1、0自动化新技术运动控制入门教程Version 1.00 毕孚自动化设备贸易（上海）有限公司2015 年 1 月1目录一 TwinCAT NC PTP 系统介绍 1二 SYSTEM MANAGER 中 AX5000 的配置 .4三 Plc control 编程控制电机 .16四 电子凸轮 .29五 通用飞锯 .39六 NCI 功能使用说明 .432一 TwinCAT NC PTP 系统介绍TwinCAT NC PTP是Beckhoff公司的运动控制软件的名称，从字面来看，TwinCAT 是“The Windows Control and Automation Technology”的缩写，即基于
2、Windows 操作系统的自动化控制技术，而NC PTP是“Numerical Control Point To Point”的缩写，NC （Numerical Control）是自控领域的一个专业术语，类似MC（Motion Control）,也指运动控制， NC PTP就是点对点的运动控制。TwinCAT NC 是基于 PC 的纯软件的运动控制，它的功能与传统的运动控制模块、运动控制卡类似。由于 TwinCAT NC 与 PLC 运行在同一个 CPU 上，运动控制和逻辑控制之间的数据交换更直接、快速，因此 TwinCAT NC 比传统的运动控制器更加灵活和强大。TWINCAT NC 的另一
3、个特点是完全独立于硬件，用户可以选择不同厂家的驱动器和电机，而控制程序不变。程序的运动控制指令集遵循 PLC OPEN 组织关于运动控制功能块的定义规范 V1.0 和V2.0。TwinCAT NC 有 PTP 和 NC I 两个级别， PTP 即点对点控制方式，可控制单轴定位或者定速，也可以实现两轴之间的电子齿轮、电子凸轮同步。在此基础上，Beckhoff 还提供Dancer Control（张力控制） 、 Flying Saw（飞锯） 、FIFO（先入先出）等多轴联动方式。此外，用户还可以在 PLC 程序中编写位置发生器，每个 PLC 周期都计算目标位置、速度和加速度，并发送给 TwinCA
4、T NC 去执行。而 TwinCAT NC I 除了能够实现 TwinCAT NC PTP 的所有功能之外，还可以执行 G 代码，实现多轴之间的直线、圆弧和空间螺旋插补。1 TwinCAT NC PTP与TwinCAT PLC的关系TwinCAT NC PTP把一个电机的运动控制分为三层：PLC轴、NC轴和物理轴。PLC 程序中定义的轴变量，叫做 PLC 轴。在 NC 配置界面定义的 AXIS，叫做 NC 轴，在IO 配置中扫描或者添加的运动执行和位置反馈的硬件，叫做物理轴。它们的关系如图所示：3由图可见，PLC程序对电机的控制，必须经过两个环节：PLC 轴到NC轴；NC轴再到物理轴。PLC轴
5、的控制，是指PLC 程序中编程，调用运动控制库的功能块。NC轴不需要编程，它的运算分为轨迹规划、PID运算和IO接口处理。其中轨迹规划和PID运算是固定的，与硬件无关。IO 接口处理随接口类型而不同。这些运算都在后台进行，用户只需要进行参数设置。这些参数可以固化在TwinCAT System Manager配置文件中，也可以在PLC程序中通过ADS指令读写。物理轴，指驱动器、电机和编码器。物理轴的配置，主是要驱动器的设置。在驱动器中，要配置好正确型号的电机、编码器、电子齿轮比，还要调整位置环、速度环、电流环的 PID 参 数。如果是总线接口，还要设置好接口变量和通讯参数。TwinCAT NC
6、做轨迹规划，是指接收到 PLC 指令以某个速度运动到某个位置后，计算出每个 NC 周期（比如：2ms）伺服轴应该到达的位置。IO 接口处理，是指根据轴的硬件类型和相应的参数设置，进行单位换算，将 NC 运算得出的目的位置，换算成驱动器可接受的输出变量值。2 TwinCAT NC PTP控制的轴的类型和数量和传统的硬件运动控制器和运动控制卡不同，TwinCAT NC PTP是纯软件的运动控制。理论上，最多可以驱动255个伺服轴。在实际应用中，一个EPC或者PC上运行的TwinCAT NC PTP软件能够控制的伺服轴数量，与PC 或者EPC的CPU速度、内存以及NC 任务的周期有关。图：BECKH
