S7-200CN在龙门导轨磨床上的应用设计

1  引言
        威海华东数控股份有限公司是2002年3月在威海机床厂有限公司的基础上经过资产重组，与山东省高新技术投资有限公司共同投资创办的山东省高新技术企业。公司主导产品：龙门加工中心，龙门导轨磨床，立式、卧式加工中心，数控车床、平面磨床、外圆磨床、万能摇臂铣床、数控系统、磁电式编码器等产品。
        其中程控龙门导轨磨床是专门磨削中，大型工件，特别适合于机械加工厂、量磨具厂及汽车行业，在配置砂轮角度修整器后，特别适用于机床行业磨削各种导轨。工件可直接固定在工作台面上或电磁吸盘上。本机床采用龙门式布局，由双立柱、横梁及床身组成封闭刚性框架结构，工作台纵向运动由双出杆油缸驱动，适用比例流量阀远程无极调速；横梁上有两个横向拖板，可沿横梁作横向运动，它采用交流伺服电机经齿型带减速驱动滚珠丝杆，由PLC控制实现横向定距磨削、间歇进给、进给调速等功能，并采用电子手轮实现对刀及微量进给功能。垂直滑板可沿横向滑板上的导轨作垂直运动，其采用交流伺服电机经行星齿轮减速驱动滚珠丝杆由plc控制实现横向定距磨削、间歇进给、进给调速等功能，并采用电子手轮实现对刀及微量进给功能。左右磨头采用变频驱动。磨头横向、垂直方向，工作台可利用面板操作任意设定行程距离，免除传统机型人工调整行程档铁的不便，提高生产效率。
2  简要工艺
        加工过程为：使用卧磨头磨削平面，在工作台上固定好工件以后，开动液压站，根据工件的长度(纵向)设定工作台往复运动的行程，然后再进行横向行程的设定，加工范围设定好后，即可对刀磨削。手动操作磨削：开液压站，工作台在液压缸的驱动下进行往复运动，面板上电位器控制其运动速度，垂直进给选用手动模式，横向进给选择进给模式，间歇进给时，在工作台换向的同时，磨头横向进给一定长度(进给量由波段开关控制)，用手轮控制磨头上下进刀，简便安全。
本机还配备自动定尺寸磨削功能，通过触摸屏设置粗磨进刀量，粗磨次数，精磨次数等参数，可进行全自动平面磨削达到所设定尺寸并实现零磨削后，工作台自动停止与左端，砂轮可上升至定点油压电机电源立即自动关闭，使磨削更趋于自动化。设备外观如图1所示。

图1  设备外观
3  控制系统构成
3.1 电气系统的布局
        电气控制系统包括：液压传动部分，伺服传动部分，数据检测部分，plc模块控制器部分，触摸屏部分。都集中在电气控制柜，其采用独立的控制柜，其内部将机床的程控系统，伺服驱动控制系统，断路器，接触器，继电器等控制元器件集中布置，电器柜全封闭防护，并配有空调时温度控制装置，使得系统在良好的工作环境运行，保证了系统运行的可靠性。
3.2 设计方案分析
        项目最初考虑过3个技术设计方案。
        (1)  方案1
        cpu226 cn用通讯模式控制三菱伺服进给，但功能模式切换复杂，通讯处理时间长，反应缓慢，实效差，严重影响操作加工，不予考虑。
        (2)   方案2
        施耐德plc+驱动 此产品必须配合使用，但施耐德伺服电机惯量太低，造成机床震动，不予考虑。  
        (3) 方案3
         西门子cpu226 cn+安川伺服 即本系统，具体考虑如下文。
        plc是本机床控制功能的核心，必须具有4路高速计数器(左横向定距，右垂直定距，工作台定距，电子手轮ab相脉冲计数)；同时具备2路伺服驱动微量进给控制的高速脉冲功能；系统的人机界面采用西门子专为s7-200开发的带功能按键的触摸屏k-tp178micro
        支持s7-200系统的多主站连接友好的操作界面：触摸屏+按键。
        快速的系统启动时间和操作响应时间特别适合车间磨床的实际生产加工要求，机械加工现场的恶劣环境以及超大存储空间，触摸声音反馈，硬件设计全面更新，无与伦比的高可靠性，更高的鲁棒性，防冲击和震动，并能防水耐脏，采用32位arm7处理器，性能优异，集成的lcd控制器，消除了cpu和lcd控制器的之间的传输瓶颈。
        配置软件：wincc flexible，编程灵活快捷与龙门磨床的控制工艺要求及环境要求完全吻合；而且符合中国用户使用习惯 。选定的西门子硬件配置见附表。

系统结构如图2所示。

图2  系统结构
4  控制系统功能及要点
        程控龙门磨床与传统普通磨床比较，优势在于自动化程度大大的提高，很大程度上节省人力，提高了操作安全系数，而且成本不是很高，在价格上由很大优势。下面说明几个重要的功能：
4.1 定距设置
        进行磨削时，工作台的来回运动行程由安装在其底部的齿条带动编码器发ab相正交脉冲纪录。通过触摸屏k-tp178micro设置定距的起点与重点，由于液压传动存在缓冲，只有靠提前换向来“抵消”缓冲量，长度根据缓冲量在屏里设定。编程思路如图3示。左横向与右垂直定距原理与此相同。

图3  编程思路
4.2 手动进刀
        处理的重点在于手轮进给的随动性，精确性，根据手轮进给的功能特点，模式选择掰到手动时，摇动手轮相应的轴触发进给，有×1，×10两档，每格进给5μm，50μm；并且必须保证每次摇手轮磨头都能够进刀，而且随动性能要好，坚决不能有脉冲累计现象，以免撞碎砂轮发生故障。这就对控制程序提出了严格的要求：手轮脉冲输入——程序处理——高速脉冲输出。
        首先考虑输入环节，高速计数器的特性是用于对s7-200扫描速率无法控制的高速事件进行计数，完全符合我们的控制需要，很好的解决了摇手轮事件的突发性，而且准确的纪录；
        其次，把接收到的脉冲准确的反映到相应的高速脉冲输出。处理环节，首先考虑采用中断，但是中断程序要求是短小而简单，执行时对其他的处理也不要延时过长意外的条件可能会引起主程序控制的设备的操作异常，而本处理需要提前清空高速计数，再计数赋值给高速脉冲口，后还要再次清除高速计数器，过程相对复杂，处理时间较长所以不考虑。项目采用的是sm0.6扫描时钟“间歇”处理上述过程完全可以胜任。
4.3 自动磨削
        整个工序是以时间为基础，充分的利用了s7-200中子程序的模块功能，在各种检测输入与强大的功能指令结合严谨的控制逻辑，最终完成所需的工艺与安全功能。时序如图4所示。

图4  自动磨削时序
5  结束语
        本公司自03年生产程控龙门磨床，经过反复试验改进，充分发挥了s7-200(05年后使用cpu226 cn)优异性能，即系统紧凑，可靠，功能强大(多路高速计数器)，成本低廉，凭借人际交互界面的友好，与系统的操作简单，控制可靠，控制精度高，性能价格比较高等优点。丰富的报警显示功能，帮助维修人员准确查找故障根源，提供了重要信息，极大的提高了机床维修的快速性与可靠性， 满足了用户的需求，得到用户的好评，打开了一定的市场，为我厂取得了良好的经济效益。