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1 TwinCAT NC I系统概述
运动控制的功能分类：按联动关系可以分为单轴点位运动、主从跟随运动、多轴插补运动。最简单的单轴点位运动就是控制电机匀速运动、绝对定位、相对定位，再复杂一点就是模长内定位、用外部位置发生器控制电机走一个自定义的位置曲线。最简单的主从联动是速度跟随和位置跟随，力矩跟随也算一种跟随，但不是标准的运动控制功能，要通过PLC编程实现。速度跟随就是电子齿轮（Gear），位置跟随就是电子凸轮(CAM)，在速度跟随、位置跟随、力矩跟随的基础上，针对专门的应用场合，又开发了飞剪、飞锯、张力控制等功能，用到具体的设备上，又常用工艺表达为：横切、纵切、旋切、收放卷控制等等。
单轴点位运动和主从跟随运动用TwinCAT NC PTP都可以实现，而插补联动就必须使用TwinCAT NCI或者TwinCAT CNC才能实现。TwinCAT NC I中的“I”，就是Interplation（插补）的首字母。这里所说的插补联动，是指插补轴的运动方向在空间上有正交关系，比如X、Y、Z轴，并且在机械上已经安装成一个整体。运动控制的目标不再是单个轴的终点位置，而是运动机构在空间上的坐标轨迹。在三维空间里，最简单的轨迹是一维线段，比如只在X方向移动一段距离。最常用的是二维平面上的线段，比如XY平面上一定斜率的直线段，以及二维平面上的圆和圆弧。直线和圆弧可以构成平面上任意的图形。TwinCAT NCI 可以实现3轴插补，实现运动机构在空间上任意的坐标轨迹，最常用的是螺旋插补，比如：XY轴做圆弧插补的同时，Z轴上下移动，就会在空间上形成一个螺旋轨迹。
1.1 插补通道
TwinCAT NCI做插补运动时，是完全基于TwinCAT NC PTP的，所有轴的物理层都是在PTP轴中配置的，而它们在PLC程序中的接口仍然是类型为Axis_Ref的变量。所以PTP控制中的3个轴类型：PLC轴、NC轴、物理轴在NC I中仍然适用，TcMc2.lib中的所有功能块也仍然适用于这些轴。
TwinCAT NC I是作为一种PTP轴的联动关系来定义和使用的。建立联动关系之前，每个轴可以独立运动。如果联动关系是运动方向在空间上的正交关系，比如机械上已经安装成一个整体，一个轴控制X方向的运动 ，另一个轴控制Y方向的运动，另一个轴控制Z方向的运动。为了控制这个机构的整体运动，专门建立一个NC IChannel即插补通道作为它的模型，也就是软件上的控制对象。换句话说，与TwinCAT NC PTP中建立一个NC轴作为伺服电机的控制对象一样，TwinCAT NC I 中建立一个NC I插补通道作为三维正交联动机构的控制对象。
一个NC I插补通道可以最多包含3个插补轴，5个辅助轴。3个插补轴的运动方向在空间上存在正交关系，通常命名为X、Y、Z轴，进给速度就是指这三个轴的合成速度（没有正交关系的轴是无法确定合成速度的）。5个辅助轴与进给轴之间没有严格的空间关系，需要同时达到预定位置的其它轴，可以添加到NC I通道中作为辅助轴控制。
TwinCAT NC I可以包含多少个插补通道呢？理论上，只要所有PTP轴、NCI通道、其它通道的总数不超过255即可。假如每个NCI 通道都只有XY两轴插补，没有辅助轴，那么理论上可以有170个PTP轴和85个插补通道。假如每个NCI通道有3个插补轴，5个辅助轴，理论上可以有224个PTP轴和28个插补通道。实际上，一个机床上当然不会有这么多需要联动机构。
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。而TwinCAT NC I把一个联动机构的控制分为三层：PLC插补通道、NCI插补通道、NC PTP轴。
1.2 PLC控制NCI插补通道的几个途径
ADS接口：PLC通过ADS接口可以控制NCI插补通道：
组建插补通道、解散插补通道
装载G代码文件到插补通道
插补运动的启动、停止、复位
读取缓存的插补指令数量及其它标记
PLCTONC：每个PLC周期更新NCI通道的控制信号,比如实现倍率修改;
NCTOPLC：每个PLC周期更新NCI通道的状态,包括通道状态，故障代码，当前进给速度，正在运行的插补指令编号等信息。
R参数：可以从PLC读写的浮点型参数，在G代码中也可以使用和设置R参数。
M函数：在NCI 通道运动控制中触发的Bool型状态变量。PLC可以读取它的状态。
1.3 插补指令的两种形式
让一个插补通道运动之前，必须定义好，它的X、Y、Z轴分别对应哪个PTP轴，然后就可以控制它运动了。我们可以让它执行哪些运动呢？比起PTP轴，NCI通道能够执行插补运动种类极少：仅包含直线、圆弧、螺旋三种，甚至螺旋都很少用。每一个插补运动指令都必须配有对应的参数，比如直线插补指令包含终点坐标和进给速度，而圆弧插补指令包含圆心、半径、弧长或者终点坐标等参数。
如前所述，插补运动控制的目标不再是单个轴的终点位置，而是运动机构在空间上的坐标轨迹。换句话说，插补运动要求机构到达某个空间位置，但可能并不要求它在那个位置停下来，对于连续加工来说，最好能够保持进给速度的稳定。所以插补指令不能给一条，执行一条，必须有相当的Buffer，才能预读或者前瞻。在前一条指令未结束时，其实后一条指令的路径规划已经完成了，才可能让运动连贯。
