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基于 PC 的工业机器人控制解决方案

运动控制

自动化软件

I/O

工业 PC

基于 PC 的控制：通用控制平台 …德国倍福在 PC 控制技术的基础上实施自动化解决方案已经有 30 多年历史，实践证明，这些创新的解决方案具有很好的开放性和

卓越的性能，已在各种行业领域中得到成功应用。倍福是一家全球性企业，总部和生产基地均设在德国威尔市，公司业务遍及 60 多个国家，设立 33 个分公司和分销商，全球员工超过 2510* 名。

近年来，倍福一直坚持不懈地致力于技术研发，保持持续稳定的经济增长和产能扩容，这些都让倍福能够确保 PC 控制技术的长

期可供货性和发货可靠性。一支针对机器人和搬运应用的专家团队使得倍福成为一个可靠的合作伙伴，不断开发出专业的解决方

案，为全球客户提供技术服务和支持。（*截止到 2014 年 4 月）

自动化软件运动控制I/O工业 PC

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技术规格若有变更，恕不另行通知自动化新技术

… 适用于成套生产线 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术能够控制和监测整个生产加工企业 — 从单台加工机械到成套生产线。进料、封接（焊接、

粘合等）、装配、检验、搬运和堆垛等工艺都可采用 Beckhoff 工业 PC 作为硬件平台、将 TwinCAT 作为软件平台以及将 EtherCAT 作为通讯系统来实施。生产单元或生产线可根据不断变化的需求调整而无需花费大量的实施工作，且新的功能也可以很容易地集

成，从而最大限度地提高了灵活性。同时，PC 技术的计算能力在不断提高，存储空间也越来越大，以满足用户对日益复杂的机器

和工厂具有更强大的功能不断增长的需求。

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自动化新技术技术规格若有变更，恕不另行通知

基于 PC 的控制技术可以将机器人技术和状态监测集成到一台标准控制器中…Beckhoff 的‘科技自动化’将诸如 PLC、HMI、运动控制、安全技术和机器人技术等不同的控制组件与高

级测量功能及状态监测功 — 所有一切都整合在一台标准的基于 PC 的控制平台上。使得这种技术融合成

为可能的是：配备专为工业应用而开发的主板的高性能工业 PC、用作操作界面的多点触摸控制面板，高

速且紧凑型 I/O 模块，EtherCAT 超高速开放式通讯系统、灵活及高动态的伺服驱动技术以及 TwinCAT PLC 和运动控制软件。TwinCAT 充分利用现代处理器的多核技术，使得应用于机器人应用或测量分析的复杂数学

算法可以在单独的内核上执行，不会影响 PLC 性能。用户不仅在同步和工艺优化方面获益，而且也可以

从通过减少所需的硬件数量、降低工程费用带来的成本效益中得到诸多好处。

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进料

检测

装配

装卸

… 优化加工工艺，降低成本从龙门式机器人到 6 自由度运动 — PC 控制提供了一个针对不同机器人应用的通用型自动化平台。无缝集成机器人技术到机器控制系统可以避免摩损，这往往会在不同系统相互通信时出现。搬运工艺中所需的高动态性和重复性要求也因此可以轻松实现，并优化加工工艺。状态监测功能通过测量端子模块集成到控制器中，从而能够对机器进行监控，即使在价格敏感的应用领域：测得的变量在 EtherCAT 端子模块系统中采集，并在中央控制器进行处理。这一同样高效和具有成本效益的解决方案确保机器的使用寿命更长，并通过预防性维护措施提高其可用性。

