基于BECKHOFF+TwinCAT的开放式数控系统软件开发

硕士学位论文

基于BECKHOFF TwinCAT的开放式

数控系统软件开发

RESEARCH ON THE SOFTWARE OF OPEN CNC SYSTEM BASED ON

BECKHOFF TWINCAT

史小磊

哈尔滨工业大学

2011年6月

国内图书分类号：TH164 学校代码：10213国际图书分类号：621 密级：公开

工学硕士学位论文

基于BECKHOFF TwinCAT的开放式

数控系统软件开发

硕士研究生：史小磊

导 师：付云忠 副教授

申请学位：工学硕士

学科：机械制造及其自动化

所在单位：机电工程学院

答辩日期：2011年6月

授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index：TH164 School code：10213 U.D.C：621 Classification：publicity

Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON THE SOFTWARE OF OPEN CNC SYSTEM BASED ON

BECKHOFF TWINCAT

Candidate：Shi Xiaolei

Supervisor：Fu Yunzhong

Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechanical Manufacturing and

Automation

Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：June, 2011

Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology

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摘要

开放式数控系统以其开放化、通用性以及彼此兼容等特点，解决了传统数控系统封闭性的问题，很好地适应了现代制造业中小批量生产的需求，已经成为现代数控系统发展的重要方向。

本文分析了基于PC的开放式数控系统的三种基本结构形式，并结合当前实验室的条件，采用了“PC+运动控制器”的结构方案。运动控制器采用德国BECKHOFF嵌入式计算机及其组件，在硬件结构基础上进行开放式数控系统软件开发。根据对实时性要求的不同，开放式数控软件可划分为两部分：上位机软件和下位机软件。

下位机软件部分实时性较强，实现实时控制功能，也称下位机控制软件，主要在TwinCAT环境下开发，包括模式选择模块、程序预处理模块、译码模块以及插补运算模块等。模式选择模块为本次软件开发的核心，根据需要共设计三种运行模式：自动插补模式、MDI模式和点动模式。

上位机软件部分实时性较弱，主要完成非实时控制功能，也成上位机管理软件，主要是利用VC++软件开发，包括初始化模块、程序编辑模块及通讯模块等。初始化模块主要负责完成通讯端口及通讯参数的初始化；程序编辑模块主要完成程序的编写、存储及下载等功能；通讯模块则借助于添加的动态链接库TcAdsDll 实现与下位机软件实时通讯。

软件开发基本完成后，可在TwinCAT System Manager提供的虚拟运行环境下进行测试，对不合理之处进行修改。由于虚拟环境与实际运行环境有一定偏差，因此有必要进行实验验证。实验部分主要是验证开放式数控软件的运动控制功能和轨迹控制功能，判断软件是否能够执行基本的插补控制。虚拟运行测试与实验相结合，共同验证软件控制的可行性。

关键词：开放式数控系统；上位机软件；下位机软件；TwinCAT；轨迹控制

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Abstract

With the characteristic of opening, universal and compatible with each other, the open CNC system has solved the closed issues of traditional CNC system, well adapted to the needs of medium and small batch in modern manufacturing and become an important direction of modern CNC system.

This paper analyzed three basic structural forms of the open CNC system based on PC, and used the structure of “PC + the motion controller”. The software development of open CNC system was carried out based on Motion controller and other hardware components, which were Germany BECKHOFF embedded computer. According to the different requirements of real-time, the software of open CNC system can be divided into two parts: the PC software and the lower position machine software.

The lower position machine software, also known as lower computer control software, had stronger real-time, achieved the real-time control functions and was developed by TwinCAT PLC. It consisted of the operation selection module, program preprocessing module, decoding module and interpolation operations module. The operation selection module was the core of software development, and was designed to three modes: Automatic interpolation mode, MDI mode and Jog mode.

The PC software, also known as PC management software, had weaker real-time and mainly completed non-real-time control function. It was developed by VC++ software, which included the initialization module, program editing module and communication module. The initialization module mainly accomplished initialization of communication port and parameters. Program editing module achieved the programing, storage and downloading functions. Communication module completed communication function with lower software by adding the dynamic link library TcAdsDll.

After the completion of software development, it can be tested in a virtual operating environment provided by TwinCAT System Manager and modified for unreasonable functions. As the deviation between the virtual environment and the actual operating environment, it was necessary to take experiments. The experiment mainly verified motion control function and trajectory control function of open CNC software, to determine whether the software can perform basic interpolation control. Virtual operation test and experiment were combined for verifying the feasibility of the software control.

