摘要：本文介紹了西門(mén)子 S7-200 SMART PLC 及 SMART LINE 觸摸屏在鋁塑門(mén)窗行業(yè)切割鋸設(shè)備上的應(yīng)用，闡述了工藝流程、控制系統(tǒng)選型和軟件開(kāi)發(fā)。結(jié)合 SINAMICS V60 伺服驅(qū)動(dòng)器，整套西門(mén)子小型自動(dòng)化解決方案有效提升設(shè)備的運(yùn)行效率，滿(mǎn)足了型材切割的精度要求。

　　1 引言

　　隨著國(guó)家“十一五”節(jié)能減排政策的貫徹落實(shí)，門(mén)窗行業(yè)對(duì)于型材的節(jié)能效果也提出了新的要求。傳統(tǒng)的鋁合金門(mén)窗由于型材本身的特點(diǎn)—— 傳導(dǎo)散熱快，對(duì)于在冬季有效保持室內(nèi)溫度的要求不能有效的滿(mǎn)足，節(jié)能效果較差。新型的鋁塑門(mén)窗利用塑料型材 ( 隔熱性高于鋁型材 1250 倍 ) 將室內(nèi)外兩層鋁合金既隔開(kāi)又緊密連接成一個(gè)整體，比普通門(mén)窗熱量散失減少一半，降低取暖費(fèi)用 30% 左右，成為門(mén)窗行業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

　　門(mén)窗型材的變化推動(dòng)著門(mén)窗加工設(shè)備的種類(lèi)逐漸細(xì)化、品種逐漸多樣化，對(duì)生產(chǎn)工藝也有了更高的要求。門(mén)窗型材鋸切作為門(mén)窗生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，其加工精度直接影響門(mén)窗的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。目前鋁塑型材鋸切機(jī)床的加工精度較低，鋸切后的鋁型材主要靠后續(xù)的安裝彌補(bǔ)鋸切時(shí)的誤差，塑料型材靠后續(xù)的焊接彌補(bǔ)鋸切時(shí)的誤差，加工效率較低。切割鋸裝備圖片如圖 1 所示。

　　2 工藝原理

　　2.1 切割鋸系統(tǒng)性能

　　濟(jì)南倫渠數(shù)控機(jī)電有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)各種鋁塑加工設(shè)備，針對(duì)新型的切割鋸設(shè)備性能需求，提出了以西門(mén)子最新推出的小型 PLC S7-200 SMART 作為主控制器，同時(shí)采用了 SMART LINE 觸摸屏和 SINAMICS V60 伺服驅(qū)動(dòng)器。整套的西門(mén)子小型自動(dòng)化解決方案優(yōu)化了設(shè)備性能，調(diào)試也更加便利，其基本性能如下：

　　(1) 效率高：運(yùn)行速度可達(dá)每分鐘 20 米，切割 3mm 鋁板速度可達(dá)到 1.5 ～ 3m/min;

　　(2) 切力大：切割深度可達(dá) 3 ～ 8mm，切割口平滑，無(wú)毛邊，不變形;

　　(3) 精度高：能進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定位精度可達(dá) 0.02mm;

　　(4) 性能穩(wěn)定：可 24 小時(shí)不間斷作業(yè)，廢品率低;

　　(5) 功能豐富：擁有斷點(diǎn)、斷電復(fù)位，加工時(shí)間預(yù)測(cè)等功能。

　　2.2 切割鋸原理結(jié)構(gòu)

　　鋁塑門(mén)窗雙頭切割鋸由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成，前者包括鋸頭、固定機(jī)頭、移動(dòng)機(jī)頭、移動(dòng)機(jī)頭拖動(dòng)裝置、床身、托料架等機(jī)械結(jié)構(gòu)，后者由電氣箱、電氣控制操作臺(tái)等電氣系統(tǒng)及氣動(dòng)系統(tǒng)組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)型材定尺定角度切割下料設(shè)備的控制。鋁塑門(mén)窗雙頭切割鋸上的切割刀具使用硬質(zhì)合金齒鋸片，切削速度快、效率高、加工精度高。該機(jī)也可用于木料加工，其兩個(gè)機(jī)頭可單獨(dú)工作也可同時(shí)工作，一次切出需要的長(zhǎng)度及切口角度。