TwinCAT NCI支持两种形式的插补指令：G代码文件和FeedTable。可以从数据流向来理解二者的区别：
执行G代码文件的方式：
执行FeedTable单条指令填充的方式：
1.3.1 G代码
G代码文件是苦干行G代码的集合，而每一行G代码就是一个动作命令。G代码有一套规范，常用的是G指令和M指令。最简单的直线插补指令G01，圆弧插补指令G02/G03。
TwinCAT NCI 包含了G代码预读器，在执行行G代码文件的时候，NCI会预读G代码行，结合插补通道内每个轴的当前位置，分解出每个轴接下来在每个控制周期的设置位置。
G代码文件以.nc为后辍名，可以用记事本编辑，一个最简单的G代码文件如下图所示：
说明：新建G代码文件如果格式不方便写入，可以用示例Ｇ代文件来修改。
图中每行的第１列，比如N10、N15，表示行号。这个不是必须的，但是行号可以增加可读性。行号还有其它辅助用途，这里就不细细展开了。
G90 是坐标切换指令，与G91是一对互锁提令。G90表示切换到绝对坐标，G91表示切换到相对坐标。如果G代码中从来没有出现G90或者G91，默认使用绝对坐标。
S499 表示主轴速度499mm/min，在NCI中因为插补通道并没有主轴，实际上这个值是从Proess Data插补通道的过程变量NCItoPLC中的一个变量传递经PLC程序。PLC程序再用它来控制主轴（PTP轴）的速度。只有机加工的设备才有主轴速度，如果是激光切割或者其它简单走个路线的插补，就没有主轴这个概念，也就无须S指令了。
G01 这是最简单的直线插补指令，G01X80 Y80 F600的意思是说，下一个目标位置是X80,Y80，进给速度是600mm/min。有兴趣的读者可以试算一下，如果当前位置分别是X0,Y0及X200,Y0时，接下来X和Y轴的速度分别应该是多少。注意F600表示进给速度，在G代码中出现下一个Fxxx改变进给速度之前一直有效。
M3、M4、M5 这是自定义的M指令。当M指令与插补运动指令写在同一行时，需要在NCI 通道参数中先设置好，是运动之前还是运动之后触发M函数，以及它的复位机制。假定M4的属性为AM(After Motion)的Hankshake型，M4 G01 X100 Y100，表示插补轴运动到X100,Y100的坐标位置后，M4状态为TRUE，插补通道的运动就暂停在这一行。这时PLC就得知M4的状态，根据PLC代码执行相关的逻辑，并复位M4函数。插补通道在M4函数复位后再继续下一行G代码的运动。
M30 Ｇ代码规范约定的结束指令。
在PLC程序中，将PTP轴组合进NCI 插补通道之后，装载G代码文件时只要确定G代码文件的路径和要装入的插补通道，然后就可以发启动命令让通道内各轴逐行执行G代码了。我们将在第6章详细介绍G代码的规则。
1.3.2 FeedTable
FeedTable与Ｇ代码的区别是，插补指令不是写在G代码文件中，而是从PLC程序临时填入插补指令表。可以填入插补指令表的指令与G代码文件中的指令类型大致相当，也包括直线插补、圆弧插补、M指令等等，但不再出现G01、G02等字样，而是以插补指令的类型枚举值来区分。
可以理解为，NCI自带一个G代码解释器，装载G代码文件后，解释器就把它分解了一个一个的插补指令。
而使用FeedTable的时候，不是用G代码解释器，而是从PLC程序通过功能块FB_NciFeedTable往NCI的执行区（SAF Entry）里填充指令。对于熟悉PTP中的TwinCAT NCFifo的用户，这点比较容易理解。
1.4 M函数：插补运动与逻辑动作的协调
M指令是在G代码文件执行过程中需要触发的开关状态。这个开关状态可以是自恢复的，也可以是等待PLC确认恢复的。如果是自恢复的，插补运动在M代码行只是通知给PLC的M涵数状态为True，动作继续执行。如果是等待PLC确认才能恢复的，插补运动在M代码行通知给PLC的M函数状态为True，插补运动就会停下来，PLC收到M函数为True之后执行相应的动作，动作完成后复位M函数，才继续下一行M指令。
NCI通道用到哪些M函数，分别是什么类型，需要在NCI配置文件中事先定义，否则系统默认为需要等待的M函数。如果是MFast型的，即自恢复型，那么它在什么时间恢复，也是可以设置的。
注意：在国际标准中，有一些M函数是有固定用途的，比如M30用于G代码结束。
1.5 R参数：NC I通道与PLC的浮点数接口
在G代码中，表达一个插补运动指令时，在给终点坐标位置或者进给速度的时候，可以用常量，也可以用变量。如果使用变量，并且希望这个变量可以在PLC程序中访问，就可以使用R参数。
每个通道都有R0-R44共45个R参数。R参数都是实数型的，可以在G代码中赋值，也可以在PLC程序中通过功能块写入或者读取。所以可以把R参数作为NC I通道与PLC程序的浮点数接口，只不过它不是每个PLC周期刷新的。
（后续章节为程序实现的操作细节，稍后以PDF形式贴出） |