7、OFF 的控制器上运行 TwinCAT NC 的性能对比4TwinCAT NC 支持多种伺服轴类型，下面介绍几种常用类型：总线接口总线接口，又称数字接口，比如Sercos，CanOpen（DS402），Lightbus等。由不同厂家生产的同一种总线协议的伺服驱动器，在TwinCAT NC中视作同一种驱动器。值得一提的是，对于EtherCAT接口的驱动器，其协议层通常使用CanOpen，或者Sercos。在TwinCAT NC中，EtherCAT接口CanOpen协议的驱动器，与CanOpen接口CanOpen协议的驱动器，都视作同一种驱动器。同理，EtherCAT接口Sercos协议的驱动器，
8、与Sercos光纤接口Sercos协议的驱动器，也视作同一种驱动器。紧凑型驱动模块这里主要是指Beckhoff公司的步进电机驱动模块KL2531/2541、EL7031/7041 ，伺服电机驱动模块EL7201 等等。高速脉冲接口TwinCAT NC通过控制脉冲输出模块KL/EL2521 的输出频率，控制伺服驱动器或者步进电机驱动器。同时，TwinCAT NC直接把KL/EL2521 发出的脉冲数量，作为位置反馈信号。模拟量控制TwinCAT NC 通过控制电压输出模块 KL/EL4xxx 的电压，控制伺服驱动器和电机的速度。此时，必须配置编码器模块 KL/EL5xxx 作为位置反馈。3 Tw
9、inCAT NC PTP的控制周期通常说的NC周期，是指轨迹规划和PID运算的周期，是NC与伺服驱动器交换数据的周期，目标位置、当前位置、控制字、状态字都以这个频率更新。在TwinCAT System Manager中，叫做NC Task SAF任务周期，默认值为2ms ，理论上最小设置为50us。当连接硬件运动轴时，以BECKHOFF的伺服驱动器AX5000为例，位置环周期为125us，所以NC周期设置为50us是没有意义的，实际上250us 的NC周期已经是很高端的应用了。5另一个 NC 周期，是 NC 与 PLC 交换数据的周期，比如 NC 轴状态、当前位置、使能信号等等，都是以这个周期
10、刷新的。在 TwinCAT System Manager 中，叫做 NC Task SVB 任务周期，默认值为 10ms，与 PLC 程序中默认的任务周期一致。4 TwinCAT NC PTP的配置、编程、调试在开发PC上安装 TwinCAT时，如果选择TwinCAT NC PTP或者TwinCAT NC I 级别，安装完成后，运行TwinCAT System Manager，左边的树形结构中就包含了TwinCAT NC Configuration这一项。TwinCAT NC任务和轴的配置调试就是在这一项下进行。TwinCAT NC任务的配置主要是设置任务周期，多数情况下，使用默认值即可。Tw
11、inCAT NC轴的配置包括：编码器（Enc）、驱动器（Drive）、NC 控制器（Ctrl）、与PLC的接口（Inputs和Outputs ）。Enc 和Drive 的配置决定了NC轴与哪个驱动器对应，而Inputs和Outputs则决定它对应 PLC程序中的哪一个轴结构型变量。 Ctrl中的设置则决定了PID运算的模型和参数。TwinCAT NC轴的调试，分为单轴点动、指定方式动作和双轴齿轮或凸轮联动。这些动作都可以在TwinCAT System Manager的NC Configuration项下完成，不需要编写任何PLC程序。NC轴调试的目标，是确保电机能够按要求走得准、走得稳，消除单
12、位设置、PID参数、传动机械方面的误差。TwinCAT NC 轴的编程，在 TwinCAT PLC 中通过引用运动控制功能库 TcMC.Lib 或者TcMC2.Lib，并调用其中功能块来实现。实际应用中，必须在 TwinCAT NC 轴调试完成后，才用 PLC 程序控制轴的动作，以达到设备的工艺要求。二 SYSTEM MANAGER 中 AX5000 的配置1. 硬件扫描将培训器材上电后开始扫描硬件，培训室实验器材有两种，一种为：面板PC+IO+AX5000 驱动+电机，简称器材 A，一种为：嵌入式 PC+IO+ AX5000 驱动+ 电机，简称器材 B，两种器材皆有 Beckhoff 的驱动