　　(1) 鋸頭。鋸頭部分由左、右鋸頭組成。左鋸頭為固定鋸頭，右鋸頭隨拖板在圓導(dǎo)軌上左右移動(dòng)。拖板與導(dǎo)軌之間有直線運(yùn)動(dòng)副。鋸頭的左右運(yùn)動(dòng)輕快、靈活，保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。鋸片的進(jìn)給由雙作用氣液阻尼缸完成。其氣動(dòng)控制系統(tǒng)具有無(wú)極調(diào)速的功能，根據(jù)加工需要，可調(diào)節(jié)其進(jìn)給及返回的速度，使之具有慢速進(jìn)給快速返回的功能;

　　(2) 床身。床身由低碳鋼矩形鋼管焊接而成，焊接后經(jīng)時(shí)效處理，保證了床身的剛度及穩(wěn)定性;

　　(3) 工作臺(tái)。固定工作臺(tái)和左鋸頭裝在一起，活動(dòng)工作臺(tái)隨拖板在導(dǎo)軌上可左右水平移動(dòng)。

　　2.3 切割鋸工藝流程與特點(diǎn)

　　機(jī)床的床身上裝有兩個(gè)鋸頭。左鋸頭為固定的，用螺釘固定在床身上，右鋸頭可由把手拉動(dòng)在圓導(dǎo)軌上移動(dòng)并可鎖定在所需位置上。工作切削的長(zhǎng)度，由安裝在床身上的刻度尺指示，長(zhǎng)度的精確調(diào)整通過(guò)手輪微調(diào)進(jìn)行。

　　右機(jī)頭的右邊裝有操作臺(tái)，隨鋸頭一起運(yùn)動(dòng)，電氣控制元件均裝在操作臺(tái)上。工件放到工作臺(tái)上后只要操作人員按操作規(guī)程按動(dòng)按鈕，機(jī)器即可完成工件定位，壓緊、切割、刀具返回、松開(kāi)等工序。該機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮到了工作人員的安全。鋸頭運(yùn)動(dòng)部分，全部罩在可開(kāi)啟的、堅(jiān)固的安全罩內(nèi)。切割鋸工藝流程如圖 2 所示。

　　3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 PLC 控制器

　　鋁塑門(mén)窗雙頭切割鋸設(shè)備所需的 PLC 控制點(diǎn)數(shù)為數(shù)字量輸入 20 點(diǎn)，數(shù)字量輸出 16 點(diǎn)，其中設(shè)備右鋸頭需用伺服控制其左右移動(dòng)定位，定位信號(hào)通過(guò)磁柵尺的反饋到 PLC。該系統(tǒng)中控制器選用西門(mén)子 S7-200 SMART CPU ST40，其他數(shù)字量輸入 24 點(diǎn)，數(shù)字量輸出 16 點(diǎn)。同時(shí)該 CPU 模塊具備三軸 100kHz 的高速脈沖輸出，在不增加高速脈沖輸出模塊的前提下即能滿(mǎn)足伺服定位的需求，其磁柵尺的反饋信號(hào)可直接接入 PLC 的輸入點(diǎn)中，利用 PLC 的高速計(jì)數(shù) A/B 相功能即可采集。

　　3.2 人機(jī)界面

　　人機(jī)界面選用西門(mén)子 SMART LINE 觸摸屏，64k 真彩顯示，通過(guò)以太網(wǎng)與 S7-200 SMART 實(shí)現(xiàn)便捷高效的通訊。一方面能將設(shè)備的狀態(tài)、行走位置等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的反饋至人機(jī)界面，另一方面可以通過(guò)人機(jī)界面上實(shí)時(shí)修改設(shè)備的運(yùn)行模式、行走位置等。

