沈陽中科數控技術股份有限公司的數控系統解決方案通過集成傳感器、數據采集系統以及網絡通信技術，對機床運行狀態、加工過程和設備狀況進行實時監測和數據分析。通過將數控機床與現代信息技術相結合，實現機床的數字化轉型。倍福的 TwinCAT 3 自動化軟件則是成功實施數字化與虛擬化戰略的基石。

　　機床是制造業的核心設備，在國防、航空航天、汽車制造、能源等各個領域都有著廣泛的應用。在沈陽中科數控技術股份有限公司看來，機床的技術水平和制造能力直接關系到一個國家的工業競爭力和綜合國力，因此機床被稱為“國之重器”。

　　中科數控正借助倍福 TwinCAT 3 大力推進機床的數字化與虛擬化進程

　　TwinCAT 助力實現數字化與虛擬化

　　倍福的 TwinCAT 3 軟件是重要的基石。首先，TwinCAT 3 軟件不僅有利于推廣 IEC 61131-3 等標準編程語言，遵循客戶一貫的調試習慣，更能夠很好地實現機床的數字化和虛擬化。MATLAB® 和 MapleSim 提供了非常人性的圖形化設計環境，只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以完成各種復雜系統的建模，在模型仿真等領域應用廣泛。在當前項目中，通過 TwinCAT 3 Target for FMI，可以在 XAE 開發環境中無縫執行從 MapleSim 導出的 XAR 模型。TwinCAT 3 NC I 插補的位置指令被輸入至模型，同時從模型讀回采集到的電壓電流數據。TwinCAT 3 ADS 用于在界面中動態顯示機床運動的實際位置。這不僅為硬件在環（HIL）仿真提供了便利，還能通過界面脫離實物的情況下實現數字孿生，從而能夠提前預判軌跡規劃是否合理，銑床的加工效率如何等等。

　　中科數控認為，機床的數字化與虛擬化首先要依賴一個開放的軟件平臺。在這方面，TwinCAT 憑借 Visual Studio 成熟的軟件架構、強大的編譯環境以及具有自主知識產權的實時運行核，展現出得天獨厚的優勢。從項目開發制圖階段開始，可通過 TwinCAT 3 XCAD Interface 集成 ECAD 工具，從而輕松將數據直接導入到 TwinCAT PLC 中，減少軟硬件對應錯誤，提高編程效率。TwinCAT 3 PLC Static Analysis 可以分析源代碼，最大程度減少歧義，提高代碼可利用率。TwinCAT 3 PLC Profiler 能夠分析 PLC 應用程序的 Runtime 特性，并識別哪些調用和程序段比較耗時，以便后續進行代碼優化。此外，TwinCAT 3 Realtime Monitor 可以精確診斷和優化控制器的時序行為，分析多核多任務程序運行過程中代碼的執行順序和優先級。TwinCAT 3 Scope View 還可用于采集帶精確時間戳的數據，在 TwinCAT 3 Vision 中組成 XY、YT，甚至 XYZ 圖表，極大地豐富了調試手段，同時支持事件驅動的記錄。

　　借助 TwinCAT 3 EtherCAT Simulation，無需實際硬件即可實現虛擬調試。它不僅支持基本的 PDO，對于 CoE、SoE、AoE，甚至分布式時鐘，都提供了對應功能。此外，還能模擬故障，用于測試對應機制和代碼等。TwinCAT 3 Interface for Inventor® 建立了 TwinCAT 與 3D CAD 系統之間的交互連接，使用戶能夠輕松實現模型的 3D 仿真。而用于 Simulink®、MATLAB®、Embedded Coder® 以及 MATLAB® 與 Simulink® 的 TwinCAT 3 Target 則能夠實現模型在環、硬件在環和軟件在環仿真。

　　C6030 超緊湊型工業 PC 構成中科數控機床的強大控制核心

　　在此次合作項目中，中科數控采用 TwinCAT 3 Target for FMI，將 MapSim 軟件生成的機床軸模型導出到 TwinCAT 3 平臺中實時執行。模型采集倍福插補算法的初始位置信息，然后算法內部把位置信號換算成電流電壓信號。通過模擬實際硬件負載的慣性等，再反算出實際軸能達到的實際速度與位置，然后把這個實際位置發送給另一個上位軟件，用來進行實際電機位置仿真顯示。得益于 ADS 通信協議及毫秒級的低延遲特性，系統實現了高速數據交互。據中科數控介紹，這樣就能完美地實現模型在環和硬件在環仿真，然后借助第三方工具實現數字孿生。此外，新項目中還集成了振動傳感器，通過傳感器數據和自主研發的算法進行預測性維護及全生命周期管理。

　　基于 EtherCAT 的高性能硬件

　　中科數控在推進機床數字化與虛擬化進程中，不僅依托基于 PC 的控制技術的集成性與開放性，而且還采用了倍福強大且靈活的硬件設備，得益于其 IT 友好型架構，能夠為機床應用開發創新技術與功能。機床設備的軌跡規劃復雜多變，對控制器性能提出了較高要求。此外，數字化仿真、虛擬化運行以及作為機床數據分析基礎的海量數據采集、預測性維護以及全生命周期追蹤需要更強大的性能支撐。