13、和电机，在扫描硬件的时候会有下图提示， “AX5000设备或 EL72X1 设备已经发现，是否要扫描驱动器所带的电机型号？” ，点击“是”之后，软件会扫描驱动器下面所带的电机，会花一些时间。6然后会提示是否要添加 NC 轴和实际物理轴的链接，点击“是” 。扫描完成后可以在 NC-Configuration 中看到 3 根轴或者 2 根轴，器材 A 由于 IO 中还有EL7041 步进电机模块，因此有 3 根轴，Axis1 对应步进电机，Axis2、Axis3 对应伺服驱动器控制的两台电机，IO-Configuration 中扫描到硬件驱动器 AX5203-0000-0011。2. NC 轴和物
14、理轴的关系可以通过 Axsi1-Settings-Link to 来选择 NC 轴所关联的物理轴，这个链接在扫描硬件的时候自动添加，也可以手动右键 Axes，点击 Append axis 添加轴，将 NC 轴手动链接到物理轴上，这个窗口可以看到 NC 轴和物理轴的对应关系。7展开 I/O Devices 中 AX5203 下的变量，可以看到驱动器下面的变量都已经有关联了，右键其中的一个变量，点击 Goto link variable，可以看到此变量和 NC 轴中的变量链接。NC轴与物理轴就是通过这些变量来交换数据的，每个周期将驱动器的数据读取到 NC 中，NC处理完再将控制命令传给驱动器。11
15、112111311183. AX5000 的配置选中 Drive 4(AX5203-0000-0011)Configuration 选项卡，CHANNEL 下面的 MOTOR AND FEEDBACK，然后点击 Select Motor 来手动添加驱动器所带的电机型号，也可以点击 Scan motor and feedback 来自动获取电机型号， Configuration 是用来对 AX5000 驱动器进行配置的窗口，我们 AX5000 驱动器的配置软件没有额外的软件，直接通过 System manager 软件可以配置，并且不需要专门的电缆，只需要网线即可完成配置，有些电机无法通过自动扫
16、描的方式获取型号，因此只能通过 Select Motor 手动选择电机。点击 select motor 之后，在弹出来的对话框中选择电机的型号111121114 11115 11113 11119选择合适的电机型号之后点击 OK，接下来会提示如下窗口，选择驱动器实际的供电类型，点击 OK。然后会提示是否设置 NC-标度以及一些 NC 的参数，这里可以点击确定或者取消。如果点击确定，那么会提示如下窗口，这里主要是用来设置电机旋转一圈，实际外部机械结构行走的物理量，比如电机带了一个丝杠，如果电机旋转一圈，丝杠移动的位移为20mm，那么就将 20mm 填入 Feed constant 这个参数里面，
17、然后软件会自动根据 Feed constant 这个参数计算出丝杠移动的最大速度，参考速度等参数，点击 SAVE 即可保存，当然也可以不点 SAVE，用软件的默认参数，如果要让这些参数生效，那么一定要激活配置(Activate configuration)。外部机械结构行走的物理量根据 Feed constant 计算外部机械结构的最大移动速度，参考速度等参数10将 CHANNEL B 的电机也选择好之后，然后激活配置 (activate configuration)4. AX5000 通过 system manager 软件调试激活配置后，将 TwinCAT 切换到运行模式，然后点击 NC-
18、configuration，点击 Axis1，点击 Online 选项卡，可以在这里对伺服轴进行调试（注：如果在 online 选项卡里面看不到轴的当前位置，那么请确保前面的电机型号添加以及激活配置等操作是否正常完成）2.激活配置1.将 AX5203 的两通道的电机型号都添加完毕12311点击 SET，手动勾选 Controller，Feed Fw，Feed Bw，并设置 Override（速度比） ，然后点击OK，或者直接点击 ALL 对轴进行使能，自动设置速度比为 100%。使能之后可以看到 Ready 状态会打勾，代表电机已使能，Controller,Feed Fw,Feed Bw 这些