Keywords:open CNC system, the PC software, the lower position machine software, TwinCAT, trajectory control

- II -

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目录

摘要..................................................................................................................................I Abstract...............................................................................................................................II

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.1.1 开放式数控系统的产生背景 (1)

1.1.2 开放式数控系统的优势 (2)

1.2 开放式数控系统的研究现状及发展趋势 (2)

1.2.1 数控系统的发展历程 (2)

1.2.2 开放式数控系统的研究现状 (3)

1.2.3 开放式数控系统的发展趋势 (5)

1.3 开放式数控系统体系结构的划分 (6)

1.4 本文主要研究目的和研究内容 (7)

第2章开放式数控软件开发的理论基础及总体设计 (9)

2.1 开放式数控软件的功能要求 (9)

2.2 开放式数控软件开发的总体思想 (9)

2.2.1 软件开发的指导思想 (9)

2.2.2 软件开发的基本原则 (10)

2.3 基于TwinCAT环境的开放式数控软件开发的总体设计方案 (10)

2.3.1 数控软件功能模块的划分 (10)

2.3.2 基于TwinCAT环境的数控软件开发的设计方案 (11)

2.4 本章小结 (13)

第3章基于TwinCAT环境的下位机控制软件开发 (14)

3.1 基于TwinCAT的下位机控制软件开发介绍 (14)

3.1.1 下位机控制软件功能模块的划分 (14)

3.1.2 下位机软件的开发平台 (15)

3.2 基于TwinCAT的下位机软件基本功能开发 (17)

3.2.1 自动插补模式开发 (17)

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3.2.2 MDI模式开发 (19)

3.2.3 点动模式开发 (21)

3.2.4 辅助控制功能开发 (23)

3.3 基于TwinCAT的译码模块的功能完善 (24)

3.3.1 译码模块介绍 (24)

3.3.2 译码模块功能补充 (25)

3.4 基于TwinCAT的下位机软件虚拟测试 (28)

3.4.1 下位机软件虚拟运行环境的配置 (28)

3.4.2 下位机控制软件运行调试 (29)

3.5 本章小结 (30)

第4章基于VC++的上位机管理软件开发 (31)

4.1 基于VC++的上位机软件开发介绍 (31)

4.1.1 上位机管理软件功能模块的划分 (31)

4.1.2 上位机管理软件的开发工具 (32)

4.2 VC++与TwinCAT自动化软件通讯接口的实现 (33)

4.2.1 专用接口文件 (33)

4.2.2 通讯接口实现 (33)

4.3 基于VC++的上位机管理软件核心模块开发 (34)

4.3.1 初始化模块开发 (34)

4.3.2 上位机管理软件功能模块开发 (35)

4.4 基于VC++的上位机软件运行调试 (36)

4.4.1 上位机软件功能测试 (36)

4.4.2 测试结果分析 (38)

4.5 本章小结 (39)

第5章基于TwinCAT的开放式数控软件实验研究 (40)

5.1 实验方案 (40)

5.2 运动控制实验 (40)

5.2.1 实验硬件组件 (40)

5.2.2 运动控制验证 (43)

5.3 轨迹控制实验 (45)

5.3.1 轨迹控制的实验设计 (45)

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5.3.2 数据采集程序的设计 (46)

5.3.3 数据采集与处理 (46)

5.3.4 实验结果分析 (50)

5.4 本章小结 (50)

结论 (51)

参考文献 (52)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (55)

致谢 (56)

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第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1开放式数控系统的产生背景

随着制造业的不断发展，中小批量生产在现代生产中所占的比重不断上升，这就对机床的通用性和柔性提出了很高的要求，希望机床实现配置灵活、功能扩展简单并且基于一致的规范要求，能够满足用户多样化的需求，针对不同产品能够实现多种加工工艺。但是长期以来，占据制造业大部分市场的FANUC、SIEMENS、FAGOR等传统的数控系统则是一种专用的封闭体系的数控系统，其软硬件模块均由厂家自行设计，彼此互不兼容，各模块间的通讯方式和功能扩展方式也互不相同[1]。虽然这类数控系统结构简单、生产成本相对较低，但由于其封闭性，彼此之间互不兼容，用户基本不可能在原有系统基础上进行新功能的扩展和控制算法的改进，不能根据自身需要作相应配置，显然不能满足当前制造业的迫切需求和用户个性化的需要，更不能满足现代制造业向信息化、敏捷化方向发展的需要。计算机技术的飞速发展，极大地推动了数控系统的更新换代，这种封闭式数控系统的局限性也显得日趋明显。开放式数控系统以其开放性、一致性以及彼此兼容等特点，可以很好地解决传统数控系统面临的难题，适应现代制造业的需求[2]。在开放的体系结构上，用户可以根据需要扩展新的功能，进行原有算法的优化与改进，而不必重新设计系统的软件和硬件，极大的方便用户的需求。

