S7-200CN在龍門導(dǎo)軌磨床中的應(yīng)用

1 引言

　 威海華東數(shù)控股份有限公司是2002年3月在威海機(jī)床廠有限公司的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)資產(chǎn)重組，與山東省高新技術(shù)投資有限公司共同投資創(chuàng)辦的山東省高新技術(shù)企業(yè)。公司主導(dǎo)產(chǎn)品：龍門加工中心，龍門導(dǎo)軌磨床，立式、臥式加工中心，數(shù)控車床、平面磨床、外圓磨床、萬(wàn)能搖臂銑床、數(shù)控系統(tǒng)、磁電式編碼器等產(chǎn)品。

　其中程控龍門導(dǎo)軌磨床是專門磨削中，大型工件，特別適合于機(jī)械加工廠、量磨具廠及汽車行業(yè)，在配置砂輪角度修整器后，特別適用于機(jī)床行業(yè)磨削各種導(dǎo)軌。工件可直接固定在工作臺(tái)面上或電磁吸盤上。本機(jī)床采用龍門式布局，由雙立柱、橫梁及床身組成封閉剛性框架結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)由雙出桿油缸驅(qū)動(dòng)，適用比例流量閥遠(yuǎn)程無(wú)極調(diào)速；橫梁上有兩個(gè)橫向拖板，可沿橫梁作橫向運(yùn)動(dòng)，它采用交流伺服電機(jī)經(jīng)齒型帶減速驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，由plc控制實(shí)現(xiàn)橫向定距磨削、間歇進(jìn)給、進(jìn)給調(diào)速等功能，并采用電子手輪實(shí)現(xiàn)對(duì)刀及微量進(jìn)給功能。垂直滑板可沿橫向滑板上的導(dǎo)軌作垂直運(yùn)動(dòng)，其采用交流伺服電機(jī)經(jīng)行星齒輪減速驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿由plc控制實(shí)現(xiàn)橫向定距磨削、間歇進(jìn)給、進(jìn)給調(diào)速等功能，并采用電子手輪實(shí)現(xiàn)對(duì)刀及微量進(jìn)給功能。左右磨頭采用變頻驅(qū)動(dòng)。磨頭橫向、垂直方向，工作臺(tái)可利用面板操作任意設(shè)定行程距離，免除傳統(tǒng)機(jī)型人工調(diào)整行程檔鐵的不便，提高生產(chǎn)效率。

2 簡(jiǎn)要工藝

　 加工過(guò)程為：使用臥磨頭磨削平面，在工作臺(tái)上固定好工件以后，開(kāi)動(dòng)液壓站，根據(jù)工件的長(zhǎng)度(縱向)設(shè)定工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程，然后再進(jìn)行橫向行程的設(shè)定，加工范圍設(shè)定好后，即可對(duì)刀磨削。手動(dòng)操作磨削：開(kāi)液壓站，工作臺(tái)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，面板上電位器控制其運(yùn)動(dòng)速度，垂直進(jìn)給選用手動(dòng)模式，橫向進(jìn)給選擇進(jìn)給模式，間歇進(jìn)給時(shí)，在工作臺(tái)換向的同時(shí)，磨頭橫向進(jìn)給一定長(zhǎng)度(進(jìn)給量由波段開(kāi)關(guān)控制)，用手輪控制磨頭上下進(jìn)刀，簡(jiǎn)便安全。

　 本機(jī)還配備自動(dòng)定尺寸磨削功能，通過(guò)觸摸屏設(shè)置粗磨進(jìn)刀量，粗磨次數(shù)，精磨次數(shù)等參數(shù)，可進(jìn)行全自動(dòng)平面磨削達(dá)到所設(shè)定尺寸并實(shí)現(xiàn)零磨削后，工作臺(tái)自動(dòng)停止與左端，砂輪可上升至定點(diǎn)油壓電機(jī)電源立即自動(dòng)關(guān)閉，使磨削更趨于自動(dòng)化。設(shè)備外觀如圖1所示。

圖1 設(shè)備外觀

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　 3.1 電氣系統(tǒng)的布局

　 電氣控制系統(tǒng)包括：液壓傳動(dòng)部分，伺服傳動(dòng)部分，數(shù)據(jù)檢測(cè)部分，plc模塊控制器部分，觸摸屏部分。都集中在電氣控制柜，其采用獨(dú)立的控制柜，其內(nèi)部將機(jī)床的程控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，斷路器，接觸器，繼電器等控制元器件集中布置，電器柜全封閉防護(hù)，并配有空調(diào)時(shí)溫度控制裝置，使得系統(tǒng)在良好的工作環(huán)境運(yùn)行，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　 3.2 設(shè)計(jì)方案分析

　項(xiàng)目最初考慮過(guò)3個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

(1) 方案1

　 cpu226　cn用通訊模式控制三菱伺服進(jìn)給，但功能模式切換復(fù)雜，通訊處理時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)緩慢，實(shí)效差，嚴(yán)重影響操作加工，不予考慮。