　　3.3 伺服驅(qū)動(dòng)器

　　設(shè)備的右鋸頭可以左右移動(dòng)，移動(dòng)通過(guò)絲杠加直線導(dǎo)軌的機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)行走定長(zhǎng)功能，控制絲杠用的 是 1.5kW 的 伺 服， 選 用 西 門(mén) 子 SINAMICS V60 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包含有 CPM60.1 驅(qū)動(dòng)模塊和 1FL5 交流伺服電機(jī)及配套電纜。SINAMICS V60 伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)脈沖輸入接口來(lái)接受從 S7-200 SMART 發(fā)來(lái)的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置控制，通過(guò)數(shù)字量接口信號(hào)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)的輸出。根據(jù)用戶(hù)的中慣量伺服電機(jī)的需求，選用 SINAMICS V60 7.7Nm 伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。同時(shí) V60 伺服具有 10000 脈沖 / 轉(zhuǎn)的高分辨率，配合設(shè)備上特殊的機(jī)械設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足設(shè)備最高 0.02mm 控制精度的要求。硬件配置如表 1 所示。

　　4 切割鋸軟件設(shè)計(jì)

　　S7-200 程序開(kāi)發(fā)主要包括邏輯程序、磁柵尺高速計(jì)數(shù)，伺服運(yùn)動(dòng)控制功能等。

　　4.1 PLC 邏輯程序

　　根據(jù)設(shè)備的具體工藝編寫(xiě)邏輯程序，主要分為點(diǎn)動(dòng)、排料、角碼等，使用子程序?qū)ι鲜龉δ苓M(jìn)行歸類(lèi)，程序邏輯更加清晰，邏輯編寫(xiě)示意圖如圖 3 所示。

　　4.2 磁柵尺高速計(jì)數(shù)

　　此設(shè)備上磁柵尺用于記錄右鋸刀行走當(dāng)前位置，輸出 A/B 相正交信號(hào)，利用 S7-200 SMART PLC 的高速計(jì)數(shù)功能可非常方便的采集磁柵尺反饋的位置信號(hào)。

　　Micro/WIN SMART 提供高速計(jì)數(shù)器向?qū)?，高速?jì)數(shù)模式 9 為 A/B 相正交計(jì)數(shù)器模式，通過(guò)參數(shù)設(shè)置能夠生成用于高速計(jì)數(shù)器的子程序，編程者只需將這些子程序進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁柵尺信號(hào)的采集。例如先在初始化程序中將當(dāng)前值 CV 設(shè)為斷電之前的數(shù)值，將預(yù)設(shè)值 PV 設(shè)為最大，利用邊沿指令使觸摸屏上設(shè)置的數(shù)值改變當(dāng)前值 CV 和預(yù)設(shè)值 PV。SMB37 為控制字，SMD38 為當(dāng)前值 CV，SMD42 為預(yù)設(shè)值 PV，HDEF 指令將計(jì)數(shù)器工作模式設(shè)置為 9，HSC 指令執(zhí)行以上的操作。初始化程序中設(shè)置高速計(jì)數(shù)功能圖如圖 4 所示。

　　4.3 伺服運(yùn)動(dòng)控制

　　S7-200 SMART 運(yùn)動(dòng)控制功能通過(guò)設(shè)置向?qū)Ъ纯蓪?shí)現(xiàn)。選擇測(cè)量系統(tǒng)：在 Micro/WIN SMART 運(yùn)動(dòng)向?qū)е兄恍柰ㄟ^(guò)參數(shù)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)工程單位和脈沖的轉(zhuǎn)換，直觀的顯示了控制對(duì)象的單位，而無(wú)需進(jìn)行人為的計(jì)算。此設(shè)備選擇工程單位，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要 10000 個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)行走 10mm，控制精度可達(dá) 0.001mm/ 脈沖，從而能更容易的地實(shí)現(xiàn)用戶(hù) 0.02mm精度的要求。