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适用于所有机器人类型的 PC 控制系统

搬运

检测

装配

摄像机

由于带热插拔接口，可实现快速换刀

称重设备

进料

控制面板

控制面板

面板型 PC

TwinCAT . PLC . NC PTP/NC I

TwinCAT . PLC . NC I . 运动学变换

功能库

TwinCAT . PLC/C++ . 状态监测 . XFC

TwinCAT . PLC . NC PTP . XTS

控制面板工业 PC

嵌入式控制器

通过 EtherCAT 闭合控制回路

USB

DVI

CP-Link 4（标准 CAT6A 电缆）

USB

DVI

Ethernet

Ethernet

Ethernet

Ethernet

Ethernet

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XTS 磁悬浮输送系统能够输送单个产品，

即能够同时执行不同的行进指令。动子 — 无电缆连接的输送模块 — 以每秒 4 米的速度运行并将产品/工件非常精确地输

送给各自的加工站。小尺寸的 XTS 帮助

机械制造商们能够将他们的机器设计的

非常紧凑。

与其它现场总线系统的连接性

恒定生产质量的前提条件是将合适的辅

助系统连接至控制器。由于接口种类

众多，使用 TwinCAT 可以连接带任何所

需现场总线接口的设备。机器和设备的

状态监测功能通过状态监测端子模块轻

松、经济地集成到控制器中 — 无需使

用单独的软件。

龙门式机器人或关节型机器人通常用于

装配工序，如封接、粘合、拧紧、焊接

等等。基于 PC 和 EtherCAT 的控制系统

可同时执行多个任务且周期时间极短，

拥有同步控制多根轴所需的性能。快

速换刀可以通过 EtherCAT 热插拔功能实

现。

在将物料输送至一台生产设备时，进给

速度非常重要。多个耦合轴的精确导

向功能是 Beckhoff 的 TwinCAT 自动化软

件的亮点之一。例如，龙门式机器人

的四根轴可以以节省空间的方式使用

两个 AX5000 系列 2 通道伺服驱动器实

现。TwinSAFE 安全解决方案可提供用于

安全输入和输出以及集成有安全功能的

驱动技术。

EtherCAT 端子盒

龙门式机器人

进料

关节型机器人

检查循环

辅助轴

进一步输送

EtherCAT 伺服驱动器x 轴

y/z 轴

用于辅助驱动器的伺服电机

生产车间安全监控

EtherCAT 端子模块灵活采集 I/O 信号

XTS — 磁悬浮输送系统 www.beckhoff.com.cn/XTS

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TwinCAT，开放式自动化软件 …Beckhoff 的 TwinCAT 自动化软件基于 Windows 操作系统，具有良好的开放性和可扩展性，是基于 PC 的控制系统

的核心。它取代了传统 PLC 和运动控制器，可将几乎任何一台可兼容性的 PC 转换为一个带多 PLC 系统、NC 轴控

制、编程环境和操作站的实时控制器。

www.beckhoff.com.cn/TwinCAT

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… 将工程环境和实时内核集成到一个平台上TwinCAT 为用户提供了一个用于配置、编程及诊断的统一的软件工具，显著简化了工程工作。机器人和运动控制功能能够借助 TwinCAT NC PTP（点到点轴定位）或 NC I（三维轴插补）实现优化同步。所有 NC 功能，如“凸轮盘”或“飞锯”都可在一个通用的硬件和软件平台上根据需要结合使用。使用 TwinCAT 可以用标准 PLC 编程语言编写几乎所有机器人运动学功能库 — 无需专用的机器人软件工具和语言。这样可确保提供工程效率，显著降低工程成本。C 和 C++ 代码的集成可以继续使用现有的机器人运动学功能库：MATLAB®/Simulink® 便于将现有的模型用于控制器或仿真。

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TwinCAT 将机器人运动学集成到标准控制器中…“TwinCAT 运动学变换”功能库将机器人控制器集成到 TwinCAT 中，因此 PLC、运动控制、机器

人技术都能够在同一台工业 PC 上执行。除了直角坐标运动、二维串联运动、二维并联运动和 3D Delta 运动之外，也可以提供六轴运动。个子的运动学功能库可在 TwinCAT System Manager 中方便地选择和参数化。运动学通道被用来设置类型（例如 Delta 或 SCARA）、进度条长度和偏

移量等参数。可为动态预控制指定质量和质量惯量。此外，软件库还包括跟踪功能。这表示

机器人与一个运动物体同步，从而让它能够，例如从传输带或倾斜转盘上拾取工件。

www.beckhoff.com.cn/TF511010


… 并确保最大限度地提高性能和精度使用“TwinCAT 运动学变换”功能库可以更加简单地实现各种并联和串联运动，如那些用于拾放任务的运动。机器人作为一个 EtherCAT从站；即与 Beckhoff 控制器的通讯通过 EtherCAT 实现。缝集成机器人运动到控制器不仅能够省去使用额外的机器人 CPU，还可以为实现最佳交互和同步提供 PLC 和现有的运动控制功能：直接连接取代了不同控制器和系统之间的复杂通讯。这样可以提高性能和精度。