19、状态也会勾上，然后按下 F1 至 F4 即可对电机进行点动操作，按下 F1 点动，放开 F1 电机停止，点动速度在 parameter 选项卡中的 manual velocity 中设置，默认速度为 100mm/s与 600mm/s，分别对应慢速点动和快速点动。点 ALL 即可对轴使能，允许正转，反转，速度比100%F1-F4 皆为点动按钮12设置完 Target Position 和 Target Velocity 后按下 F5，即可实现位置控制，电机会以设定的目标速度走到目标位置，如当前位置 60，目标位置为 500，那么触发 F5 后，电机会从 60 的位置移动到 500，是绝对位置定位
20、，定位的过程中可以使用 F6 停止。当 NC 报错之后，Error 中会有错误代码，需要通过 F8 来对错误进行复位，否则轴无法继续动作，F9 是找原点的按钮，按下 F9 之后，轴位置会变成 99999，并慢速移动，但是找原点的过程中需要一个外部的硬件信号做为原点信号，这个原点信号在 Online 窗口中无法捕捉，因此 F9 按钮一般不用，一般通过程序中编程来实现找原点的功能。绝对位置定位NC 错误复位13通过 Functions 里面的 Set Actual Position 可以修改轴的当前位置，如果将当前位置设置为0，那么当前位置即为原点，此位置在 Twincat 重启之后会丢失，如果是
21、绝对值编码器类型的反馈，那么重启之后以编码器的实际反馈位置为当前位置。FunctionsStart Mode 菜单中有很多对单轴的调试方法，常用的有 Absolute（绝对位置移动） ，Relative （相对位置移动） ，Endless+- （无限正反转） ，Modulo （模值移动） ，Reversing Sequence（往返序列） ，Start/Stop Sequence（启停序列） ，Velo Step Sequence（速度阶跃序列）14选择 Start Mode 为 Reversing Sequence，设置 Target Position1,Target Velocity,Ta
22、rget Position2,Idle Time（到达目标位置之后的等待时间）之后，点击 Start 即可让轴在 Position1和 Position2 之间来回移动。电子齿轮功能（主轴与从轴的速度保持比例关系，从轴跟随主轴移动）：首先将两根伺服轴都使能，然后选中 Axis2，Coupling 选项卡中，Master Axis 选择 Axis 1，Coupling mode 设置为 linear，Coupling Factor 设置为 1，然后点击 Couple 进行耦合，此时看到 Axis2 的Setpoint 变为红色，代表 Axis2 已经作为从轴处于耦合状态，不能单独对 Axis2
23、进行控制了，此时控制 Axis1 轴动作的时候，Axis2 也会跟随动作，速度为 1:1，点击 Decouple 进行解耦，Change Factor 可以修改主从轴之间的速度比。1234155. NC 参数设置在 Parameter 选项卡中需要设置一些 NC 的参数，Reference Velocity 是参考速度，一般为Maximum Velocity 的 110%，Maximum Velocity 是轴的最大速度，Manual Velocity(fast/slow)是点动的高速和慢速，Calibration Velocity 是寻参的速度， Dynamics 展开可设置加减速，Limi
24、t Swtiches 可以设置开启软限位，Monitoring 可以设置跟随误差的监视。Axis1Axis 1_Enc 中的 Parameter 有 Scaling Factor 参数，用来进行定标，此参数比较重要，必须要设置，默认值是 0.0001。Scaling Factor=电机转一圈最终工件移动量 /编码器反馈脉冲数例如：电机转一圈，带动丝杠移动 5mm，AX5000 的编码器反馈为一圈 1048576，那么scaling factor=5/1048576=0.00000476837158203125例如：电机转一圈，带动一个圆形负载移动 360，那么 scaling factor=3
25、60/1048576=0.00034332275390625（注：如用第三方伺服驱动器，那么编码器反馈不再是 1048576，需要根据第三方设备的实际反馈量来进行设置）定标之后，NC 轴的位置和速度都是最终工件的位置和速度，用户可以直接通过 System Manager 或者编程控制最终工件，而不需要关注中间电机的转速和位置。166. 添加第三方 EtherCat 总线的伺服驱动器如果使用 BECKHOFF 的 PC 控制第三方的 EtherCAT 伺服驱动器，那么首先要将对方设备的从站描述文件xml 文件拷贝到 C:TwinCATIoEtherCAT 路径中，然后重启 TwinCat 软件。
