S7-200CN在龍門導軌磨床上的應用

1 引言
威海華東數控股份有限公司是2002年3月在威海機床廠有限公司的基礎上經過資產重組，與山東省高新技術投資有限公司共同投資創辦的山東省高新技術企業。公司主導產品：龍門加工中心，龍門導軌磨床，立式、臥式加工中心，數控車床、平面磨床、外圓磨床、萬能搖臂銑床、數控系統、磁電式編碼器等產品。

其中程控龍門導軌磨床是專門磨削中，大型工件，特別適合于機械加工廠、量磨具廠及汽車行業，在配置砂輪角度修整器后，特別適用于機床行業磨削各種導軌。工件可直接固定在工作臺面上或電磁吸盤上。本機床采用龍門式布局，由雙立柱、橫梁及床身組成封閉剛性框架結構，工作臺縱向運動由雙出桿油缸驅動，適用比例流量閥遠程無極調速；橫梁上有兩個橫向拖板，可沿橫梁作橫向運動，它采用交流伺服電機經齒型帶減速驅動滾珠絲桿，由plc控制實現橫向定距磨削、間歇進給、進給調速等功能，并采用電子手輪實現對刀及微量進給功能。垂直滑板可沿橫向滑板上的導軌作垂直運動，其采用交流伺服電機經行星齒輪減速驅動滾珠絲桿由plc控制實現橫向定距磨削、間歇進給、進給調速等功能，并采用電子手輪實現對刀及微量進給功能。左右磨頭采用變頻驅動。磨頭橫向、垂直方向，工作臺可利用面板操作任意設定行程距離，免除傳統機型人工調整行程檔鐵的不便，提高生產效率。

2 簡要工藝
加工過程為：使用臥磨頭磨削平面，在工作臺上固定好工件以后，開動液壓站，根據工件的長度（縱向）設定工作臺往復運動的行程，然后再進行橫向行程的設定，加工范圍設定好后，即可對刀磨削。手動操作磨削：開液壓站，工作臺在液壓缸的驅動下進行往復運動，面板上電位器控制其運動速度，垂直進給選用手動模式，橫向進給選擇進給模式，間歇進給時，在工作臺換向的同時，磨頭橫向進給一定長度（進給量由波段開關控制），用手輪控制磨頭上下進刀，簡便安全。
本機還配備自動定尺寸磨削功能，通過觸摸屏設置粗磨進刀量，粗磨次數，精磨次數等參數，可進行全自動平面磨削達到所設定尺寸并實現零磨削后，工作臺自動停止與左端，砂輪可上升至定點油壓電機電源立即自動關閉，使磨削更趨于自動化。設備外觀如圖1所示。

3 控制系統構成
3.1 電氣系統的布局
電氣控制系統包括：液壓傳動部分，伺服傳動部分，數據檢測部分，plc模塊控制器部分，觸摸屏部分。都集中在電氣控制柜，其采用獨立的控制柜，其內部將機床的程控系統，伺服驅動控制系統，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，并配有空調時溫度控制裝置，使得系統在良好的工作環境運行，保證了系統運行的可靠性。
3.2 設計方案分析
項目最初考慮過3個技術設計方案。
（1） 方案1
cpu226 cn用通訊模式控制三菱伺服進給，但功能模式切換復雜，通訊處理時間長，反應緩慢，實效差，嚴重影響操作加工，不予考慮。
（2） 方案2
施耐德plc+驅動 此產品必須配合使用，但施耐德伺服電機慣量太低，造成機床震動，不予考慮。
（3） 方案3
西門子cpu226 cn+安川伺服 即本系統，具體考慮如下文。
plc是本機床控制功能的核心，必須具有4路高速計數器（左橫向定距，右垂直定距，工作臺定距，電子手輪ab相脈沖計數）；同時具備2路伺服驅動微量進給控制的高速脈沖功能；系統的人機界面采用西門子專為s7-200開發的帶功能按鍵的觸摸屏k-tp178micro
支持s7-200系統的多主站連接友好的操作界面：觸摸屏+按鍵。
快速的系統啟動時間和操作響應時間特別適合車間磨床的實際生產加工要求，機械加工現場的惡劣環境以及超大存儲空間，觸摸聲音反饋，硬件設計全面更新，無與倫比的高可靠性，更高的魯棒性，防沖擊和震動，并能防水耐臟，采用32位arm7處理器，性能優異，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境要求完全吻合；而且符合中國用戶使用習慣 。選定的西門子硬件配置見附表。

系統結構如圖2所示。

4 控制系統功能及要點
程控龍門磨床與傳統普通磨床比較，優勢在于自動化程度大大的提高，很大程度上節省人力，提高了操作安全系數，而且成本不是很高，在價格上由很大優勢。下面說明幾個重要的功能：
4.1 定距設置
進行磨削時，工作臺的來回運動行程由安裝在其底部的齒條帶動編碼器發ab相正交脈沖紀錄。通過觸摸屏k-tp178micro設置定距的起點與重點，由于液壓傳動存在緩沖，只有靠提前換向來“抵消”緩沖量，長度根據緩沖量在屏里設定。編程思路如圖3示。左橫向與右垂直定距原理與此相同。

4.2 手動進刀
處理的重點在于手輪進給的隨動性，精確性，根據手輪進給的功能特點，模式選擇掰到手動時，搖動手輪相應的軸觸發進給，有×1，×10兩檔，每格進給5μm，50μm；并且必須保證每次搖手輪磨頭都能夠進刀，而且隨動性能要好，堅決不能有脈沖累計現象，以免撞碎砂輪發生故障。這就對控制程序提出了嚴格的要求：手輪脈沖輸入——程序處理——高速脈沖輸出。
首先考慮輸入環節，高速計數器的特性是用于對s7-200掃描速率無法控制的高速事件進行計數，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性，而且準確的紀錄；
其次，把接收到的脈沖準確的反映到相應的高速脈沖輸出。處理環節，首先考慮采用中斷，但是中斷程序要求是短小而簡單，執行時對其他的處理也不要延時過長意外的條件可能會引起主程序控制的設備的操作異常，而本處理需要提前清空高速計數，再計數賦值給高速脈沖口，后還要再次清除高速計數器，過程相對復雜，處理時間較長所以不考慮。項目采用的是sm0.6掃描時鐘“間歇”處理上述過程完全可以勝任。
4.3 自動磨削
整個工序是以時間為基礎，充分的利用了s7-200中子程序的模塊功能，在各種檢測輸入與強大的功能指令結合嚴謹的控制邏輯，最終完成所需的工藝與安全功能。時序如圖4所示。

5 結束語
本公司自03年生產程控龍門磨床，經過反復試驗改進，充分發揮了s7-200（05年后使用cpu226 cn）優異性能，即系統緊湊，可靠，功能強大（多路高速計數器），成本低廉，憑借人際交互界面的友好，與系統的操作簡單，控制可靠，控制精度高，性能價格比較高等優點。豐富的報警顯示功能，幫助維修人員準確查找故障根源，提供了重要信息，極大的提高了機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，打開了一定的市場，為我廠取得了良好的經濟效益。