● 摘要
数控机械就是用数字控制和伺服技术代替传统机械中的动力机构和传动机构，从而实现机械产品的数控化升级。“数控一代”发展规划的实施，通过将数控机械的实施推广到各行各业中，来促进机械产品的全面创新和升级换代。而现今我国数控机械的控制系统和解决方案大多比较专一、互不兼容，并且开发费用高、开发周期长，用户不能根据应用要求重组自己的运动控制方案，再加上各行业机械种类不同、受控设备种类和数目多样等，使得“数控一代”发展规划很难广泛、高效地实施。 工业控制编程语言标准IEC 61131 – 3通过将计算机技术领域的先进编程技术引入到可编程控制器，使得工业控制程序的兼容性、互换性、开放性、可重用性以及模块化程度显著提高，同时为控制系统软件的开发提供了一种新的编程语言和编程方法。PLCopen运动控制规范通过推广标准化的编程语言和定义标准化的运动控制接口，实现了独立于硬件、高效、灵活、可重用的运动控制解决方案。本文在对IEC 61131 – 3标准和PLCopen运动控制规范研究的基础上，开发了完整的PLCopen运动控制库，并以此为基础设计了几种典型的数控机械，从而实现了一套简单、灵活、通用、高效的数控机械运动控制解决方案，对于快速地实现传统机械产品的数控化转型具有重要的意义。主要研究内容如下： 分析了数控机械控制系统的需求特点，介绍了工业控制编程语言标准IEC 61131 – 3、机械领域安全相关控制系统的实施标准（包括IEC 61508、ISO 13849、IEC 62061、IEC 61800 – 5 – 2等）以及PLCopen运动控制规范，主要对IEC 61131 – 3标准体系和语言结构、PLCopen运动控制规范内容结构、PLCopen运动控制库开发主要问题和解决方案以及功能安全集成技术进行了研究。 为了更加灵活方便地进行功能块控制算法编程以及实现所开发的PLCopen运动控制库在不同硬件平台上的移植，在Visual C++平台上开发完成了PLCopen运动控制单轴、多轴、轴组功能块，形成了可被TwinCAT(The windows Control and Automation Technology)调用的PLCopen运动控制库，另外开发了一些符合PLCopen运动控制规范的自定义运动控制功能块。 然后，基于已开发的PLCopen运动控制库和自定义运动控制功能块，在TwinCAT平台上开发实现了几种典型的数控机械，如电子齿轮、电子凸轮、激光切割器、直线往复运动性数控飞剪和旋转运动型数控飞剪等。 最后，在TwinCAT平台上设计开发了功能块测试PLC程序和测试人机界面，同时利用TwinCAT的图形化输出分析工具TwinCAT Scope View对功能块进行了仿真验证。主要包括PLCopen运动控制库的测试、自定义运动控制功能块的测试以及数控机械控制方案的测试。 另外，为了实现功能安全技术在数控机械功能块中的集成，对功能安全理论以及功能安全集成技术进行了深入研究，实现了功能安全集成伺服驱动技术，并且探索出了一套完整的数控机械功能安全集成实施方案。