　　在控制核心方面，中科數控選用了搭載 Intel® Core™ i5 處理器的 C6030 超緊湊型工業 PC。通過使用 TwinCAT 軟件，還可以充分發揮控制器強大的多核計算優越性能。中科數控的實踐證明，這種配置不僅顯著加快了控制器的處理速度，而且還縮短了伺服軸的控制周期，從而進一步提升控制精度。結合倍福的 EtherCAT XFC 端子模塊，可以實現基于任務周期的超采樣，也可以通過不依賴于任務周期的多時間戳來精準控制輸入和輸出模塊。

　　C6030 的 EtherCAT 主站接口可便捷連接高動態、高性價比的 EtherCAT 伺服驅動器。EtherCAT 還具備拓撲結構靈活的特點：通過使用 EK1100 和 EK1110 等 EtherCAT 耦合器，可組建線性網絡，而使用 EtherCAT 星型拓撲擴展模塊 EK1122 則能組建星型網絡。搭配模擬量 EtherCAT 輸入端子模塊 EL3351，可以實現靈活的靜態動態稱重以及應變測量。配合 EL3632 模擬量輸入端子模塊，可以支持直接接入 IEPE 振動傳感器信號，集成 2 至 8 mA 的電流源，無需額外增加變送器。獲取到的數據可在 TwinCAT 3 中通過振動分析庫做頻域、時域、包絡圖等處理，由于系統具有良好的開放性，也可以使用客戶自己的算法或第三方標準分析庫進行診斷。據中科數控介紹，EL3204 和 EL3314 等模擬量測溫端子模塊可以直接讀取熱電阻與熱電偶信息，并通過模塊內集成的特性曲線換算成高精度的溫度數據，助力實現機床的預測性維護。

　　機床控制測試平臺

　　中科數控利用 EtherCAT 豐富的軟硬件產品，可以輕松靈活地進行故障診斷與定位。還可以利用倍福基于 PC 和 Windows 系統的軟控制器架構的開放性，輕松與上級別調度系統無縫交互。無論是使用 Socket 和 Web 服務器，還是使用 FTP 或 SMTP，將諸多 IT 概念融入到自動化技術中后，客戶可以自由地實現系統的擴展和迭代。

　　高動態、高精度伺服驅動器

　　機床設備對軸動作精度和速度要求很高，倍福的 AX5000 伺服驅動器的位置環、速度環和電流環的周期時間可達到 62.5 μs。據中科數控介紹，這一性能足以滿足控制算法需求。無論是單通道還是雙通道版本驅動器，每通道最多配備兩路反饋信號。通過選配 AX5805 TwinSAFE 驅動器選項卡，可以實現 SLS、SSR 以及 STO 等多種安全的停車方式。對于停車同步性要求更高的應用場景，可以結合 AX5000 的龍門架功能來實現。

　　對于垂直軸，支持選擇內置抱閘或外接抱閘；對于 WeightBalance 配重，也提供對應的參數設置。用戶還可使用 PID 參數自整定功能。TwinCAT 3 Bode Plot 工具適合用于分析整個系統的帶寬和裕度，可通過輕微可控震蕩發現整個系統的共振點，并采用合適頻率的濾波器進行抑制。該方法能有效提高系統穩定度、增強剛性、減小跟隨誤差，并延長設備使用壽命。

　　X8000 多軸伺服系統主要由電源模塊與多個軸模塊（或集成軸控的電源模塊）構成，也適用于驅動倍福 AM8000 系列伺服電機。系統還包含支持直流母線的電容模塊以及搭載可將制動能量回饋到電網中的 AX8820 通用型能量再生模塊。AX8000 不僅有利于能量的節約，更有利于提高伺服軸動作的效率，降低總體電流消耗，節省制動電阻成本，減少控制柜溫升問題并減小電氣柜體積。

　　倍福基于 PC 的控制技術同樣可實現無控制柜自動化的發展趨勢：其一，采用 MX-System 可插拔式系統解決方案完全替代傳統控制柜；其二，運用由分布式伺服驅動器、供電模塊、配電模塊和耦合模塊組成的 AMP8000 分布式伺服驅動系統。后者可替換控制柜內的伺服驅動器，從而顯著節省安裝空間。

　　關于德國倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于1980年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、I/O 和現場總線組件、驅動技術、自動化軟件、無控制柜解決方案以及工業圖像解決方案既可作為獨立的組件使用，也可將它們集成到一個完整的控制系統中，適用于各個行業領域。經過40多年的發展和努力，倍福已在世界各地設立40家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及75個國家和地區。

　　倍福于1997年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工350人，辦事處遍及國內30座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于半導體、光伏太陽能、風力發電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機器人、數控機床、包裝機械、煙草機械、塑料加工、物流輸送、流程工業以及智能建筑等眾多領域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于2014年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于PC的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將IT技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。

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