1. 引言
非标自动化设备作为制造业生产的核心载体，广泛应用于电子制造、汽车零部件加工、医疗器械装配等领域，其轴控系统的稳定性与开发效率直接决定设备交付质量与周期。伺服轴与步进轴在非标设备中承担着定位、协同等关键任务，但传统轴控程序开发存在诸多痛点：一是缺乏标准化框架，开发过程高度依赖工程师经验，代码复用率低；二是不同厂家伺服驱动器、电机的接口协议差异显著，导致程序兼容性差，跨设备移植难度大；三是功能模块耦合度高，参数调整与功能升级需大量修改代码，维护成本高。据行业统计，传统轴控程序平均开发周期达60天，因兼容性问题导致的调试返工率超30%，严重制约非标自动化产业的发展。
Codesys平台作为国际通用的工业控制软件开发环境，全面支持IEC 61131-3标准编程语言，内置丰富的运动控制库与多总线适配接口，具备模块化开发、跨硬件平台移植等优势，为轴控系统的标准化开发提供了技术支撑。EtherCAT总线凭借高速传输、分布式时钟同步、高扩展性等特性，已成为高精度轴控系统的优选通信方案。本文融合Codesys平台的标准化开发能力与EtherCAT总线的实时通信优势，设计一套非标自动化设备轴控框架程序，通过功能块封装、总线适配与交互界面优化，解决传统开发模式的弊端，提升程序复用性、兼容性与开发效率[1]。
2. 系统硬件架构设计
本轴控框架的硬件架构以EtherCAT总线为通信核心，采用“主站–从站–执行机构”的三级拓扑结构，具体包括Codesys兼容型主控制器、EtherCAT从站接口模块、伺服驱动器、伺服电机及辅助检测部件。
主控制器：选用支持EtherCAT主站功能的工业级控制器(如汇川AM600)，内置Codesys运行环境，负责轴控指令下发、数据采集与逻辑运算。
EtherCAT从站模块：采用专用从站芯片(ET1100/ET1200)，实现主站数据帧的解析与响应，支持过程数据对象(PDO)与服务数据对象(SDO)通信。
执行机构：选用具备EtherCAT接口的高精度伺服驱动器(如汇川IS650N)与伺服电机，机械传动部件采用滚珠丝杠与直线导轨。
辅助部件：包含限位开关(硬限位保护)、急停按钮、位置传感器等，用于轴运动安全防护与状态检测。
3. 轴控功能块设计与封装
3.1. 功能块设计原则
轴控功能块的开发遵循“标准化、模块化、可移植”原则：采用结构化文本(ST)开发，确保跨设备移植兼容性；以结构体封装接口变量，简化参数配置；整合EtherCAT轴控核心功能，满足非标设备多样化操作需求[2]。
3.2. 轴控功能块封装
3.2.1. 接口变量定义
轴控功能块接口变量繁多，采用结构体(STRUCT)统一封装，涵盖输入指令、控制参数、状态反馈三类变量，结构清晰且便于维护，具体定义如下：如表1：
Table 1. Axis function block interface variable
表1. 轴功能块接口变量
接口类型 |
变量名称 |
变量类型 |
变量说明 |
输入变量 |
bRunEnable |
BOOL |
轴可控 |
stMode |
Stru_Mode |
设备状态机 |
bAlarmReset |
BOOL |
轴报警复位 |
bStop |
BOOL |
轴外部停止 |
输出变量 |
stAxisStatus |
Stru_ServoStatus |
轴状态反馈 |
输入输出变量 |
Axis |
AXIS_REF_ETC |
轴实例映射 |
stAxisCmd |
Stru_ServoCmd |
轴控制变量 |
stAxisRetainData |
Stru_Servo_Retain |
轴数据变量 |
3.2.2. 核心功能实现
轴控功能块整合EtherCAT轴控核心功能，包括轴使能、回原点、多模式定位、点动控制、紧急停止等，采用ST语言开发，确保代码标准化与可移植性[3]。
部分功能介绍：(1) 轴使能功能：实现伺服轴的上电使能与状态检测，程序如图1：
Figure 1. Axis enable program
图1. 轴使能程序
(2) 回原点功能：通过Codesys运动控制库的MC_Home指令实现，程序如图2：
Figure 2. Homing program
图2. 回原点程序
(3) 定位控制功能：包含绝对定位(MoveAbs)与增量定位(MoveRel)，支持速度、加减速参数配置，程序如图3：
Figure 3. MoveABS positioning program
图3. MoveABS定位程序
3.3. 功能块调用与实例化
轴控功能块通过实例化实现具体轴的控制，实例化程序包含操作条件判断、功能块调用、状态提示三部分，确保操作安全性与易用性。以某非标设备的X轴为例，实例化代码如图4：
