沈阳中科数控技术股份有限公司的数控系统解决方案通过集成传感器、数据采集系统以及网络通信技术，对机床运行状态、加工过程和设备状况进行实时监测和数据分析。通过将数控机床与现代信息技术相结合，实现机床的数字化转型。倍福的 TwinCAT 3 自动化软件则是成功实施数字化与虚拟化战略的基石。

　　机床是制造业的核心设备，在国防、航空航天、汽车制造、能源等各个领域都有着广泛的应用。在沈阳中科数控技术股份有限公司看来，机床的技术水平和制造能力直接关系到一个国家的工业竞争力和综合国力，因此机床被称为“国之重器”。

　　中科数控正借助倍福 TwinCAT 3 大力推进机床的数字化与虚拟化进程

　01　TwinCAT 助力实现数字化与虚拟化

　　倍福的 TwinCAT 3 软件是重要的基石。首先，TwinCAT 3 软件不仅有利于推广 IEC 61131-3 等标准编程语言，遵循客户一贯的调试习惯，更能够很好地实现机床的数字化和虚拟化。MATLAB® 和 MapleSim 提供了非常人性的图形化设计环境，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以完成各种复杂系统的建模，在模型仿真等领域应用广泛。在当前项目中，通过 TwinCAT 3 Target for FMI，可以在 XAE 开发环境中无缝执行从 MapleSim 导出的 XAR 模型。TwinCAT 3 NC I 插补的位置指令被输入至模型，同时从模型读回采集到的电压电流数据。TwinCAT 3 ADS 用于在界面中动态显示机床运动的实际位置。这不仅为硬件在环（HIL）仿真提供了便利，还能通过界面脱离实物的情况下实现数字孪生，从而能够提前预判轨迹规划是否合理，铣床的加工效率如何等等。

　　中科数控认为，机床的数字化与虚拟化首先要依赖一个开放的软件平台。在这方面，TwinCAT 凭借 Visual Studio 成熟的软件架构、强大的编译环境以及具有自主知识产权的实时运行核，展现出得天独厚的优势。从项目开发制图阶段开始，可通过 TwinCAT 3 XCAD Interface 集成 ECAD 工具，从而轻松将数据直接导入到 TwinCAT PLC 中，减少软硬件对应错误，提高编程效率。TwinCAT 3 PLC Static Analysis 可以分析源代码，最大程度减少歧义，提高代码可利用率。TwinCAT 3 PLC Profiler 能够分析 PLC 应用程序的 Runtime 特性，并识别哪些调用和程序段比较耗时，以便后续进行代码优化。此外，TwinCAT 3 Realtime Monitor 可以精确诊断和优化控制器的时序行为，分析多核多任务程序运行过程中代码的执行顺序和优先级。TwinCAT 3 Scope View 还可用于采集带精确时间戳的数据，在 TwinCAT 3 Vision 中组成 XY、YT，甚至 XYZ 图表，极大地丰富了调试手段，同时支持事件驱动的记录。

　　借助 TwinCAT 3 EtherCAT Simulation，无需实际硬件即可实现虚拟调试。它不仅支持基本的 PDO，对于 CoE、SoE、AoE，甚至分布式时钟，都提供了对应功能。此外，还能模拟故障，用于测试对应机制和代码等。TwinCAT 3 Interface for Inventor® 建立了 TwinCAT 与 3D CAD 系统之间的交互连接，使用户能够轻松实现模型的 3D 仿真。而用于 Simulink®、MATLAB®、Embedded Coder® 以及 MATLAB® 与 Simulink® 的 TwinCAT 3 Target 则能够实现模型在环、硬件在环和软件在环仿真。

　　C6030 超紧凑型工业 PC 构成中科数控机床的强大控制核心

02  基于 EtherCAT 的高性能硬件

　　在此次合作项目中，中科数控采用 TwinCAT 3 Target for FMI，将 MapSim 软件生成的机床轴模型导出到 TwinCAT 3 平台中实时执行。模型采集倍福插补算法的初始位置信息，然后算法内部把位置信号换算成电流电压信号。通过模拟实际硬件负载的惯性等，再反算出实际轴能达到的实际速度与位置，然后把这个实际位置发送给另一个上位软件，用来进行实际电机位置仿真显示。得益于 ADS 通信协议及毫秒级的低延迟特性，系统实现了高速数据交互。据中科数控介绍，这样就能完美地实现模型在环和硬件在环仿真，然后借助第三方工具实现数字孪生。此外，新项目中还集成了振动传感器，通过传感器数据和自主研发的算法进行预测性维护及全生命周期管理。

　　中科数控在推进机床数字化与虚拟化进程中，不仅依托基于 PC 的控制技术的集成性与开放性，而且还采用了倍福强大且灵活的硬件设备，得益于其 IT 友好型架构，能够为机床应用开发创新技术与功能。机床设备的轨迹规划复杂多变，对控制器性能提出了较高要求。此外，数字化仿真、虚拟化运行以及作为机床数据分析基础的海量数据采集、预测性维护以及全生命周期追踪需要更强大的性能支撑。

