引言   

   　鋼結(jié)構(gòu)、橋梁中h型、c型鋼上在施工中要通過(guò)聯(lián)接板與其它型材進(jìn)行聯(lián)接、固定。傳統(tǒng)的加工方式是人工在工件上劃好線(xiàn)，然后用搖臂鉆床鉆孔，即費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度又不高。三維數(shù)控鉆床實(shí)現(xiàn)了定長(zhǎng)送料，送料到位后，三個(gè)鉆削動(dòng)力頭分別從兩側(cè)及上方對(duì)h型、c型鋼進(jìn)行鉆孔。大大提高了送料精度與聯(lián)接板孔群的精度，提高了加工效率，使傳統(tǒng)的手工加工行業(yè)發(fā)生了巨大變革，向高效、高精度的數(shù)控加工方面發(fā)展。

1簡(jiǎn)介
    
   　 該機(jī)床完成了鋼結(jié)構(gòu)、橋梁中h型鋼定長(zhǎng)送料，三個(gè)面的同時(shí)鉆孔，等復(fù)雜工藝的實(shí)施。本文重點(diǎn)介紹simatic t-cpu　315t-2dp的技術(shù)特點(diǎn)，選型思路及系統(tǒng)架構(gòu)，硬件配置及與第三方伺服驅(qū)動(dòng)如何配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通訊，等等。
            
2  機(jī)床簡(jiǎn)要工藝
    
   　 首先，是用吊裝工具將h型鋼搬動(dòng)到料道上，工件從幾米到18米不等，數(shù)控送料裝置的夾鉗將料頭緊住，然后沿著輥道方向按編程尺寸自動(dòng)送進(jìn)、定位，外觀圖如圖1所示。送料定位完成后，主機(jī)在左、右、上方向上有3個(gè)鉆削動(dòng)力頭(液控行程)，每個(gè)鉆削動(dòng)力頭由2個(gè)伺服電機(jī)軸控制，可在一平面內(nèi)沿x、y方向上定位。
   
    　主機(jī)將工件夾緊后，料寬、料高檢測(cè)啟動(dòng)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理后得出工件變形量，分別補(bǔ)償?shù)礁魉欧S的定位值里，鉆削動(dòng)力頭對(duì)應(yīng)的伺服軸定位完成后，鉆削動(dòng)力頭伸出，開(kāi)始鉆孔，鉆孔完成后自動(dòng)退回，鉆削動(dòng)力頭對(duì)應(yīng)的伺服軸定又開(kāi)始定位，往復(fù)循環(huán)，直至將孔群內(nèi)的孔加工完成。一次送料完成，即將工件送到一個(gè)加工工位，三個(gè)鉆削動(dòng)力頭定位鉆孔互不影響，等到3個(gè)三個(gè)鉆削動(dòng)力頭將所對(duì)應(yīng)的孔群的孔都加工完成后，才開(kāi)始下一步送料，一直將工件加工完成為止。
            
3  控制系統(tǒng)構(gòu)成
    
  　  simatic cpu315t-2dp有兩個(gè)通訊口，其中一個(gè)是profibus dp（drive）口，專(zhuān)門(mén)用來(lái)連接驅(qū)動(dòng)器工藝組件，通訊速度最高可達(dá)12m bits/sec，dp通訊采用的是profibus dp isochrone mode（等時(shí)同步）模式。isochrone mode是profibus dp 通訊的新技術(shù)，它可以使profibus dp 的總線(xiàn)通訊周期時(shí)間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩(wěn)定性, 提高傳動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。用于完成運(yùn)動(dòng)控制工藝任務(wù)的模塊im174和et200均連在profibus dp（drive）口下，以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制工藝的要求。另外一個(gè)通訊口是標(biāo)準(zhǔn)的mpi/dp口，速度可達(dá)12m bits/sec。用于連接到上位機(jī)pc、hmi和其他標(biāo)準(zhǔn)的dp 從站。用戶(hù)可以通過(guò)mpi/dp通訊口，連接標(biāo)準(zhǔn)的et200進(jìn)行simatic s7-300 plc功能的擴(kuò)展。組成控制系統(tǒng)方案，非常便利。
   
   　 本機(jī)床總共有7個(gè)定位軸，全部是點(diǎn)位控制，伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)采用的是安川（yaskawa）∑－ⅱ系列。在選用定位模塊時(shí)，首先考慮到定位模塊fm354、fm357-2，功能強(qiáng)大但成本較高。并且，定位模板的程序編制工作量大，使用、調(diào)試的工作難度也很大。而一塊im174模塊有4個(gè)定位通道，7個(gè)軸采用2塊im174就夠了，多余的一個(gè)通道可以做為數(shù)字軸，用以檢測(cè)送料小車(chē)的夾鉗臂的高度。由于im174 模板可以非常方便地與simatic t-cpu連接使用，所以采用了315t-2dp cpu連接im174的控制方案, 它們之間通過(guò)simatic t-cpu的dp (drive) 通訊口連接，通過(guò)總線(xiàn)形式連接伺服驅(qū)動(dòng)器（yaskawa），組成運(yùn)動(dòng)控制組件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從技術(shù)指標(biāo)上可以看出，simatic t-cpu集成了傳統(tǒng)s7－300 plc的優(yōu)秀特點(diǎn)和強(qiáng)大功能，同時(shí)集成了大量運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的工藝對(duì)象功能，例如：凸輪開(kāi)關(guān)，凸輪盤(pán)，電子齒輪，測(cè)量輸入，印刷位置糾偏功能，位置控制，同步控制，等等。在運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象上，各種品牌的變頻器，均可以非常方便地與simatic t-cpu 相連,通過(guò)et200進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制功能擴(kuò)展，例如：硬件限位開(kāi)關(guān)，找尋原點(diǎn)信號(hào)，凸輪開(kāi)關(guān)，等等。同時(shí)，所有simatic s7-300 plc系列的ai/ao,di/do,cp,fm模板，均可以自由應(yīng)用。