目前关于开放式数控系统体系结构还没有统一、明确的概念，但对其应具备的基本特征的要求是一致的。

IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers)定义的开放式数控系统[3]为：“开放式数控系统应该具有以下功能：能够在不同供应商提供的多种平台上运行，支持与其他应用系统相互操作，并能够给用户提供统一风格的交互方式，即开放式数控系统应具备可移植性、可互操作性和一致性。”

OSACA (Open System Architecture for Control within Automation System)提出的开放式数控系统的定义[4,5]则为：“一个完整的开放性的控制系统，是有一系列逻辑上相互独立的元件组合而成，可通过严格定义元件与元件之间结构与通讯方式的一致性，使来自不同厂商的不同元件彼此相互兼容，共同构成一个结构完整并且

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独立的控制系统，该系统具有平台无关性，能独立运行在各种不同的操作平台之上，并为用户提供一致性的操作界面。”

总的来说，开放式数控系统就是采用模块化、层次化的体系结构，利用各模块的兼容性和通讯的一致性构建的，具备操作平台的独立性，且具有统一的应用程序接口和风格一致的用户交互界面的数控系统[6]，具有极强的扩展性和可移植性，用户可根据需要添加模块或者进行模块扩展，配置灵活方便，适应性强。1.1.2开放式数控系统的优势

计算机技术的飞速发展，使得开放式数控系统能够不断吸收当前最先进的研究成果，性能和稳定性方面都得到了很大提高，具有传统数控系统无法比拟的优越性[7]：

（1）开放式数控系统能够广泛吸收当前最先进的PC技术，及时引进新技术和新工艺成果，充分利用计算机丰富的软硬件资源，可靠性高，并且PC硬件平台的标准化也为开放式数控系统的标准化和开放化奠定了基础；

（2）开放式的体系结构能够最大限度的满足用户配置的需要，可以把用户需要的各种功能集成到数控系统中，同时模块化的设计也可以使用户能够自行开发所需模块，缩短了整个系统的开发周期，降低维护费用。

（3）具有一致化的人机交互界面，标准的编程语言，极大的方便了用户进行功能优化与扩展。

（4）对系统升级只需要在原系统上作相应改动，而不必重新改进结构、编写代码，使系统的可重用性得到提高；

（5）系统可运行在多种硬件平台上，用户可根据需要选择，有利于降低成本，增强市场竞争力。

1.2开放式数控系统的研究现状及发展趋势

1.2.1数控系统的发展历程

自从1952年开始生产数控系统以来，数控系统在硬件和软件都取得了飞速发展，主要经历了以下三个阶段[8,9]：

（1）硬件数控系统（1952～1970）这一阶段数控系统的控制功能先后经历了由电子管、晶体管、中小规模集成电路等不同的系统硬件逻辑电路来实现。这种数控系统功能简单，易于实现，但是硬件系统复杂性能有限，开发成本高，系统通用性和可靠性都比较差，极大地限制了其进一步的应用和发展。

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（2）计算机数控系统（1970～至今）随着计算机技术的不断发展，以小型计算机为核心的计算机数控系统，逐渐取代原来的硬件数控系统，通过软件替代来实现硬件逻辑电路的控制功能，标志着数控系统进入了“软数控时代”。同时，随着软件技术的更新换代，该类数控系统的体系结构也朝着柔性化、模块化的方向发展，已基本实现了交互式对话编程、图形显示校验等功能[10]。

（3）基于PC的开放式数控系统（1994～至今）计算机技术的高速发展使PC机的性能得到了很大提高，逐步发展到32位、64位机，具有很强的数据处理速度和处理能力，已基本可以满足数控系统核心部件的需求[11]。此外，PC机集成度高、性能可靠且价格便宜，并且具有一定程度的开放性，还能够充分利用PC 机丰富的软硬件资源，大大减少数控系统的开发和维护成本，最大限度的满足用户个性化的需求，已成为当前数控系统发展的主流方向。

