梁成颂
广州数控设备有限公司 510530
摘要：BTCNC系统将模块化的软件平台和建立于标准而通用的硬件平台进行了组建。同时遵循OMAC API协议，使用了能即插即用的模块接口。本文在原有技术的基础上，对开放式数控系统平台进行了设备分析，从开发平台选择、实时性设计、功能模块划分三个方面入手，进行了整体的系统规划，最后验证了数控系统的可靠性与开放性满足要求。
关键词：开放式数控系统；实时性；任务优先级；TwinCAT
前言：数控技术是一个国家自动化工业发展的基础技术，完备的数控技术也能展现国家制造业的高水平。由于数控技术的封闭性，导致国家与国家间的相关技术不能相互兼容，难以共同开展工作，影响了整个系统的集成、维护与拓展，产生了诸多不利影响。封闭的系统以及不同的操作模式导致了机床厂与用户十分依赖系统厂商制定的控制使用方式。为了解决这些问题，相关技术人员提出了开放性数控系统的概念。
一、系统平台的总体设计
开放性数控系统有着扩展性高以及可移植性强的特点，开发人员进行在此基础上满足生产工艺要求的数控系统的开发时效率会更高。基于开放式数控系统的概念设想，国内外相关人员进行了深入的研究分析，提出了基于数字伺服现场总线、基于Linux的嵌入式以及基于组件的对象模型等各种模式，但这些模式的工作结构都不相同，相互之间也不能进行良好的移植互换。在此基础上，相关研究人员继续对开放式数控系统进行了开发设计工作，设计了较为完备的BTCNC系统平台。
1.1软件平台开发方案
开放式数控系统的开发平台根据软硬件结构的不同分为三种结构形式，此处选择纯PC型作为开发平台。
TwinCAT是基于PC技术的工业控制软件，由德国某公司开发，集成于Microsuft Visual Studio平台，使用了符合IEC61131-3国际标准的编程语言，在此基础上，技术人员进行编程时可以使用面向对象的技术，同时程序的可复用性更强、可读性更高。
TwinCAT软件具有Runtime内核、C/C++编程、PLC编程平台以及配置诊断平台等模块，具有较高的开放性，功能块虽然用不同的语言编写，但是可以保证功能块之间交换数据和相互调用的可操作性。同时，在环境中进行了对软硬件进行组态的TwinCAT System Manager的继承，从而对项目进行编写、配置、诊断与调试时只需用一个软件进行操作，技术人员的开发会更有效率。
1.2硬件平台的设计方案
不仅仅是对软件本身，数控系统的开放性在硬件设备也有着一定的要求。系统的开放性以硬件平台的开放性为基础，保证用户在硬件平台上进行添加或删除设备，同时在软件平台上进行添加或删除时不会影响到系统整体的工作。除了开放性，硬件系统也应具有一定的易连接性与实时性。
二、实现BTCNC系统的关键技术
整个软件是集成了.NET平台和TwinCAT，并在Microsoft Visual Studio中进行开发的。TwinCAT PLC为实时核，用于内部算法实现部分的编写，C#为非实时核，用于进行人机界面的编写并发出请求。
2.1 BTCNC系统的控制器技术
在传统的控制系统中，NC和PLC与PC分离，首先进行的是I/O和驱动的指令向PLC和NC传输，然后以PLC和NC作为协处理器卡的TwinCAT软件将其集成至PC中，I/O驱动与模块直接同IPC进行连接，提高了系统开发的灵活性和效率。
相关研究人员对不同CPU配置的TwinCAT与传统控制器处理1000条PLC命令所需的时间进行了对比研究，结果显示BTCNC系统进行运算所花费的时间比传统控制器更短，保证了系统处理大量程序时的高效率。
2.2 BTCNC系统的模块化设计
开放式数控系统的基本特征中，模块化是构成控制器产品的可重用基本单元，在开发初期要注重对各个模块的功能化进行有效的设计。在模块划分方面，要充分考虑模块的独立性，同时注意划分的大小需适中，防止出现交互复杂或可重用性差的问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在对BTCNC系统进行模块化设计的过程中，采用的是面向对象的方法，根据功能分类方式进行了合理的分解组合，分为了以下几个基本功能模块作为系统的基础框架。