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圖1  送料料道與主機(jī)

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  　硬件配置如下：cpu模板 315t-2dp；定位模板im174；擴(kuò)展模板e(cuò)t200m；數(shù)字量輸入量模板6es7 321-1bh10-0aa0；計(jì)數(shù)器模板fm350-1；數(shù)字量輸入量模板sm321；數(shù)字量輸出量模板sm322。

4  控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    
  　  4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2  系統(tǒng)架構(gòu)

   　 系統(tǒng)的要點(diǎn)構(gòu)成如圖2所示。系統(tǒng)的人機(jī)界面，用的是聯(lián)想商用電腦，沒(méi)有用傳統(tǒng)的觸摸屏或工控機(jī)。因?yàn)?，?xiàng)目是用vb6.0開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，給用戶(hù)提供一個(gè)工件編程、cad圖形處理、機(jī)床信息監(jiān)控等，商用機(jī)適用性較好。
   
  　  plc采用的是simatic 315t-2dp cpu，上面附有2個(gè)通訊口，上位機(jī)通過(guò)mpi/dp口與plc cpu相連, (6es79720cb200xa0)。與cpu模板緊挨的是3塊數(shù)字量輸入模板，完成輸入伺服驅(qū)動(dòng)的報(bào)警信號(hào)，變頻器的啟停與報(bào)警信息，位置開(kāi)關(guān)和操作面板按鈕等等輸入信號(hào)。然后是2塊數(shù)字量輸出模板，通過(guò)中間繼電器，控制變頻器的啟停、各類(lèi)電磁閥、指示燈等。2塊高速計(jì)數(shù)功能模板fm350-1，其中一個(gè)作為工件高度檢測(cè)計(jì)數(shù)，另一個(gè)是作工件寬度檢測(cè)計(jì)數(shù)。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)工件變形是比較大的，如果工件的邊沿不能與加工基準(zhǔn)靠齊，那么在工件上孔群就會(huì)有誤差，通過(guò)檢測(cè)工件的變形量，并將補(bǔ)償量加在各軸的定位值上。
   
   　 本機(jī)床的7個(gè)定位軸，采用2塊im174模板，用 profibus dp總線(xiàn)與plc的profibus dp（drive）口相連。特別強(qiáng)調(diào)的是：通訊是isochrone（等時(shí)同步）方式，它可以使profibus dp 的總線(xiàn)周期時(shí)間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩(wěn)定性。七個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)，采用的是日本安川公司的產(chǎn)品，im174可以很好地兼容非西門(mén)子的第三方驅(qū)動(dòng)器（因?yàn)?，西門(mén)子伺服驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格太昂貴了）。但是，需要特別提醒注意的是，伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)中每伏電壓所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)要設(shè)置準(zhǔn)確，否則，將會(huì)造成跟隨誤差報(bào)警錯(cuò)誤，在軸的硬件組態(tài)里，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是與10v電壓對(duì)應(yīng)的。im174中剩余的最后一個(gè)通道，連接編碼器，作為工藝數(shù)字軸，用來(lái)作為送料裝置手臂的高度計(jì)數(shù)檢測(cè)。兩塊im174的工藝對(duì)象組態(tài)如圖3所示。

圖3  im174的工藝對(duì)象組態(tài)

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   　 由于一個(gè)定位軸至少要有2個(gè)極限開(kāi)關(guān)與一個(gè)原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，7個(gè)軸需要有21個(gè)數(shù)字輸入量才能滿(mǎn)足， im174自身所帶的i/o點(diǎn)有限，于是通過(guò)et200擴(kuò)展增加了2塊高速輸入數(shù)字量模板，et200模塊是連在dp（drive）總線(xiàn)模式下。整個(gè)系統(tǒng)的硬件組態(tài)，如圖4所示。

圖4  系統(tǒng)的硬件組態(tài)   

 　   4.2 控制系統(tǒng)的難點(diǎn)及解決方案
   
  　  (1) 本系統(tǒng)的第一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)就是兩組孔群之間的距離要準(zhǔn)確；第二個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是孔群內(nèi)的孔距要關(guān)于工件中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)；第三個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是軸的有關(guān)參數(shù)要調(diào)整合適。
   