26、 当 xml 文件拷贝到对应路径之后，可自动获取到第三方的伺服驱动器，也可以手动添加第三方的伺服驱动器至 System manager 中进行配置。177. 添加第三方厂家的伺服电机如果使用 AX5000 带第三方的伺服电机，并且此伺服电机可以在手动添加窗口中找到，那么选中此电机点击 OK 即可添加。如果在手动添加电机的窗口中找不到此第三方电机，就需要填写“电机参数表” 并提供给BECKHOFF 技术工程师，BECKHOFF 工程师会制作此电机的 xml 文件给客户，客户将此电机文件放至 C:TwinCATIoTcDriveManagerMotorPool 路径中，重启 Twincat 软件即
27、可，此时在手动添加电机的窗口中就可以找到该型号的电机了。 （注：电机参数表需要问 BECKHOFF的工程师索取） 。18三 Plc control 编程控制电机1. 添加运动控制库文件以及轴类型变量新建一个用 ST 语言编程的程序，然后在左下角的 resource 选项卡中，双击 library manager，然后右键空白处点击 additional library，加载一个 TCMC2.LIB 的库文件，也有TCMC.LIB 这个库文件，这个库文件是比较老的项目所用的库文件，这里不推荐新项目使用老的库文件编程。新建两个 Axis_ref 类型的变量， axis_ref 是一个结构体，主要用
28、来做 NC 和 PLC 数据交换用的，内部又嵌套了另外一些结构体，我们将 axis_ref 类型的变量称之为轴类型的变量，另外在程序编写窗口中输入一个“；” ，否则编译会报错。程序写完之后先“另存为”然后再“编译” ，可以将程序保存到桌面或者手动指定一个文件夹，目的是生成一个 TPY 文件来做变量链接。 （注：编译时注意是否有错误，有错误则无法生成 TPY 文件）192. NC 与 PLC 的变量链接回到 system manager 软件，右键 PLC-Configuration，点击 Append PLC Project，找到前面生成的 TPY 文件进行添加。然后将 PLC-Configu
29、ration 中的变量展开，依次右键 MAIN.AXIS1.NCTOPLC, MAIN.AXIS1.PLCTONC, MAIN.AXIS2.NCTOPLC, MAIN.AXIS2.PLCTONC 选择 chang link，将这些变量链接到 NC 轴下面的 Axis1_ToPlc,Axis1_FromPlc,Axis2_ToPlc,Axis2_FromPlc 变量中，NC 和PLC 通过以上的链接交换数据，NC 将驱动器的状态位置反馈给 PLC，PLC 将功能块的控制数据写给 NC。20链接之后激活配置，并将 TwinCAT 重启为运行模式。3. 调用功能块控制轴使能点动回到 Plc cont
30、rol 软件窗口后，点击左下角的 visualization 选项卡，右键空白的地方添加一个 hmi 画面，通过 Hmi 可以对轴进行更方便的调试。选中矩形框并在 HMI 里面拖出一个控件，双击矩形框控件进行设置。将矩形框里面的参数设置如下：Text-Content 里面输入 Axis1:%.2f，%.2f 代表以浮点数的数据类型显示关联变量（Variable-Textdisplay 所指向的变量）的值，并只保留小数点后两位。21Variables 里面的 Textdisplay 中设置所关联的变量，这里选择轴 1 的实际位置。再做一个矩形框控件用来显示轴 2 的实际位置。 程序写好后需要 L
31、ogin，在 login 之前选好目标设置，online-choose runtime system，然后将程序运行起来，选好 runtime 之后可以在 Plc control 下面状态看下所连的目标设备（Target:CX-17A5EC）22Login 之后把程序运行起来即可看到轴 1 和轴 2 的当前位置显示在 HMI 上面。声明两个 MC_POWER 的功能块以及一个 MC_JOG 的功能块， MC_POWER 用来使能，MC_JOG 用来点动。在程序编写窗口中按 F2，在 Local Variable 中选择 power1 点击 OK，将功能块调用到程序里面来，之后用同样的方法在程序