1.2.2开放式数控系统的研究现状

正是基于开放式数控系统的互换性、可移植性、可扩展性等特点，使得开放式数控系统的优势日益明显，已成为当前数控系统发展的重要趋势。此外，开放式的结构使得数控系统在通用性、柔性化和网络化等方面迅速发展，推动了数控技术得到更广泛的应用。有关开放式数控技术的研究已成为当前数控系统研究的热点，世界各国的研究机构和数控系统生产厂商相继投入大量人力物力，对开放式数控系统体系结构的构建及其关键技术进行了积极的研究。

1.2.2.1 国外研究现状

国外关于开放式数控系统的研究起步比较早，并取得了一定的成果。美、日、欧等根据自身发展的需要，相继提出了开放式数控系统标准化、规范化的发展方向，并结合自身数控系统特点制定了各自不同的开放式体系结构规范[12]，比较有影响的有美国的NGC和OMAC计划，日本的OSEC计划和欧洲的OSACA 计划等。

（1）NGC( Next Generation Controller，下一代控制器)计划该计划是由美国政府于1987年提出的具有开放性结构的提案，希望通过实现基于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”，找到解决传统数控系统“专用、封闭”的问题。NGC计划提出了“开放式系统体系结构”的新一代数控的概念，可使供应商根据专门的应用方案去定制控制系统[13]。1994年，美国的通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司为了解决企业自身发展中面临的问题，在基于NGC 计划的基础上，联合制定了OMAC( Open Modular Architecture Controller )计划，目标在于降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提供软硬件模

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块“即插即用”和高效的控制器重构机制，提高系统更新换代的速度，以适应市场变化的需求。NGC计划的一个重要成果是开发了SOSAS(Specification for an Open System Architecture Standard)，用于指导工作站和机床控制器的基本设计和结构组织。SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及彼此相互间的关系，创建了一种使用开放式体系结构的下一代的性能机构，为系统广泛应用提供了柔性和不同等级[14]。

（2）OSEC( Open System Environment for Controller )计划该计划是日本的开放式数控委员会的倡导下，由东芝机器、丰田、三菱以及Mazak等6家日本公司于1994年共同组建，其主要思想是：在原有技术基础上及时吸收当前最前沿的技术；软件组态化，提高软件的可移植性和扩展性。OSEC计划主要采用“PC机+嵌入式运动控制卡”的硬件结构方案，采用FL为基础的开放式平台，将各功能单元集合在3个功能层中：应用环境功能层、NC环境功能层和驱动层，明确了各层的功能，制定了各层的通讯协议[15]。OSEC计划取得的主要成果有：提出了开放式数控系统的基本体系结构和参考模型；提出了FADL(工厂自动化描述语言)来作为NC数据的全新的表示方法；开发了基于PC的标准控制接口系统及语言处理器[16]。

（3）OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)计划该计划是由德国、法国等欧盟国家机床生产商和科研机构与1990年联合发起的，主要针对通用大批量机床向专用小批量机床发展。OSACA计划提出“分层系统平台+结构化功能单元”的体系结构，保证了应用系统与操作平台的无关性，同时也保证了体系的开放性，并实现了三种层次的开放，即应用层开放、核心层开放和完全开放[17,18]。OSACA的主要目的是为数控系统定义一个独立于硬件平台的、与制造厂商无关的系统标准规范。该系统规范以PC机为标准平台，各软件模块之间能够彼此兼容、自由组合，共同构成“不依赖特定生产厂商的开放式控制系统”，厂商根据用户的需求对系统进行修改和扩展，提供了更强的用户定制能力[19]226-227。

1.2.2.2 国内研究现状

我国的数控系统经历了近50年的发展，起初主要是有部分科研单位和高校进行研究开发，但受到国产电子元器件性能及传统加工工艺等各个方面的制约，发展比较缓慢。从1980年开始，我国加强与国外进行数控技术方面的合作交流，不断引进先进的数控制造技术，使我国数控技术的发展取得了长足进步。此后，经过“六五”到“九五”期间的技术引进、吸收以及科技产业攻关，我国数控系统

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的发展取得了质的飞跃[20]，基本掌握了数控系统的关键技术，逐步形成了具有自己特色的数控产业，研发出了具有自主产权的开放式数控系统，最典型的是中华Ⅰ型和航天Ⅰ型两个基本类型。中华Ⅰ型数控系统以通用PC机为平台，通过将数控专用模板嵌入PC机内，构成了单机数控系统，可以实现高速度、高精度以及加工工序多样化和复杂性的需求；航天Ⅰ型数控系统也是以PC机的体系结构为基础构成开放式的数控系统平台，在此平台基础上，既可直接构成单机数控系统，也可与通用PC机互联构成多机分布式数控系统[19]230-233。这两种基于PC的开放式数控系统，均采用了“嵌入式、模块化、总线式”的软硬件结构，可根据实际需要进行升级或裁减，其升级版的数控系统最多可控制16轴，联动轴数可达2～8轴，具有多种插补功能和加减速功能，还能实现高速远程通讯控制。

