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一種基于Twin Cat的激光數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2020-7-31 來(lái)源：廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院廣東順德創(chuàng)新作者：熊翌竹，吳本濤，王春政

摘要：設(shè)計(jì)了基于Twin CAT的激光數(shù)控系統(tǒng)，以提高數(shù)控人機(jī)交互平臺(tái)的友好性和可定制性，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的行業(yè)細(xì)分。系統(tǒng)基于Twin CAT提供的ADS通訊組件，采用.NET平臺(tái)進(jìn)行邏輯業(yè)務(wù)編碼和界面搭建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC和CNC控制器的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，系統(tǒng)配置靈活，人機(jī)交互強(qiáng)，可以很好地運(yùn)用于激光數(shù)控的工件加工操作.

關(guān)鍵詞：Twin CAT；.NET；數(shù)控系統(tǒng)

0 、引言

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱[1]，英文名稱為Numerical Control System，它是一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配置有伺服驅(qū)動(dòng)裝置[2]。通常用來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行位置、角度等量的動(dòng)作控制[3]。

Twin CAT 數(shù)控系統(tǒng)采用開(kāi)放式 CNC 編程理念。它具有全模塊化的軟件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)的配置系統(tǒng)，能夠兼容各種軟硬件平臺(tái)。提供了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議組件，并支持各種高級(jí)編程語(yǔ)言。這使機(jī)械制造商和用戶可以方便地基于此平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的應(yīng)用軟件，以進(jìn)行行業(yè)區(qū)分。本文涉及的研發(fā)項(xiàng)目便是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，主要側(cè)重高功率激光加工控制做智能化、專業(yè)化功能開(kāi)發(fā)。本文基于 Twin CAT 平臺(tái)主要講述上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 、Twin CAT框架簡(jiǎn)介

Twin CAT （The Windows Control and Automa?tion Technology)，基于 Windows 的控制和自動(dòng)化技術(shù)） [4]，主要由PLC、NC、Windows 應(yīng)用程序等各個(gè)軟件模塊組成，各個(gè)模塊配置有地址和端口。在此框架上各個(gè)軟件模塊都是 Twin CAT 的一個(gè)獨(dú)立通訊節(jié)點(diǎn)，相互之間通過(guò)基于 ADS 通訊協(xié)議的信息路由器進(jìn)行模塊間的數(shù)據(jù)和信息交互。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，激光數(shù)控系統(tǒng) HMI 直接與 PLC 交互，通過(guò) PLC 間接控制 CNC，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，主要體現(xiàn)人機(jī)交互和界面簡(jiǎn)潔可操作。主要需要實(shí)現(xiàn)CNC軸移動(dòng)、倍率控制、圖形顯示、工藝參數(shù)配置、事項(xiàng)信息顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等功能，并同時(shí)考慮界面靈活配置，人員權(quán)限配置等功能。

Twin CAT 已經(jīng)與微軟 VS Studio 無(wú)縫集成，對(duì)開(kāi)發(fā)支持更加便捷和成熟，技術(shù)平臺(tái)上選用.NET平臺(tái)，基于VS2015開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。

其中 ADS 通訊層為 Twin CAT 框架中的路由層，可供 TWin CAT 框架中 PLC、CNC 實(shí)時(shí)系統(tǒng)、HMI 等節(jié)點(diǎn)接入，各節(jié)點(diǎn)通過(guò) ADS 通訊協(xié)議進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)也作為其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)依靠 ADS 動(dòng)

態(tài)庫(kù)組件進(jìn)行接入，在.NET平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)邏輯，與PLC和NC實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互。通過(guò) Twin CAT ADS 訪問(wèn) PLC 變量首先要跟地址建立連接。有地址和變量名兩種方式。其中地址方式是指通過(guò) Group Index 和 Offset Index 組合的地址訪問(wèn) PLC 變量。

Group Index 一般用于區(qū)別寄存器類型，為常量，Offset Index 為變量的偏移地址，即表示 PLC 變量的地址。變量名方式是指在ADS 設(shè)備中每個(gè)變量都有一個(gè)句柄，本項(xiàng)目中與PLC 變量的交互主要采用后者實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

各功能模塊都需要通過(guò) ADS 與 PLC 和 NC 實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，只是有些模塊是下發(fā)設(shè)置數(shù)據(jù)，有些則是召測(cè)顯示數(shù)據(jù)。添加對(duì) Twin CAT.Ads.dll 模塊引用，建立 Tc Ads Nc Server

和 Tc Ad?s Plc Server 對(duì)象，采用注冊(cè)事件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種控制器狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和操作模式識(shí)別，并對(duì)接收的消息進(jìn)行自定義處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖2。

部分消息注冊(cè)處理接口定義如下：

與PLC交互的收發(fā)函數(shù)接口定義如下：

最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主界面如圖3。

圖3 系統(tǒng)主界面

3 、結(jié)束語(yǔ)

Beckhoff Twin CAT 系統(tǒng)軟件可通過(guò)多 PLC 系統(tǒng)、NC 軸控制系統(tǒng)、編程環(huán)境和操作站，將任何兼容 PC“改造”成為一臺(tái)實(shí)時(shí)控制器。本文基于Twin CAT 搭建的激光數(shù)控系統(tǒng)，配置靈活，人機(jī)交互強(qiáng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，可以很好地運(yùn)用于激光數(shù)控的工件加工操作。

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