　　在控制核心方面，中科数控选用了搭载 Intel® Core™ i5 处理器的 C6030 超紧凑型工业 PC。通过使用 TwinCAT 软件，还可以充分发挥控制器强大的多核计算优越性能。中科数控的实践证明，这种配置不仅显著加快了控制器的处理速度，而且还缩短了伺服轴的控制周期，从而进一步提升控制精度。结合倍福的 EtherCAT XFC 端子模块，可以实现基于任务周期的超采样，也可以通过不依赖于任务周期的多时间戳来精准控制输入和输出模块。

　　C6030 的 EtherCAT 主站接口可便捷连接高动态、高性价比的 EtherCAT 伺服驱动器。EtherCAT 还具备拓扑结构灵活的特点：通过使用 EK1100 和 EK1110 等 EtherCAT 耦合器，可组建线性网络，而使用 EtherCAT 星型拓扑扩展模块 EK1122 则能组建星型网络。搭配模拟量 EtherCAT 输入端子模块 EL3351，可以实现灵活的静态动态称重以及应变测量。配合 EL3632 模拟量输入端子模块，可以支持直接接入 IEPE 振动传感器信号，集成 2 至 8 mA 的电流源，无需额外增加变送器。获取到的数据可在 TwinCAT 3 中通过振动分析库做频域、时域、包络图等处理，由于系统具有良好的开放性，也可以使用客户自己的算法或第三方标准分析库进行诊断。据中科数控介绍，EL3204 和 EL3314 等模拟量测温端子模块可以直接读取热电阻与热电偶信息，并通过模块内集成的特性曲线换算成高精度的温度数据，助力实现机床的预测性维护。

　　机床控制测试平台

03  高动态、高精度伺服驱动器

　　中科数控利用 EtherCAT 丰富的软硬件产品，可以轻松灵活地进行故障诊断与定位。还可以利用倍福基于 PC 和 Windows 系统的软控制器架构的开放性，轻松与上级别调度系统无缝交互。无论是使用 Socket 和 Web 服务器，还是使用 FTP 或 SMTP，将诸多 IT 概念融入到自动化技术中后，客户可以自由地实现系统的扩展和迭代。

　　机床设备对轴动作精度和速度要求很高，倍福的 AX5000 伺服驱动器的位置环、速度环和电流环的周期时间可达到 62.5 μs。据中科数控介绍，这一性能足以满足控制算法需求。无论是单通道还是双通道版本驱动器，每通道最多配备两路反馈信号。通过选配 AX5805 TwinSAFE 驱动器选项卡，可以实现 SLS、SSR 以及 STO 等多种安全的停车方式。对于停车同步性要求更高的应用场景，可以结合 AX5000 的龙门架功能来实现。

　　对于垂直轴，支持选择内置抱闸或外接抱闸；对于 WeightBalance 配重，也提供对应的参数设置。用户还可使用 PID 参数自整定功能。TwinCAT 3 Bode Plot 工具适合用于分析整个系统的带宽和裕度，可通过轻微可控震荡发现整个系统的共振点，并采用合适频率的滤波器进行抑制。该方法能有效提高系统稳定度、增强刚性、减小跟随误差，并延长设备使用寿命。

　　X8000 多轴伺服系统主要由电源模块与多个轴模块（或集成轴控的电源模块）构成，也适用于驱动倍福 AM8000 系列伺服电机。系统还包含支持直流母线的电容模块以及搭载可将制动能量回馈到电网中的 AX8820 通用型能量再生模块。AX8000 不仅有利于能量的节约，更有利于提高伺服轴动作的效率，降低总体电流消耗，节省制动电阻成本，减少控制柜温升问题并减小电气柜体积。

　　倍福基于 PC 的控制技术同样可实现无控制柜自动化的发展趋势：其一，采用 MX-System 可插拔式系统解决方案完全替代传统控制柜；其二，运用由分布式伺服驱动器、供电模块、配电模块和耦合模块组成的 AMP8000 分布式伺服驱动系统。后者可替换控制柜内的伺服驱动器，从而显著节省安装空间。

　　关于德国倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家专注于自动化新技术的德资企业，创立于1980年，总部位于德国威尔市。作为全球自动化技术的驱动者，倍福定义了自动化领域的许多标准，是国际标准的制定者和推动者。公司所生产的工业 PC、I/O 和现场总线组件、驱动技术、自动化软件、无控制柜解决方案以及工业图像解决方案既可作为独立的组件使用，也可将它们集成到一个完整的控制系统中，适用于各个行业领域。经过40多年的发展和努力，倍福已在世界各地设立40家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及75个国家和地区。

　　倍福于1997年进入中国市场，中国区总部落户于上海市北高新产业园区，现有员工350人，办事处遍及国内30座大中城市。创新产品和解决方案广泛应用于半导体、光伏太阳能、风力发电、锂电池制造、电子制造、汽车制造、机器人、数控机床、包装机械、烟草机械、塑料加工、物流输送、流程工业以及智能建筑等众多领域。

　　公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网于2014年成为中国国家推荐性标准，并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。作为一家技术驱动型公司，倍福一直注重在技术上寻求突破创新，在业内享有“创新引擎”的美誉。倍福基于PC的控制技术具有良好的开放性，它支持所有主流的工业通信协议，将IT技术、互联网和自动化技术完美融合在一起，为实现工业 4.0 和智能制造奠定了坚实的技术基础。

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