4. 轴控操作触摸屏设计
4.1. 触摸屏界面布局
触摸屏界面分为轴选择区、操作区、参数配置区、状态监控区四部分，以7英寸工业触摸屏(分辨率1024 × 600)为例，布局如下：
1. 轴选择区：支持多轴切换(如X轴、Y轴)，通过下拉菜单实现，当前选中轴高亮显示。
2. 操作区：包含核心操作按钮，如“轴使能”“回原点”“正向点动”“反向点动”“绝对定位”“增量定位”“紧急停止”，按钮采用大尺寸设计，便于现场操作。
Figure 4. Axis instantiation call
图4. 轴实例化调用
3. 参数配置区：提供定位参数输入框，包括绝对定位位置、增量定位位置、运行速度、加减速时间，支持软极限限位启用/禁用、转矩限制启用/禁用的开关控制。
4. 状态监控区：实时显示当前轴的运行状态(使能、回原点完成、运行、故障)，以指示灯形式呈现；同时显示当前位置、速度、转矩的实时反馈值，故障时显示故障代码与提示信息。
4.2. 界面交互逻辑
1. 权限控制：支持管理员与操作员权限分级，管理员可修改核心参数(如软极限范围、转矩上限)，操作员仅能执行常规操作。
2. 操作联锁：执行定位、点动等操作前，自动校验前置条件(如是否使能、是否回原点)，条件不满足时，通过界面文本框显示提示信息，指导操作员操作。
3. 状态反馈：轴的运行状态与参数反馈实时更新，更新周期 ≤ 100 ms，确保操作员及时掌握设备运行情况。
4. 故障报警：轴发生故障时，界面故障指示灯闪烁，同时弹出故障提示窗口，显示故障代码与排查建议，支持故障复位操作。
4.3. 界面设计实例
触摸屏界面设计如图5所示
最左侧为轴选择区，通过按钮切换具体轴，方法为切换轴名称时，对应的轴序号变量随之改变，触屏上当前按钮、数值输入框、数值反馈值就和程序中该序号EtherCAT轴相匹配，实现该轴的操作控制和状态监控；中间为手动操作和功能参数设置区，右侧为MoveAbs定位手动操作和定位值设置区。
Figure 5. Axis control HMI interface
图5. 轴控触摸屏界面
5. 系统测试与应用验证
5.1. 测试环境搭建
测试平台由以下设备组成：
主控制器：禾川Q1500 (Codesys 3.5运行环境)；
伺服系统：汇川IS650N伺服驱动器 + MS1H伺服电机(25位编码器)；
操控设备：工业触摸屏(昆仑通态TPC10-T2-A)；
机械平台：高精度滚珠丝杠滑台(螺距10 mm)。
5.2. 测试内容与结果
1. 性能测试
轴使能、回原点、定位等操作可按需完成，满足实时控制需求。
2. 兼容性测试
更换汇川AM522控制器、台达AX8控制器，框架程序无需修改核心代码，仅需配置总线参数即可正常运行，适配成功率达100%。
3. 开发效率测试
对比传统开发模式与本框架开发模式，结果如下表2所示：
通过对比结果得出采用该轴框架设计程序，在程序的复用性、兼容性、维护性、执行效率上都比传统方式有很大提升，有助于工程师快速、准确、高效开发项目。
5.3. 应用案例
某电子设备厂的非标电子元件装配设备，需控制40个伺服轴协同工作，采用本文设计的轴控框架程序后：
Table 2. Improvement compared with the traditional method
表2. 对比传统方式提升
指标 |
传统开发模式 |
本框架开发模式 |
提升效果 |
单轴程序开发周期 |
15天 |
6天 |
缩短60% |
多轴移植时间 |
7天 |
1天 |
缩短85.7% |
调试返工率 |
30% |
8% |
降低73.3% |
维护成本(年) |
5万元 |
1.75万元 |
降低65% |
6. 系统测试与应用验证
本文设计了一种基于Codesys平台与EtherCAT总线的非标自动化设备轴控框架程序，通过硬件层、功能块层、交互层的协同设计，解决了传统轴控程序复用率低、兼容性差、维护困难等问题。该框架具有以下优势：一是采用EtherCAT总线，实现高速同步通信，同步精度达±1 μs；二是通过ST语言封装标准化轴控功能块，支持多品牌伺服设备适配，代码复用率高；三是设计直观易用的触摸屏操作界面，降低操作门槛，提升操作安全性，开发周期缩短40%以上。
未来，可从以下方面进一步优化：一是融入人工智能技术，开发基于机器学习的自适应PID调节算法，提升复杂工况下的控制精度；二是增加远程监控与诊断功能，支持通过工业互联网平台实现轴控系统的远程参数配置与故障排查；三是拓展轨迹规划功能，支持直线插补、圆弧插补等复杂运动控制，适配更多非标设备应用场景。该框架为非标自动化设备轴控系统的标准化开发提供了可行方案，具有广泛的应用前景[4]。