(2) 方案2

　 施耐德plc+驅(qū)動(dòng) 此產(chǎn)品必須配合使用，但施耐德伺服電機(jī)慣量太低，造成機(jī)床震動(dòng)，不予考慮。

(3) 方案3

　 西門子cpu226 cn+安川伺服 即本系統(tǒng)，具體考慮如下文。

　 plc是本機(jī)床控制功能的核心，必須具有4路高速計(jì)數(shù)器(左橫向定距，右垂直定距，工作臺(tái)定距，電子手輪ab相脈沖計(jì)數(shù))；同時(shí)具備2路伺服驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給控制的高速脈沖功能；系統(tǒng)的人機(jī)界面采用西門子專為s7-200開(kāi)發(fā)的帶功能按鍵的觸摸屏k-tp178micro支持s7-200系統(tǒng)的多主站連接友好的操作界面：觸摸屏+按鍵。

　快速的系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和操作響應(yīng)時(shí)間特別適合車間磨床的實(shí)際生產(chǎn)加工要求，機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境以及超大存儲(chǔ)空間，觸摸聲音反饋，硬件設(shè)計(jì)全面更新，無(wú)與倫比的高可靠性，更高的魯棒性，防沖擊和震動(dòng)，并能防水耐臟，采用32位arm7處理器，性能優(yōu)異，集成的lcd控制器，消除了cpu和lcd控制器的之間的傳輸瓶頸。

　 配置軟件：wincc flexible，編程靈活快捷與龍門磨床的控制工藝要求及環(huán)境要求完全吻合；而且符合中國(guó)用戶使用習(xí)慣。選定的西門子硬件配置見(jiàn)附表。

　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)功能及要點(diǎn)

　程控龍門磨床與傳統(tǒng)普通磨床比較，優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)化程度大大的提高，很大程度上節(jié)省人力，提高了操作安全系數(shù)，而且成本不是很高，在價(jià)格上由很大優(yōu)勢(shì)。下面說(shuō)明幾個(gè)重要的功能：

　　4.1 定距設(shè)置

　進(jìn)行磨削時(shí)，工作臺(tái)的來(lái)回運(yùn)動(dòng)行程由安裝在其底部的齒條帶動(dòng)編碼器發(fā)ab相正交脈沖紀(jì)錄。通過(guò)觸摸屏k-tp178micro設(shè)置定距的起點(diǎn)與重點(diǎn)，由于液壓傳動(dòng)存在緩沖，只有靠提前換向來(lái)“抵消”緩沖量，長(zhǎng)度根據(jù)緩沖量在屏里設(shè)定。編程思路如圖3示。左橫向與右垂直定距原理與此相同。

圖3 編程思路

4.2 手動(dòng)進(jìn)刀

　處理的重點(diǎn)在于手輪進(jìn)給的隨動(dòng)性，精確性，根據(jù)手輪進(jìn)給的功能特點(diǎn)，模式選擇掰到手動(dòng)時(shí)，搖動(dòng)手輪相應(yīng)的軸觸發(fā)進(jìn)給，有×1，×10兩檔，每格進(jìn)給5μm，50μm；并且必須保證每次搖手輪磨頭都能夠進(jìn)刀，而且隨動(dòng)性能要好，堅(jiān)決不能有脈沖累計(jì)現(xiàn)象，以免撞碎砂輪發(fā)生故障。這就對(duì)控制程序提出了嚴(yán)格的要求：手輪脈沖輸入——程序處理——高速脈沖輸出。

　首先考慮輸入環(huán)節(jié)，高速計(jì)數(shù)器的特性是用于對(duì)s7-200掃描速率無(wú)法控制的高速事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，完全符合我們的控制需要，很好的解決了搖手輪事件的突發(fā)性，而且準(zhǔn)確的紀(jì)錄；

　其次，把接收到的脈沖準(zhǔn)確的反映到相應(yīng)的高速脈沖輸出。處理環(huán)節(jié)，首先考慮采用中斷，但是中斷程序要求是短小而簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)對(duì)其他的處理也不要延時(shí)過(guò)長(zhǎng)意外的條件可能會(huì)引起主程序控制的設(shè)備的操作異常，而本處理需要提前清空高速計(jì)數(shù)，再計(jì)數(shù)賦值給高速脈沖口，后還要再次清除高速計(jì)數(shù)器，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，處理時(shí)間較長(zhǎng)所以不考慮。項(xiàng)目采用的是sm0.6掃描時(shí)鐘“間歇”處理上述過(guò)程完全可以勝任。

　 4.3 自動(dòng)磨削

　 整個(gè)工序是以時(shí)間為基礎(chǔ)，充分的利用了s7-200中子程序的模塊功能，在各種檢測(cè)輸入與強(qiáng)大的功能指令結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂七壿嫞罱K完成所需的工藝與安全功能。時(shí)序如圖4所示。

圖4 自動(dòng)磨削時(shí)序

5 結(jié)束語(yǔ)

　 本公司自03年生產(chǎn)程控龍門磨床，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)，充分發(fā)揮了s7-200(05年后使用cpu226 cn)優(yōu)異性能，即系統(tǒng)緊湊，可靠，功能強(qiáng)大(多路高速計(jì)數(shù)器)，成本低廉，憑借人際交互界面的友好，與系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，控制可靠，控制精度高，性能價(jià)格比較高等優(yōu)點(diǎn)。豐富的報(bào)警顯示功能，幫助維修人員準(zhǔn)確查找故障根源，提供了重要信息，極大的提高了機(jī)床維修的快速性與可靠性，滿足了用戶的需求，得到用戶的好評(píng)，打開(kāi)了一定的市場(chǎng)，為我廠取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。