此外，国内学术方面关于开放式数控系统的研究主要涉及基于现场总线的数控系统的研究以及NUBUS曲面插补的研究等。中科院沈阳计算研究所雷为民、乔建中等将数控技术与计算机技术相结合，提出了“软件数控”的概念，利用软件来实现包括伺服控制在内的控制决策，并建立了软件数控体系结构参考模型[21]；王振华、朱国力等提出基于CAN总线的开放式数控系统的设计方法，并对CAN 总线的性能及实现方式进行了分析[22]；此外哈尔滨工业大学、浙江大学等在开放式数控系统的模式构建、系统分析以及实际应用等方面都做了不同程度的研究。

1.2.3开放式数控系统的发展趋势

随着计算机技术、微电子技术以及伺服驱动技术的飞速发展，开放式数控系统的核心技术日趋成熟，结构性能不断完善，应用领域也在不断扩大，已经成为当前数控技术发展的必然趋势。关于开放式数控系统未来的发展趋势，主要体现在以下几个方面[23,24]：

（1）体系开放化建立一种通用标准的体系结构，使新一代的通用软硬件更容易被现有系统吸收、兼容，同时还能够向用户的特殊要求开放，扩大系统适用范围，降低开发费用。

（2）高速度高精度化速度和精度是衡量数控系统性能的两个重要指标，它直接影响到产品的加工效率与加工质量。速度与计算机的性能密切相关，提高微处理器的位数以提高计算机数据处理的能力，可提高数控系统的速度；数控系统的加工精度一般可通过补偿措施和减少数控系统误差等措施来提高[25]4-6。

（3）功能复合化一机多能的数控系统可最大限度地提高设备的利用率，减少设备加工过程对工件的装夹次数，提高工件的加工精度，适应精密超精密加工及微纳加工的需要。

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（4）信息网络化使数控系统与外部的其他数控系统或计算机通过网络连接，实现信息交互与共享，还可以满足远程控制的需要，为数控机床进入FMS和CIMS创造了条件。

（5）智能化智能化加工是数控系统发展的另一个重要目标，可通过引进自适应控制技术、设备故障自诊断技术等手段不断完善，此外还通过模式识别技术、附加人机会话自动编程技术来提高编程效率，辅助完成智能加工。

（6）控制软件化开放式数控系统主要通过利用软件来实现部分硬件的功能来达到开放性的目的，随着计算机技术的飞速发展，软件性能也得到了极大提高，数控系统对硬件的依赖程度不断降低，开放程度不断提高[26]。纯软件数控系统能够为用户提供最大的选择余地和灵活性，充分满足用户个性化的需求，已成为最新体系结构的开放式数控系统。

1.3开放式数控系统体系结构的划分

在开放式数控系统的研究过程中，体系结构的研究尤为重要，因为体系结构是对系统整体框架的最直观的抽象，合理的结构有助于对系统的整体有一个明确的认识，也有助于系统各具体部分方案实施。就目前而言，开放式数控系统主要有三种基本的结构形式[27]：

（1）PC嵌入NC型该结构的数控系统主要是在原有数控系统的基础上，将PC机作为NC部件，利用专用串行总线连接直接构成，结构简单，易于实现。PC机仅作为上层操作界面，提供通讯和编程功能，且该部分功能是开放的；核心的控制功能仍是有传统的数控系统完成，该部分仍是封闭的，不对用户开放，用户仍然无法介入数控系统的核心模块。这类数控系统主要是一些不想改变原有数控系统结构生产商所采用，开发和生产成本都比较高。

（2）NC嵌入PC型该类数控系统主要是以通用的PC机为基础，将运动控制卡插入到PC机标准的总线扩展槽中，构成“PC+运动控制器”的典型结构。PC机主要实现系统初始化、人机交互、图形显示等非实时功能；插补处理、位置控制、伺服驱动等实时控制功能则主要是由运动控制器完成。控制器内部配有开放的功能函数库，用户可根据需要添加功能，通用性好。但是这类数控系统硬件的一部分仍是专用的，只实现了一定程度的开放性。

