沈陽(yáng)中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司的數(shù)控系統(tǒng)解決方案通過(guò)集成傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、加工過(guò)程和設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。通過(guò)將數(shù)控機(jī)床與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。倍福的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件則是成功實(shí)施數(shù)字化與虛擬化戰(zhàn)略的基石。

　　機(jī)床是制造業(yè)的核心設(shè)備，在國(guó)防、航空航天、汽車制造、能源等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在沈陽(yáng)中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司看來(lái)，機(jī)床的技術(shù)水平和制造能力直接關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力，因此機(jī)床被稱為“國(guó)之重器”。

　　中科數(shù)控正借助倍福 TwinCAT 3 大力推進(jìn)機(jī)床的數(shù)字化與虛擬化進(jìn)程

　01　TwinCAT 助力實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與虛擬化

　　倍福的 TwinCAT 3 軟件是重要的基石。首先，TwinCAT 3 軟件不僅有利于推廣 IEC 61131-3 等標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，遵循客戶一貫的調(diào)試習(xí)慣，更能夠很好地實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)字化和虛擬化。MATLAB® 和 MapleSim 提供了非常人性的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以完成各種復(fù)雜系統(tǒng)的建模，在模型仿真等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在當(dāng)前項(xiàng)目中，通過(guò) TwinCAT 3 Target for FMI，可以在 XAE 開(kāi)發(fā)環(huán)境中無(wú)縫執(zhí)行從 MapleSim 導(dǎo)出的 XAR 模型。TwinCAT 3 NC I 插補(bǔ)的位置指令被輸入至模型，同時(shí)從模型讀回采集到的電壓電流數(shù)據(jù)。TwinCAT 3 ADS 用于在界面中動(dòng)態(tài)顯示機(jī)床運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置。這不僅為硬件在環(huán)（HIL）仿真提供了便利，還能通過(guò)界面脫離實(shí)物的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，從而能夠提前預(yù)判軌跡規(guī)劃是否合理，銑床的加工效率如何等等。

　　中科數(shù)控認(rèn)為，機(jī)床的數(shù)字化與虛擬化首先要依賴一個(gè)開(kāi)放的軟件平臺(tái)。在這方面，TwinCAT 憑借 Visual Studio 成熟的軟件架構(gòu)、強(qiáng)大的編譯環(huán)境以及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)運(yùn)行核，展現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。從項(xiàng)目開(kāi)發(fā)制圖階段開(kāi)始，可通過(guò) TwinCAT 3 XCAD Interface 集成 ECAD 工具，從而輕松將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到 TwinCAT PLC 中，減少軟硬件對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤，提高編程效率。TwinCAT 3 PLC Static Analysis 可以分析源代碼，最大程度減少歧義，提高代碼可利用率。TwinCAT 3 PLC Profiler 能夠分析 PLC 應(yīng)用程序的 Runtime 特性，并識(shí)別哪些調(diào)用和程序段比較耗時(shí)，以便后續(xù)進(jìn)行代碼優(yōu)化。此外，TwinCAT 3 Realtime Monitor 可以精確診斷和優(yōu)化控制器的時(shí)序行為，分析多核多任務(wù)程序運(yùn)行過(guò)程中代碼的執(zhí)行順序和優(yōu)先級(jí)。TwinCAT 3 Scope View 還可用于采集帶精確時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，在 TwinCAT 3 Vision 中組成 XY、YT，甚至 XYZ 圖表，極大地豐富了調(diào)試手段，同時(shí)支持事件驅(qū)動(dòng)的記錄。

　　借助 TwinCAT 3 EtherCAT Simulation，無(wú)需實(shí)際硬件即可實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試。它不僅支持基本的 PDO，對(duì)于 CoE、SoE、AoE，甚至分布式時(shí)鐘，都提供了對(duì)應(yīng)功能。此外，還能模擬故障，用于測(cè)試對(duì)應(yīng)機(jī)制和代碼等。TwinCAT 3 Interface for Inventor® 建立了 TwinCAT 與 3D CAD 系統(tǒng)之間的交互連接，使用戶能夠輕松實(shí)現(xiàn)模型的 3D 仿真。而用于 Simulink®、MATLAB®、Embedded Coder® 以及 MATLAB® 與 Simulink® 的 TwinCAT 3 Target 則能夠?qū)崿F(xiàn)模型在環(huán)、硬件在環(huán)和軟件在環(huán)仿真。

