摘要：本文介紹了西門子 S7-200 SMART PLC 及 SMART LINE 觸摸屏在鋁塑門窗行業(yè)切割鋸設(shè)備上的應(yīng)用，闡述了工藝流程、控制系統(tǒng)選型和軟件開發(fā)。結(jié)合 SINAMICS V60 伺服驅(qū)動器，整套西門子小型自動化解決方案有效提升設(shè)備的運行效率，滿足了型材切割的精度要求。
1 引言
隨著國家“十一五”節(jié)能減排政策的貫徹落實，門窗行業(yè)對于型材的節(jié)能效果也提出了新的要求。傳統(tǒng)的鋁合金門窗由于型材本身的特點—— 傳導(dǎo)散熱快，對于在冬季有效保持室內(nèi)溫度的要求不能有效的滿足，節(jié)能效果較差。新型的鋁塑門窗利用塑料型材 ( 隔熱性高于鋁型材 1250 倍 ) 將室內(nèi)外兩層鋁合金既隔開又緊密連接成一個整體，比普通門窗熱量散失減少一半，降低取暖費用 30% 左右，成為門窗行業(yè)新的發(fā)展趨勢。
門窗型材的變化推動著門窗加工設(shè)備的種類逐漸細化、品種逐漸多樣化，對生產(chǎn)工藝也有了更高的要求。門窗型材鋸切作為門窗生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，其加工精度直接影響門窗的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。目前鋁塑型材鋸切機床的加工精度較低，鋸切后的鋁型材主要靠后續(xù)的安裝彌補鋸切時的誤差，塑料型材靠后續(xù)的焊接彌補鋸切時的誤差，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
濟南倫渠數(shù)控機電有限公司專業(yè)生產(chǎn)各種鋁塑加工設(shè)備，針對新型的切割鋸設(shè)備性能需求，提出了以西門子最新推出的小型 PLC S7-200 SMART 作為主控制器，同時采用了 SMART LINE 觸摸屏和 SINAMICS V60 伺服驅(qū)動器。整套的西門子小型自動化解決方案優(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：運行速度可達每分鐘 20 米，切割 3mm 鋁板速度可達到 1.5 ～ 3m/min;
(2) 切力大：切割深度可達 3 ～ 8mm，切割口平滑，無毛邊，不變形;
(3) 精度高：能進行準確定位，定位精度可達 0.02mm;
(4) 性能穩(wěn)定：可 24 小時不間斷作業(yè)，廢品率低;
(5) 功能豐富：擁有斷點、斷電復(fù)位，加工時間預(yù)測等功能。
2.2 切割鋸原理結(jié)構(gòu)
鋁塑門窗雙頭切割鋸由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成，前者包括鋸頭、固定機頭、移動機頭、移動機頭拖動裝置、床身、托料架等機械結(jié)構(gòu)，后者由電氣箱、電氣控制操作臺等電氣系統(tǒng)及氣動系統(tǒng)組成，用于實現(xiàn)對型材定尺定角度切割下料設(shè)備的控制。鋁塑門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。該機也可用于木料加工，其兩個機頭可單獨工作也可同時工作，一次切出需要的長度及切口角度。
(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。拖板與導(dǎo)軌之間有直線運動副。鋸頭的左右運動輕快、靈活，保證了運動的平穩(wěn)性。鋸片的進給由雙作用氣液阻尼缸完成。其氣動控制系統(tǒng)具有無極調(diào)速的功能，根據(jù)加工需要，可調(diào)節(jié)其進給及返回的速度，使之具有慢速進給快速返回的功能;
(2) 床身。床身由低碳鋼矩形鋼管焊接而成，焊接后經(jīng)時效處理，保證了床身的剛度及穩(wěn)定性;
(3) 工作臺。固定工作臺和左鋸頭裝在一起，活動工作臺隨拖板在導(dǎo)軌上可左右水平移動。
2.3 切割鋸工藝流程與特點
機床的床身上裝有兩個鋸頭。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在圓導(dǎo)軌上移動并可鎖定在所需位置上。工作切削的長度，由安裝在床身上的刻度尺指示，長度的精確調(diào)整通過手輪微調(diào)進行。
右機頭的右邊裝有操作臺，隨鋸頭一起運動，電氣控制元件均裝在操作臺上。工件放到工作臺上后只要操作人員按操作規(guī)程按動按鈕，機器即可完成工件定位，壓緊、切割、刀具返回、松開等工序。該機的設(shè)計充分考慮到了工作人員的安全。鋸頭運動部分，全部罩在可開啟的、堅固的安全罩內(nèi)。切割鋸工藝流程如圖 2 所示。
3 電控系統(tǒng)設(shè)計
3.1 PLC 控制器
鋁塑門窗雙頭切割鋸設(shè)備所需的 PLC 控制點數(shù)為數(shù)字量輸入 20 點，數(shù)字量輸出 16 點，其中設(shè)備右鋸頭需用伺服控制其左右移動定位，定位信號通過磁柵尺的反饋到 PLC。該系統(tǒng)中控制器選用西門子 S7-200 SMART CPU ST40，其他數(shù)字量輸入 24 點，數(shù)字量輸出 16 點。同時該 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足伺服定位的需求，其磁柵尺的反饋信號可直接接入 PLC 的輸入點中，利用 PLC 的高速計數(shù) A/B 相功能即可采集。
3.2 人機界面
人機界面選用西門子 SMART LINE 觸摸屏，64k 真彩顯示，通過以太網(wǎng)與 S7-200 SMART 實現(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)實時的反饋至人機界面，另一方面可以通過人機界面上實時修改設(shè)備的運行模式、行走位置等。
3.3 伺服驅(qū)動器