（3）纯软件型该类数控系统是通过嵌入PC机的数控软件来实现包括插补控制、位置控制等数控系统的基本功能，完成实时部分的控制任务，硬件部分只需要标准化的通用接口。该类结构能够实现最大程度的开放，配置灵活，能够满足用户多样化需求[28,29]。但由于操作系统的实时性、标准的统一性等一系列问

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题的存在，使得当前在PC机上进行实时处理比较困难，可靠性也难以得到保证，因此尚处于研究试验阶段。但随着计算机技术的发展，这类数控系统的前景将非常广阔。

1.4本文主要研究目的和研究内容

数控系统的开放化不仅是当前制造业生产发展的需要，也是用户和机床厂对附加技术的需要，是数控系统生产商追求高质量、低成本和提高产品市场竞争力的需要。数控系统开放化已成为当前数控系统发展的必然趋势，其中又以“PC+运动控制器”结构类型的开放式数控系统的研究最为流行，因为该类型的数控系统既能够充分利用PC机丰富的软硬件资源，又能够发挥控制器在实时控制方面的优势，结合了两者的优点，并且随着PC机性能的不断提高，该方案优势将会更加突出，可行性更高。本课题正是采用“PC+运动控制器”的方案：PC机即采用一般的计算机，运动控制器采用BECKHOFF嵌入式计算机，在硬件设备基础上进行开放式数控软件的开发，实现数控系统的基本控制功能。

选择BECKHOFF系统进行开放式数控软件开发，是由于BECKHOFF基于PC的控制技术具有高性能、高精度等特点，还提供了良好的扩展性、灵活性和可升级性，已经逐步取代了传统的硬件PLC，获得了广泛的应用。BECKHOFF的开放式、可升级的TwinCAT自动化软件是一种专为PC设计的软PLC，符合国际编程标准IEC61131-3，编程方便，灵活性强。结合TwinCAT自动化软件，BECKHOFF嵌入式计算机成为一个功能强大的PLC，可以满足实时性控制的要求，能够实现多轴的运动控制，并通过分布式时钟实现同步，重现精度可以精确到纳秒。同时，BECKHOFF系统模块化的设计方案具有很强的灵活性，用户可根据需要选择合适的模块，或进行原有模块的扩展。另外，BECKHOFF基于PC的控制系统架构具有很好的开放性，用户既能够使用自己的专门技术，也可以使用现成的BECKHOFF软件组件，可使系统迅速适应不断变化的需求。

本课题的主要研究内容包括：

（1）在了解开放式数控系统软件功能要求的基础上，结合本次软件开发的任务，制定出数控软件开发的总体方案：将软件系统整体划分为下位机控制软件模块和上位机管理软件模块，明确各模块的功能，为后续的软件开发作准备；

（2）在BECKHOFF TwinCAT环境下开发下位机控制软件模块：调用TwinCAT PLC及TwinCAT NCI库中的功能块函数，进行数控系统自动插补模式、MDI模式及点动模式等基本的控制功能的开发，并根据控制需要定义了部分辅助M功能。基于TwinCAT的下位机控制软件开发基本完成后，可在TwinCAT

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System Manager提供的虚拟环境下进行测试；

（3）利用VC++6.0软件，并借助TwinCAT提供的ADS DLL专用接口进行上位机管理软件模块的开发，包括初始化模块、通讯模块、参数设置模块以及运行参数显示模块等。基于VC++的上位机管理软件开发完成后，联机下位机部分进行测试，验证其对下位机控制软件的通讯功能以及读写控制功能；

（4）利用BECKHOFF嵌入式计算机及其组件搭建硬件实验平台，验证基于TwinCAT的开放式数控软件的运动控制功能；通过定时采集各运动轴的位置数据拟合出合成运动的轨迹，并与标准的仿真轨迹比较，验证开发的软件能否执行基本的插补控制的要求。

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第2章开放式数控软件开发的理论基础及总体设计

2.1开放式数控软件的功能要求

开放式数控系统的软件部分就是在操作系统软件平台基础上，将各种功能的软件模块集合形成的，并通过中断机制来实现数控系统实时多任务的控制功能。目前，关于开放式数控系统软件开发，通常都采用通用的操作系统，如Windows、Doc等，因为这些操作系统的体系结构是开放的，更适合开放性的要求。本次软件开发就是在基于Windows XP的平台上进行的：一方面，可以充分利用Windows系统丰富的软硬件资源和开发工具，减少软件开发的工作量，缩短开发周期；另一方面，“Windows系统是基于抢占式的多任务操作系统”，可以利用中断机制实时处理多项任务，并不需要用户直接干预[30]。