　　C6030 超緊湊型工業(yè) PC 構(gòu)成中科數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)大控制核心

02  基于 EtherCAT 的高性能硬件

　　在此次合作項(xiàng)目中，中科數(shù)控采用 TwinCAT 3 Target for FMI，將 MapSim 軟件生成的機(jī)床軸模型導(dǎo)出到 TwinCAT 3 平臺(tái)中實(shí)時(shí)執(zhí)行。模型采集倍福插補(bǔ)算法的初始位置信息，然后算法內(nèi)部把位置信號(hào)換算成電流電壓信號(hào)。通過(guò)模擬實(shí)際硬件負(fù)載的慣性等，再反算出實(shí)際軸能達(dá)到的實(shí)際速度與位置，然后把這個(gè)實(shí)際位置發(fā)送給另一個(gè)上位軟件，用來(lái)進(jìn)行實(shí)際電機(jī)位置仿真顯示。得益于 ADS 通信協(xié)議及毫秒級(jí)的低延遲特性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)交互。據(jù)中科數(shù)控介紹，這樣就能完美地實(shí)現(xiàn)模型在環(huán)和硬件在環(huán)仿真，然后借助第三方工具實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。此外，新項(xiàng)目中還集成了振動(dòng)傳感器，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)和自主研發(fā)的算法進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)及全生命周期管理。

　　中科數(shù)控在推進(jìn)機(jī)床數(shù)字化與虛擬化進(jìn)程中，不僅依托基于 PC 的控制技術(shù)的集成性與開(kāi)放性，而且還采用了倍福強(qiáng)大且靈活的硬件設(shè)備，得益于其 IT 友好型架構(gòu)，能夠?yàn)闄C(jī)床應(yīng)用開(kāi)發(fā)創(chuàng)新技術(shù)與功能。機(jī)床設(shè)備的軌跡規(guī)劃復(fù)雜多變，對(duì)控制器性能提出了較高要求。此外，數(shù)字化仿真、虛擬化運(yùn)行以及作為機(jī)床數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)的海量數(shù)據(jù)采集、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及全生命周期追蹤需要更強(qiáng)大的性能支撐。

　　在控制核心方面，中科數(shù)控選用了搭載 Intel® Core™ i5 處理器的 C6030 超緊湊型工業(yè) PC。通過(guò)使用 TwinCAT 軟件，還可以充分發(fā)揮控制器強(qiáng)大的多核計(jì)算優(yōu)越性能。中科數(shù)控的實(shí)踐證明，這種配置不僅顯著加快了控制器的處理速度，而且還縮短了伺服軸的控制周期，從而進(jìn)一步提升控制精度。結(jié)合倍福的 EtherCAT XFC 端子模塊，可以實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)周期的超采樣，也可以通過(guò)不依賴于任務(wù)周期的多時(shí)間戳來(lái)精準(zhǔn)控制輸入和輸出模塊。

　　C6030 的 EtherCAT 主站接口可便捷連接高動(dòng)態(tài)、高性價(jià)比的 EtherCAT 伺服驅(qū)動(dòng)器。EtherCAT 還具備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)：通過(guò)使用 EK1100 和 EK1110 等 EtherCAT 耦合器，可組建線性網(wǎng)絡(luò)，而使用 EtherCAT 星型拓?fù)鋽U(kuò)展模塊 EK1122 則能組建星型網(wǎng)絡(luò)。搭配模擬量 EtherCAT 輸入端子模塊 EL3351，可以實(shí)現(xiàn)靈活的靜態(tài)動(dòng)態(tài)稱重以及應(yīng)變測(cè)量。配合 EL3632 模擬量輸入端子模塊，可以支持直接接入 IEPE 振動(dòng)傳感器信號(hào)，集成 2 至 8 mA 的電流源，無(wú)需額外增加變送器。獲取到的數(shù)據(jù)可在 TwinCAT 3 中通過(guò)振動(dòng)分析庫(kù)做頻域、時(shí)域、包絡(luò)圖等處理，由于系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性，也可以使用客戶自己的算法或第三方標(biāo)準(zhǔn)分析庫(kù)進(jìn)行診斷。據(jù)中科數(shù)控介紹，EL3204 和 EL3314 等模擬量測(cè)溫端子模塊可以直接讀取熱電阻與熱電偶信息，并通過(guò)模塊內(nèi)集成的特性曲線換算成高精度的溫度數(shù)據(jù)，助力實(shí)現(xiàn)機(jī)床的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