　　在向?qū)傻墓δ軌K中，常用到以下幾個(gè)子程序：

　　AXISx_CTRL 子例程 ( 控制 ) 用于啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸。

　　AXISx_MAN 子例程 ( 手動(dòng)模式 ) 將運(yùn)動(dòng)軸置為手動(dòng)模式，用于電機(jī)按不同的速度運(yùn)行，或沿正向或負(fù)向慢進(jìn)。

　　(1) 初始化子程序調(diào)用圖如圖 5 所示：

　　(2) 手動(dòng)子程序調(diào)用圖如圖 6 所示：

　　4.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　人機(jī)界面組態(tài)：系統(tǒng)主要包括點(diǎn)動(dòng)功能、排料功能、加工功能、設(shè)置功能等。

　　(1) 點(diǎn)動(dòng)功能：在觸摸屏上通過(guò)按鈕手動(dòng)控制設(shè)備各部件動(dòng)作;通過(guò)按鈕點(diǎn)動(dòng)控制右鋸刀左右移動(dòng);

　　(2)排料功能：序號(hào)為加工的順序，L為加工料長(zhǎng)度(右鋸刀的移動(dòng)距離 )，N 為鋸刀切割的次數(shù)，通過(guò)此畫(huà)面用戶(hù)可設(shè)定安排加工料的順序、長(zhǎng)度、次數(shù);

　　(3) 加工功能：設(shè)置型材高度，工進(jìn)延時(shí)，并可以對(duì)機(jī)頭和機(jī)頭角度進(jìn)行選擇，分別有 45、67、90 度三種;點(diǎn)動(dòng)加工用于單獨(dú)定義長(zhǎng)度的加工工藝;排料加工用于按排料功能定義的加工工藝;角碼加工用于左鋸頭單獨(dú)動(dòng)作的加工工藝。

　　(4) 設(shè)置功能：設(shè)置加工時(shí)各個(gè)長(zhǎng)度范圍的補(bǔ)償長(zhǎng)度，用于消除誤差。比如 100 內(nèi)填寫(xiě) 0.01，即為加工料長(zhǎng)度設(shè)定為 0 ～ 100mm 時(shí)，實(shí)際加工長(zhǎng)度增加 0.01mm;比如 200 內(nèi)填寫(xiě) -0.02，即為加工料長(zhǎng)度設(shè)定為 100 ～ 200mm 時(shí)，實(shí)際加工長(zhǎng)度減去 0.02mm。功能畫(huà)面如圖 7 所示。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　S7-200 SMART 的運(yùn)算速度快，在定位功能方面速度響應(yīng)快，定位更加準(zhǔn)確;與 SMART LINE 觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，極大的提高了通訊速度;同時(shí)西門(mén)子 V60 伺服產(chǎn)品可輕松接入 S7-200 SMART PLC 系統(tǒng)中，大大提升了設(shè)備應(yīng)用的簡(jiǎn)易性，是西門(mén)子小型自動(dòng)化產(chǎn)品整體解決方案的典型應(yīng)用。相比于之前多品牌國(guó)產(chǎn)電氣元件并存，統(tǒng)一的西門(mén)子解決方案在有效控制成本的前提下，提升了設(shè)備的性能和品牌，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì)。

　　Micro/WIN SMART 提供運(yùn)動(dòng)向?qū)Чδ?，通過(guò)參數(shù)設(shè)置能夠生成用于運(yùn)動(dòng)控制的子程序，用戶(hù)只需調(diào)用這些子程序，即可實(shí)現(xiàn)高速脈沖輸出功能來(lái)控制伺服，節(jié)省了大量精力，有效縮短了調(diào)試時(shí)間，與以往費(fèi)時(shí)費(fèi)力編寫(xiě)大量的程序相比有質(zhì)的飛躍。

（轉(zhuǎn)載）