数控系统中，数控软件直接驱动硬件部分完成数控加工，功能上与一个实时操作系统类似，应该具有以下特点[31]：

（1）基本管理调度能力对复杂的实时多任务处理进行合理调度，对各程序进行动态管理，协调各部分使之有序工作。

（2）资源管理能力主要包括对文件信息的存储以及设备信息的管理。

（3）人机交互通讯功能不仅能够实时观察当前系统的运行信息，还要根据需要向设备输入加工参数及控制命令，能够灵活地操作系统。

（4）实时分析和处理能力要求延迟时间短，能够对指令快速分析并进行实时处理，满足强实时性的要求。

（5）运动轨迹控制功能运动轨迹控制是数控系统最重要的功能，根据预处理和插补功能计算出坐标位置增量，控制电机按照预定轨迹运动。

（6）图形显示管理功能通过对加工过程中刀具的运行轨迹、加工状态显示等视图的变换操作，更直观的了解实际加工的状态。

2.2开放式数控软件开发的总体思想

2.2.1软件开发的指导思想

在了解数控系统软件功能要求的基础上，考虑进行数控系统的软件开发。但数控软件系统是一个庞大而复杂的体系，既要完成一些基本的管理调度功能，还要进行实时控制，开发工作非常复杂。为了保证开发工作顺利进行，软件开发前

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首先要确定本次软件开发的总体指导思想：模块化开发[32]。将整个软件系统按照功能进行模块划分，将功能类型相似的划分在一个模块中，然后再对上述模块进行详细的具体功能的模块划分，即分层次模块划分的方法。采用模块化的设计方式，既有利于对各个功能模块进行独立设计，也有利于对相似功能模块整合，还能构提高软件的可重用性、可移植性和可扩展性，使整体软件开发的目标更加明确，层次更加清晰，极大地方便了软件系统的开发与维护。

2.2.2软件开发的基本原则

在基于模块化开发的思想上，针对各功能模块开发，采取的基本原则是：先基本再扩展，先运转再优化，先局部再整体[25]9-10。

“先基本再扩展”是指在程序开发过程中，首先搭建程序的基本框架，实现基本功能，再在原有功能框架的基础上进行新功能的添加和扩展。例如：在开发自动插补模式功能时，首先完成创建插补组、装载程序、启动运行程序以及清除插补组等基本功能框架，完成最基本的插补功能，然后在此基础上添加一些新的功能，如补充辅助M功能、读取系统当前运行状态等。

“先运转再优化”是指在编程的起步阶段先不必考虑程序代码的复杂程度和一些功能的重叠，先让基本程序运转起来，保证其准确性，然后再在基本程序的基础上进行功能删减和代码优化。例如，在进行自动插补模式、MDI模式功能开发时，可先分别进行各模式开发，各模式均有单独的启动和暂停按钮，先保证各模式的基本功能能够实现，然后再考虑进行程序优化，将两者起停按钮统一，简化操作界面，同时删减原程序中多余的代码。

“先局部再整体”是指先进行局部功能的编写，在局部功能块的功能基本已经实现的前提下，再考虑将各功能块重组整合，完成整体软件系统的开发。例如：在进行下位机软件的开发过程中，要首先考虑实现Auto模式、MDI模式以及点动模式等局部功能块的开发，然后才考虑将这些功能块整合在MAIN函数中，构成完整的数控系统功能。

2.3基于TwinCAT环境的开放式数控软件开发的总体设计方案

2.3.1数控软件功能模块的划分

开放式数控系统软件开发采用了模块化的设计思想，各部分的功能通过相应的模块实现，利用模块的可移植性和彼此间的兼容性，组合成一个完整的软件系统。根据开放式数控系统软件功能的要求，通常情况下，按照基本功能的划分原

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则可以将软件系统分为以下几个模块[33,34]：

（1）人机界面模块人机界面模块是数控系统的重要组成部分，不仅是数控系统各种应用程序的操控平台，也是数控系统与用户进行信息传输的接口，设备运行状态的显示以及控制命令的输入都通过人机界面完成。人机界面模块实现的主要功能包括：程序的编辑和管理、系统运行参数设定、模式选择以及系统速度和位置的实时显示等。人机界面的友好程度和灵活性是衡量数控系统性能的一个重要参考指标。