32、中调用 Power2 与 Jog1 功能块。23将功能块里面的参数填写完整，Enable 代表使能触发位，Enable_Positive 代表允许正转，Enable_Negative 代表允许反转， Override 代表速度比，Axis 代表对哪个轴进行操作。JogForward 代表正向点动位，另外再声明两个 bool 类型变量（power_do 和 jog_for）做为使能与点动功能块的触发位。HMI 中加入两个按钮控件，用来对轴进行使能以及点动，第一个按钮关联 MAIN.power_do变量，第二个按钮关联 MAIN.jog_for 变量，两个按钮都选择 Toggle variable
33、 类型（交替按钮） ，在按钮的 text 里面加上标签 Power 与 Jog。首先将 Power 按钮按下，对轴进行使能，可以在 system manager 的 online 窗口查看轴的ready 状态有没有勾选来判断轴是否已经使能上了，然后按下 Jog 即可看到轴在转动，再次24按下 Jog 可以看到轴停止（注：先使能再点动，点动的时候不能撤除使能信号，否则轴会报错）4. 调用功能块控制轴走相对位置声明一个 MC_MoveRelative 功能块对轴进行位置控制，依然是按 F2 在程序编写窗口中调用功能块，然后将对应的参数填写完整，Execute 是功能块触发位，distance 和
34、velocity是移动的距离以及速度，axis 代表控制哪根轴。依然在 hmi 里面新建一个按钮，通过按钮来触发 Mc_MoveRelative 功能块。25将程序 login 并 run，轴使能后按下 MoveRelative 按钮，即可让轴移动 1000 个位置，再次按下 MoveRelative，轴依然移动 1000 个位置。5. 调用功能块控制轴改变当前位置MC_SetPosition 可以设置轴的当前位置，声明功能块后，在编程编写窗口中调用这个功能块，并将功能块的参数填写完整，Position 设置为 0，触发功能块即将当前位置改为原点。HMI 中加入一个按钮用来触发 Mc_SetP
35、osition 功能块。26将程序运行，按下 Set_Pos 按钮之后即可设置轴 1 和轴 2 的当前位置为 0。6. 调用功能块控制轴停止以及复位MC_Stop 对轴进行停止， MC_Reset 对轴进行复位，声明之后在主程序中调用功能块，并将功能块的参数设置好。HMI 里面加入两个按钮，一个对轴进行停止，一个对轴进行复位，当轴动作的时候可以通过 Stop 按钮来停止，当 NC 轴报错的时候可以通过 Reset 来复位。277. 调用功能块控制两轴电子齿轮耦合电子齿轮需要两个功能块，一个是耦合 MC_GearIn,一个是解耦 MC_GearOut，分别将两个功能块调用到主程序中，RatioN
36、umerator 代表从轴的速度， RatioDenominator 代表主轴的速度，如 RatioDenominator 设为 2，RatioNumerator 设为 1，那么主轴速度是从轴的两倍，MASTER 设置哪个轴为主轴， Slave 设置哪个轴为从轴。HMI 中加入两个按钮（Tap variable） ，一个按钮控制耦合，一个按钮控制解耦。28将程序登录进去并运行起来，首先通过 POWER 将两个轴使能，然后按下 GearIn 进行耦合，再按下 Jog 按钮后可以看到两个轴以 1:1 的速度转动，将 Jog 复位后，按下 GearOut 进行解耦。8. 调用功能块控制轴寻参MC_home 功能块可以定位原点， home_do 是功能块的触发位， sensor 是外部接近开关的触发信号，可以用 hmi 的按钮来代替，或者链接到外部输入点，当轴碰到接近开关信号之后，NC 轴的位置变为 Position 参数中设置的值。29Hmi 里面加入两个按钮（ Tap variable） ，分别用来触发 MC_home 功能块以及触发 sensor 信号。HMI 加入一个 Trend 趋势图控件，可以在上面的控件栏中找到 Trend，这里用趋势图来监视轴的速度变化，先将趋势图控件添加到 HMI 中。