‘TwinCAT 运动学变换’功能需要 TwinCAT NC I，并可细分为四个等级：

直角坐标运动

. 等级 2：包含等级 1 以及其

它比较简单的运动学变换： . 剪切运动 . 滚轴运动（H-Bot） . 二维并联运动

剪切运动滚轴运动（H-Bot）二维并联运动

. 等级 3：包含等级 2 以及更

复杂的运动，如 . 三维运动 . SCARA . 三自由度运动

三维运动 SCARA 3D Delta运动

等级 4：包含等级 3 以及 . 六轴串联运动 . 六轴并联运动 . 五维运动

六轴串联运动六轴并联运动五维运动

. 等级 1：静态转换（位移 & 旋转）和各种补偿直角坐

标运动 . 直角坐标运动

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基于 PC 的控制技术：一个控制平台即可用控制整条生产线

进料

压机

填充

XTS PC 控制

用于压机单元的 PC 控制，包括与机器人的通讯

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基于 PC 的控制技术：一个控制平台即可用控制整条生产线

进料/包装

包装

输送/搬运

用于填充单元的 PC 控制，包括与机器人和 XTS 的通讯

用于输送/搬运的 PC 控制，包括拾放机器人

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直接控制机器人运动直接控制机器人和 XTS

EAP（EtherCAT 自动化协议）

XTS 磁悬浮输送系统

工业 PC（EtherCAT 主站）

EtherCAT 端子模块（IP 20） EtherCAT 端子模块（IP 20）

EtherCAT 伺服驱动器EtherCAT 伺服驱动器

EtherCAT 端子模块（IP 67）

工业 PC（EtherCAT 主站）

TwinCAT NC I，运动学变换功能库

TwinCAT NC I，运动学变换功能库

EtherCAT — 针对机器人控制器的超高速工艺通讯系统

拾放机器人

六轴关节型机器人

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集成外部机器人控制器

六轴关节型机器人

EtherCAT 端子模块（IP 20）EtherCAT 端子模块（IP 20）

外部机器人控制器/驱动器（EtherCAT 从站/FSoE）

外部机器人控制器/驱动器(EtherCAT 主站/FSoE)

主站/从站通讯主站/主站通讯

嵌入式控制器（EtherCAT 主站）

TwinCAT PLC

直接控制机器人运动

使用 TwinCAT 运动学变换功能库，各种机器人运动可以使用 TwinCAT 直接控制。路径规划和运动学变换在 TwinCAT 中直接

进行。

因此，例如，控制 SCARA 或 6 轴关节型机器人时无需使用

专用的外部机器人控制器。另外还可以提供大量运动学功能

库。且也能够集成其它客户特定的机械结构。客户特定的变

换功能库和模型的开发为保护专有技术提供了保障。

拾放动作可以直接用 TwinCAT PLC 编程；各种省时的功能库可

用于此目的。轨迹运动通过 TwinCAT NC I 根据 DIN 66025 标准

执行，即描述通过机器人运行的轮廓。

直接控制拾放机器人和 XTS一个 CPU 即可处理所有任务： TwinCAT 同时控制 XTS 和一个 Delta 机器人。在 TwinCAT 中，用户有一个适用于控制整个工

厂的一体化编程环境。周期时间经过优化，因为不同控制器

之间的复杂通讯已成为过去。支持各种机器人运动。

外部机器人控制器集成在 TwinCAT 中TwinCAT PLC（TC1200）是控制六轴关节型/SCARA 机器人的基

础。机器人的行进指令通过 PLC 直接发送给机器人控制器。

然后，测得的机器人值再被发送回给 PLC。 mxAutomation 是 KUKA 机器人公司提供的一个接口，用于通过 TwinCAT PLC 直接指挥机器人的运动。为此，在 PLCopen Part 4（协调运动）基础上集成了一个 PLC 功能库，通过 EtherCAT 直接与 KUKA 的 mxAutomation 通讯。

连接其它制造商机器人的接口正在研发中。对于用户来说，

这种型号也有很多优点，他们不再需要学习专用的机器人语

言，因为一切都可以通过 PLC 模块进行编程。整个运行理念是

独立于机器人制造商。因此，机器人可以借助 TwinCAT PLC 设置。路径点可以编程，然后运行。

控制通讯通过 EtherCAT 自动化协议实现

机器人和机器之间的横向通讯或到中央主计算机的连接可以

通过 EtherCAT 自动化协议（EAP）非常高效地完成。EAP 可以

实现实时通讯 — 甚至每毫秒。它使用了一个传统的以太网基

础组件，因此可以通过任何以太网介质传输，也可以通过无

线方式传输。

EtherCAT — 针对机器人控制器的超高速工艺通讯系统

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DK35

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