（2）代码解释模块数控加工程序一般都是通过标准的数控ISO代码来表示加工信息的，该模块的功能是对用户输入的G指令、M指令等数控加工代码进行语法检查和语义解释，从各代码中提取加工所需的数据参数，为预处理模块提供准确的零件加工信息。

（3）预处理模块主要完成刀具长度补偿、半径补偿以及零点偏移补偿等功能，可对编译解释后的零件加工信息进行必要的补偿，提高加工的准确性。

（4）插补运算模块根据提取的加工信息，计算出插补周期内各个运动轴的位置增量值。该模块主要包括直线插补、圆弧插补以及样条曲线插补等，它是数控系统的核心部分，直接决定数控系统的精度和性能的好坏。

（5）位置控制模块该模块的主要任务是在插补周期内，将插补运算模块计算的各轴的位置增量值与伺服反馈的位置值进行比较处理，将处理结果送至伺服驱动模块控制相应电机运动，它主要控制与轴位置有关的参数，包括位置、速度、加速度等。

（6）伺服驱动模块该模块是控制系统与机械部分连接的桥梁，主要是由控制器通过闭环系统的位置环来实现的，数控系统通过它实现对电机运动位置的精确控制。

（7）逻辑控制模块主要是完成机床逻辑量和辅助功能的控制，包括冷却液控制、机床换刀控制以及限位控制等

（8）故障诊断模块系统在运行出现故障时，能够及时查出故障的类型及发生故障的部位，分析产生故障的原因并及时排除，保证系统正常运行。

以上各个功能模块之间相互独立，可根据实际情况进行独立开发，分别实现各自功能，然后将各模块重新组合，构成完整的开放式数控软件系统。

2.3.2基于TwinCAT环境的数控软件开发的设计方案

开放式数控软件系统虽然是有多个模块构成的，但通过对上述各模块实现功能的分析，再结合各功能对实时性的要求，可将这些模块划分为两大类：实时性

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模块和非实时性模块[35]。

实时性模块具有强实时性，与运动控制密切相关，代码解释模块、插补运算模块、伺服驱动模块等都属于实时性模块。数控加工过程中，代码解释一般采取边解释边加工方式或先解释再加工的方式，主要是做插补前的预处理；插补运算模块是轨迹规划的核心，直接决定运行轨迹和运行精度；伺服驱动模块则实现对轴位置的精确控制。实时性模块是数控加工的关键模块，要求在任务周期内必须执行完成一次，且必须优先执行，一般不被其他任务中断，具有较高优先级[36]。

非实时性模块是指对实时性没有要求，与运动控制关系不大或不相关，人机界面模块、故障诊断模块等则属于非实时模块。在数控系统中，人机界面模块主要是对设备运行信息，如位置、速度等的实时显示，对设备参数的输入及代码编辑；故障诊断模块则是对故障信息的及时显示。这些模块主要是使操作者了解当前设备的运行状况，其执行并无严格的时间要求，在一定时间内完成即可，不影响对整个加工过程的监控。

本次设计采用的开放式数控系统的体系结构为“PC机+运动控制器”的方案：实时性模块的控制任务主要由下位机，即BECKHOFF嵌入式计算机来实现，划分在下位机控制软件模块；非实时性模块的管理任务主要由PC机来实现，划分在上位机管理软件模块。

此外，关于开放式数控系统软件整体功能模块的划分标准并不是唯一的，软件模块的具体划分可根据实际开发的需要进行。本课题中关于开放式数控系统软件的开发，根据采用的“PC机+运动控制器”结构方案，再结合软件系统的总体功能及开发要求，制定出本课题研究的基于TwinCAT环境的开放式数控系统软件的总体方案，如图2-1所示。

上位机管理软件模块主要包括初始化模块、程序编辑模块、通讯模块及参数显示模块等：初始化模块负责控制器及驱动器相关参数的初始设置；程序编辑模块负责数控程序的编写、存储以及下载等任务；通讯模块负责上位机与下位机的信息交互，实现对下位机的实时控制；参数显示模块则负责监视设备运行过程中的相关参数，保证系统正常运行。

下位机控制软件模块包括自动模式、MDI模式、点动模式、程序预处理模块、译码模块及伺服驱动模块等：自动模式、MDI模式以及点动模式分别实现不同的运动控制模式，根据加工过程的需要进行选择；程序预处理模块负责完成刀具长度、半径等补偿功能；译码模块负责程序代码的解释，获得各运动轴的位置增量值；伺服驱动模块则实现了电机位置的精确控制。