   　 (2) 孔群之間的距離是由不間斷地送料來(lái)保證的，多次送料的累積誤差要小于規(guī)定值。h型鋼三個(gè)面上的孔以及孔群之間送料距離，經(jīng)過(guò)上位機(jī)軟件處理后，形成4個(gè)數(shù)組。上位機(jī)通過(guò)mpi電纜，將數(shù)組傳送到simatic t-cpu指定的相對(duì)應(yīng)的db塊里。在plc編程時(shí)，要用4個(gè)指針與4個(gè)db塊的數(shù)組，有嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。要考慮到觸發(fā)指針增減的信號(hào)，要有唯一性與穩(wěn)定性，否則送料步進(jìn)與3個(gè)面的鉆孔定位值會(huì)發(fā)生紊亂。
   
    　(3) 由于工件是毛胚件，如是人工焊接而成，則可能造成變形較大。為了保證孔群嚴(yán)格關(guān)于腹板中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，必須要對(duì)工件的外形尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。然后，再將實(shí)時(shí)值與理論值比較，得出偏差數(shù)值，將其補(bǔ)償在相應(yīng)各軸的定位值里。
   
    　(4) 調(diào)整好軸的參數(shù)：進(jìn)入technology objects management界面，按照提示一步一步地往下進(jìn)行。還可以將simatic t-cpu處于stop狀態(tài)下，將plc的控制權(quán)交給technology objects management工具軟件，非常方便地對(duì)軸進(jìn)行調(diào)試、監(jiān)控。同時(shí)要調(diào)整好伺服驅(qū)動(dòng)器的增益等參數(shù)，否則系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警。

    　4.3 simatic t-cpu應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)
   
  　  項(xiàng)目基于西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)平臺(tái)。比較上一代的某品牌平臺(tái)，西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用simatic t-cpu在項(xiàng)目研發(fā)中展示出優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)化技術(shù)集成能力。
   
   　 (1) 通過(guò)此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與調(diào)試，對(duì)西門(mén)子simatic t-cpu有了更深刻地了解：simatic t-cpu 和simotion產(chǎn)品有許多相同之處，都是采用simotion　kernel軟件內(nèi)核。simatic t-cpu 通過(guò)集成在step7 環(huán)境下的工藝軟件包來(lái)配置和編程。就編程而言，會(huì)使用s7-300編程的，就會(huì)使用simatic t-cpu編程。同時(shí)，用戶(hù)省略了許多開(kāi)發(fā)軟件授權(quán)方面的約束。
    
 　   (2) simatic t-cpu編程語(yǔ)言采用工程師所熟悉的s7-300 plc的編程語(yǔ)言，例如：梯形圖lad；stl；fbd；s7-scl；cfc；sfc；s7-graph。
   
  　  (3) simatic t-cpu的dp (drive) 采用等時(shí)同步方式與im174相連，采用總線(xiàn)的方式，連接伺服驅(qū)動(dòng)器，組成分布式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使定位控制更可靠與精確。im174可以很好的兼容第三方的伺服驅(qū)動(dòng)器，為使用第三方的驅(qū)動(dòng)器,  搭建了一個(gè)人性化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
   
    　(4) simatic t-cpu屬于運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用s7-300 cpu。所有運(yùn)動(dòng)控制工藝所需要的功能，都在step 7編程庫(kù)中可以找到，非常容易實(shí)現(xiàn)編程調(diào)試工作。對(duì)工程師運(yùn)動(dòng)控制的背景知識(shí)要求不高，非常人性化。
   
   　 (5) 結(jié)構(gòu)化的s7-300 plc編制程序模式，使程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性好，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便；
    
   　 (6) 所有s7-300 plc程序的功能塊、特殊功能塊、數(shù)據(jù)塊, 都可以繼續(xù)使用，方便用戶(hù)成熟s7-300 plc程序的延續(xù)使用。
    
  　  (7) 3個(gè)主軸的旋轉(zhuǎn)是由西門(mén)子mm440變頻器驅(qū)動(dòng)的。如果再增加一塊im174，變頻器增加dp通訊板的話(huà)，就可以采用dp(drive)總線(xiàn)通訊方式控制主軸，這樣主軸的響應(yīng)性會(huì)更好些，可靠性更高些。
            
5  結(jié)束語(yǔ)
    
    　自2007年1月份投入使用后，歷時(shí)7個(gè)月的設(shè)備運(yùn)行，控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。特別是定位的精度與可靠性提升很多。比較原先實(shí)用的某plc，定位方案采用的定位模塊模塊沒(méi)有位置反饋接口，開(kāi)環(huán)位置控制，伺服驅(qū)動(dòng)器為脈沖型，很容易受到外界干擾而引起定位不準(zhǔn)。上位機(jī)軟件與simatic
t-cpu通訊非常穩(wěn)定，監(jiān)控畫(huà)面沒(méi)有出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。prodave軟件與vb6.0結(jié)合起來(lái)，加之mpi電纜，使通訊可靠性大為增加，速度也非?？?。

　　總之，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使機(jī)床的控制水平上了一個(gè)新臺(tái)階，受到了用戶(hù)的好評(píng)。

（轉(zhuǎn)載）