設(shè)備的右鋸頭可以左右移動，移動通過絲杠加直線導(dǎo)軌的機械部件實現(xiàn)行走定長功能，控制絲杠用的 是 1.5kW 的 伺 服， 選 用 西 門 子 SINAMICS V60 驅(qū)動系統(tǒng)，包含有 CPM60.1 驅(qū)動模塊和 1FL5 交流伺服電機及配套電纜。SINAMICS V60 伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從 S7-200 SMART 發(fā)來的脈沖序列，進行速度和位置控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運行的控制和實時狀態(tài)的輸出。根據(jù)用戶的中慣量伺服電機的需求，選用 SINAMICS V60 7.7Nm 伺服電機及其驅(qū)動器。同時 V60 伺服具有 10000 脈沖 / 轉(zhuǎn)的高分辨率，配合設(shè)備上特殊的機械設(shè)計，可滿足設(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
S7-200 程序開發(fā)主要包括邏輯程序、磁柵尺高速計數(shù)，伺服運動控制功能等。
4.1 PLC 邏輯程序
根據(jù)設(shè)備的具體工藝編寫邏輯程序，主要分為點動、排料、角碼等，使用子程序?qū)ι鲜龉δ苓M行歸類，程序邏輯更加清晰，邏輯編寫示意圖如圖 3 所示。
4.2 磁柵尺高速計數(shù)
此設(shè)備上磁柵尺用于記錄右鋸刀行走當前位置，輸出 A/B 相正交信號，利用 S7-200 SMART PLC 的高速計數(shù)功能可非常方便的采集磁柵尺反饋的位置信號。
Micro/WIN SMART 提供高速計數(shù)器向?qū)?，高速計?shù)模式 9 為 A/B 相正交計數(shù)器模式，通過參數(shù)設(shè)置能夠生成用于高速計數(shù)器的子程序，編程者只需將這些子程序進行簡單調(diào)用，即可實現(xiàn)對磁柵尺信號的采集。例如先在初始化程序中將當前值 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)值改變當前值 CV 和預(yù)設(shè)值 PV。SMB37 為控制字，SMD38 為當前值 CV，SMD42 為預(yù)設(shè)值 PV，HDEF 指令將計數(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)置高速計數(shù)功能圖如圖 4 所示。
4.3 伺服運動控制
S7-200 SMART 運動控制功能通過設(shè)置向?qū)Ъ纯蓪崿F(xiàn)。選擇測量系統(tǒng)：在 Micro/WIN SMART 運動向?qū)е兄恍柰ㄟ^參數(shù)設(shè)置即可實現(xiàn)工程單位和脈沖的轉(zhuǎn)換，直觀的顯示了控制對象的單位，而無需進行人為的計算。此設(shè)備選擇工程單位，電機轉(zhuǎn)一圈需要 10000 個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈工作臺行走 10mm，控制精度可達 0.001mm/ 脈沖，從而能更容易的地實現(xiàn)用戶 0.02mm精度的要求。
在向?qū)傻墓δ軌K中，常用到以下幾個子程序：
AXISx_CTRL 子例程 ( 控制 ) 用于啟用和初始化運動軸。
AXISx_MAN 子例程 ( 手動模式 ) 將運動軸置為手動模式，用于電機按不同的速度運行，或沿正向或負向慢進。
(1) 初始化子程序調(diào)用圖如圖 5 所示：
(2) 手動子程序調(diào)用圖如圖 6 所示：
4.4 人機界面設(shè)計
人機界面組態(tài)：系統(tǒng)主要包括點動功能、排料功能、加工功能、設(shè)置功能等。
(1) 點動功能：在觸摸屏上通過按鈕手動控制設(shè)備各部件動作;通過按鈕點動控制右鋸刀左右移動;
(2)排料功能：序號為加工的順序，L為加工料長度(右鋸刀的移動距離 )，N 為鋸刀切割的次數(shù)，通過此畫面用戶可設(shè)定安排加工料的順序、長度、次數(shù);
(3) 加工功能：設(shè)置型材高度，工進延時，并可以對機頭和機頭角度進行選擇，分別有 45、67、90 度三種;點動加工用于單獨定義長度的加工工藝;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動作的加工工藝。
(4) 設(shè)置功能：設(shè)置加工時各個長度范圍的補償長度，用于消除誤差。比如 100 內(nèi)填寫 0.01，即為加工料長度設(shè)定為 0 ～ 100mm 時，實際加工長度增加 0.01mm;比如 200 內(nèi)填寫 -0.02，即為加工料長度設(shè)定為 100 ～ 200mm 時，實際加工長度減去 0.02mm。功能畫面如圖 7 所示。
5 結(jié)束語
S7-200 SMART 的運算速度快，在定位功能方面速度響應(yīng)快，定位更加準確;與 SMART LINE 觸摸屏通過以太網(wǎng)進行通訊，極大的提高了通訊速度;同時西門子 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)用的簡易性，是西門子小型自動化產(chǎn)品整體解決方案的典型應(yīng)用。相比于之前多品牌國產(chǎn)電氣元件并存，統(tǒng)一的西門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，在市場競爭中更具優(yōu)勢。
Micro/WIN SMART 提供運動向?qū)Чδ?，通過參數(shù)設(shè)置能夠生成用于運動控制的子程序，用戶只需調(diào)用這些子程序，即可實現(xiàn)高速脈沖輸出功能來控制伺服，節(jié)省了大量精力，有效縮短了調(diào)試時間，與以往費時費力編寫大量的程序相比有質(zhì)的飛躍。
（轉(zhuǎn)載）