2.2.1人机接口：在.NET平台上进行编写，进行人机交互的工作，主要进行发出命令，显示内部模块刀轨、状态和诊断信息的工作。
2.2.2任务协调器：任务协调器受到BTCNC开发平台的结构限制，整个模块分为负责算法实现部分的任务协调和调度以及用于界面发出任务的分配和识别两部分，分别在TwinCAT和.NET上进行编写。
2.2.3任务生成器：在.NET平台上进行编写，对数控加工程序进行语法检查与译码。
2.2.4轴组模块：在TwinCAT PLC平台上进行编写，作为系统的核心模块，将结果传递给轴模块。
2.2.5辅助功能模块：主要进行一些手动功能的辅工作。
2.2.6轴模块：无需编写，可以在TwinCAT Motion中手动生成与外部执行待援相对应连接的虚拟轴。此模块处于系统最末端，执行将轴组模块输出的信息传递给外部执行单元的工作。
2.2.7控制规律：用于结果输出的精确性与合理性，是对伺服控制规律的计算。
BTCNC系统遵循OMAC的模块设计体系，以上述7个模块为基础来建立系统的基本框架。OMAC体系没有指定某一结构，与软件硬件平台也没关联，且对进行工作的操作系统要求较低。OMAC API为模块化接口设计协议，包含了不同类型与大小的插件：任务、模块、构建等，每个构建通过接口与外界进行数据交换。
模块之间使用客户机/服务器的模式进行通讯：客户机向服务器发布一个请求，申请一个调用方法并执行相关的操作。在BTCNC系统中，服务器为TwinCAT，客户机为HMI（人机交互界面）。
2.3 BTCNC系统的实时性设计
数控系统的实时性要求非常高，因为实时性的强弱会很大程度的影响加工时刀具的寿命与加工成品的质量。基于PC的数控系统的操作系统也需要与数控系统有着一致性，保证实时性的统一。目前常用的实时操作系统有：嵌入式操作系统、DOS操作系统、Windows实时扩展操作系统以及基于Linux的实时操作系统。开发BTCNC系统的TwinCAT属于Windows实时扩展操作系统。TwinCAT具有一个开放性的实时内核，与现在绝大多数高速高精度的数控系统的采样周期和插补周期相比时间更短，可以达到50us的最小周期，并能使用任何一台相兼容的PC作为实时控制设备，完全能实现BTCNC的开发要求。用户在使用BTCNC系统平台时，可以根据算法复杂程度以及精度的要求，在TwinCAT上调节循环周期。若不进行调节，默认采样与插补周期为1ms。
BTCNC系统平台的硬件设备使用了能快速进行数据采集的I/O端子，以及EtherCAT现场总线，EtherCAT是一种采用分布式时钟的方式同步节点的实时以太网总线，具体工作机制为降低第一个具有分布式时钟功能的从站设备的时间周期性地传递给系统中的其它设备。基于上述工作机制，EtherCAT总线能提供纳米级的精度并保证系统抖动远小于1us。由上述可知，BTCNC系统平台能在软硬件两方面都保证高实时性，为工业自动化打下基础。
三、实验系统构建与验证
本次实验主要使用设备有工控机、I/O模块、伺服驱动、电机、EtherCAT总线，来进行曲面加工，以验证系统加工的可靠性。本次实验使用BTCNC进行零件的加工，最终产品为一个半球形的曲面。经过对加工过程的观察以及对产品的检测，整个过程走刀平稳，加速度保持在设定值以内，并且成品零件表面符合要求。
结束语：通过研究分析，BTCNC系统的优点主要有：（1）能快速进行包括译码算法、加减速控制算法以及插补算法在内的各种算法有效性的验证；（2）具有良好的可读性与可移植性，保证了BTCNC模块在功能集成方面的质量；（3）在精度满足要求的情况下，有较为理想的可靠性与实时性。
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论文作者:梁成颂
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/5
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