　　機(jī)床控制測(cè)試平臺(tái)

03  高動(dòng)態(tài)、高精度伺服驅(qū)動(dòng)器

　　中科數(shù)控利用 EtherCAT 豐富的軟硬件產(chǎn)品，可以輕松靈活地進(jìn)行故障診斷與定位。還可以利用倍福基于 PC 和 Windows 系統(tǒng)的軟控制器架構(gòu)的開(kāi)放性，輕松與上級(jí)別調(diào)度系統(tǒng)無(wú)縫交互。無(wú)論是使用 Socket 和 Web 服務(wù)器，還是使用 FTP 或 SMTP，將諸多 IT 概念融入到自動(dòng)化技術(shù)中后，客戶可以自由地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和迭代。

　　機(jī)床設(shè)備對(duì)軸動(dòng)作精度和速度要求很高，倍福的 AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的周期時(shí)間可達(dá)到 62.5 μs。據(jù)中科數(shù)控介紹，這一性能足以滿足控制算法需求。無(wú)論是單通道還是雙通道版本驅(qū)動(dòng)器，每通道最多配備兩路反饋信號(hào)。通過(guò)選配 AX5805 TwinSAFE 驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)卡，可以實(shí)現(xiàn) SLS、SSR 以及 STO 等多種安全的停車方式。對(duì)于停車同步性要求更高的應(yīng)用場(chǎng)景，可以結(jié)合 AX5000 的龍門架功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)于垂直軸，支持選擇內(nèi)置抱閘或外接抱閘；對(duì)于 WeightBalance 配重，也提供對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。用戶還可使用 PID 參數(shù)自整定功能。TwinCAT 3 Bode Plot 工具適合用于分析整個(gè)系統(tǒng)的帶寬和裕度，可通過(guò)輕微可控震蕩發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的共振點(diǎn)，并采用合適頻率的濾波器進(jìn)行抑制。該方法能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定度、增強(qiáng)剛性、減小跟隨誤差，并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

　　X8000 多軸伺服系統(tǒng)主要由電源模塊與多個(gè)軸模塊（或集成軸控的電源模塊）構(gòu)成，也適用于驅(qū)動(dòng)倍福 AM8000 系列伺服電機(jī)。系統(tǒng)還包含支持直流母線的電容模塊以及搭載可將制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)中的 AX8820 通用型能量再生模塊。AX8000 不僅有利于能量的節(jié)約，更有利于提高伺服軸動(dòng)作的效率，降低總體電流消耗，節(jié)省制動(dòng)電阻成本，減少控制柜溫升問(wèn)題并減小電氣柜體積。

　　倍福基于 PC 的控制技術(shù)同樣可實(shí)現(xiàn)無(wú)控制柜自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)：其一，采用 MX-System 可插拔式系統(tǒng)解決方案完全替代傳統(tǒng)控制柜；其二，運(yùn)用由分布式伺服驅(qū)動(dòng)器、供電模塊、配電模塊和耦合模塊組成的 AMP8000 分布式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。后者可替換控制柜內(nèi)的伺服驅(qū)動(dòng)器，從而顯著節(jié)省安裝空間。

　　關(guān)于德國(guó)倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于1980年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場(chǎng)總線組件、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化軟件、無(wú)控制柜解決方案以及工業(yè)圖像解決方案既可作為獨(dú)立的組件使用，也可將它們集成到一個(gè)完整的控制系統(tǒng)中，適用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立40家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及75個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　倍福于1997年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工350人，辦事處遍及國(guó)內(nèi)30座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、煙草機(jī)械、塑料加工、物流輸送、流程工業(yè)以及智能建筑等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于2014年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于PC的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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