計(jì)算機(jī)和Windows XP操作系統(tǒng)，硬件部分選擇的組件是由德國倍福公司生產(chǎn)的通信接口卡FC7501，TwinCAT軟件可以利用該接口卡實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)進(jìn)行控制。圖4為課題組設(shè)計(jì)的理論結(jié)構(gòu)框圖。

基于硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)建思路，課題組實(shí)現(xiàn)了硬件部分線路的連接，如圖5所示。

3 多軸開放體系軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文主要是以TwinCAT軟件和Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)來進(jìn)行開展的。通過利用動(dòng)態(tài)鏈接庫、專用數(shù)據(jù)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)與VC++的數(shù)據(jù)傳遞，可以節(jié)省許多時(shí)間，降低開發(fā)成本，提升系統(tǒng)的總體性能，為今后的生產(chǎn)加工實(shí)踐和工程應(yīng)用等方面做了基礎(chǔ)性的工作。TwinCAT軟件作為接口通信和數(shù)據(jù)傳遞的工具，用VC++創(chuàng)建一個(gè)人機(jī)控制界面窗口，包含輸入輸出、電機(jī)啟停、執(zhí)行插補(bǔ)運(yùn)算等功能。其軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

TwinCAT軟件提供了 ADS-DLL、ADS-OCX和ADS-OPC接口，用于創(chuàng)建HMI的鏈接。使用Visual C++開發(fā)HMI時(shí)，可以使用ADS-DLL方式。TcAdsDll提供和其它ADS設(shè)備通信的功能，通過TwinCAT路由器和C語言API函數(shù)實(shí)現(xiàn)混合編程。

▲圖3 PLC運(yùn)算時(shí)間比較

▲圖4 “計(jì)算機(jī)+通信控制卡”的硬件結(jié)構(gòu)組成

▲圖5 硬件實(shí)物連接

▲圖6 基于TwinCAT和Windows系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

在Visual C++中進(jìn)行鏈接和程序開發(fā)時(shí)所需要的文件：

TcAdsDll.dll—?jiǎng)討B(tài)鏈接庫；

TcAdsDll.lib—使用TcAdsDll的函數(shù)庫；

TcAdsApi.h—聲明ADS功能的頭文件；

TcAdsDef.h—聲明結(jié)構(gòu)和常數(shù)的頭文件；

具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）使用 VC++集成開發(fā)環(huán)境中的菜單選項(xiàng)“File→New”，并在項(xiàng)目選項(xiàng)卡中選擇“MFC AppWizard(exe)”，輸入目錄名“Twincat”。

（2）在安裝的TwinCAT軟件的目錄下直接找到TcAdsDef.h和TcAdsApi.h，把這兩個(gè)文件復(fù)制放到VC++的工程目錄下，然后將ADS API文件添加到命令菜單的 “Options” 里， 即通過 “Tools→Options→Directories”進(jìn)行添加，如圖7所示。在VC編制程序時(shí)一定要添加下面的兩個(gè)頭文件：

#include “TcAdsApi.h”

#include “TcAdsDef.h”

▲圖7 添加頭文件程序

▲圖8 添加動(dòng)態(tài)鏈接庫

然后把TcAdsDll.lib庫用到VC++項(xiàng)目中（即添加動(dòng)態(tài)鏈接庫），在VC++工程菜單里選擇 “project→settings→link”，在“Object/libarary modules”的文本框中寫入Tcadsdll.lib，然后點(diǎn)“OK”就可以添加進(jìn)去。如圖8所示。

（3）初始化控制端口：

Nport=AdsPortopen()；

PAddr=&Addr；

nErr=AdsGetLocalAddress(pAddr)；

if(nErr)

MessageBox(“Error：AdsGetLocalAddress”)；

Paddr-＞port=801；//建立連接，這是固定的客戶端口（801）

其中，801端口對應(yīng)的是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的ADS設(shè)備，是對TwinCAT平臺(tái)下PLC模塊的物理地址映射。

4 用戶界面設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)思路，本文通過調(diào)用VC++中的MFC庫函數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易五軸伺服電機(jī)的控制界面，如圖 9所示。TwinCAT工控軟件本身也可以通過其內(nèi)部的PLC模塊對五軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，但其沒有良好的操作界面，并且進(jìn)行程序修改也不方便。本文利用VC++這一編程語言的通用性和強(qiáng)大的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)TwinCAT也為其提供了比較全面的支持，可以將TwinCAT控制五軸運(yùn)動(dòng)的程序封裝在VC++所設(shè)計(jì)用戶窗口之內(nèi)，不僅界面簡潔美觀，減少了編程的工作量，而且也便于添加或刪除一些組件，使其靈活性和開放性更強(qiáng)。

在控制界面中，可以對各根軸輸入相同或不同的轉(zhuǎn)速，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，即可啟動(dòng)電機(jī)，每根軸可根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速值來進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

▲圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制界面

5 結(jié)束語

本文通過對TwinCAT工控平臺(tái)的深入分析，提出將其用于數(shù)控系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的思路，在軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中利用伺服控制卡提供的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了既定的設(shè)計(jì)思路。

［1］ 尹家凡，王孫安.基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2003(2):88-89.

［2］ 周祖德，魏仁選，陳幼平.開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢及對策［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1999，20（2）：81-87.

［3］ Jean V Owen.Opening up Controls Architecture ［J］.Manufacturing Engineering,1995(11):53-60.

［4］ Masahiko Mori,Kazuo Yamazaki,Makoto Fujishima,et al.A Study on Development of an Open Servo System for Intelligent Control of a CNC Machine Tool［J］.Annals of the Col˙ge Internation Pour La Recherche en Productique,2001(1):247～250.

［5］ 盛定高.基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征及優(yōu)勢［J］.機(jī)床電器， 2002（5）.

［6］ 洑平，周建華，陳林，等.基于TwinCAT的純PC型數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化,2011（1）.

［7］ 德國倍福電氣有限公司.TwinCAT PLC編程手冊［Z］.2005.