1 引言
根據(jù)工件加工的需要，以獨立的通用的部件為基礎，配以部分專用部件組成的專用機床，稱之為組合機床。回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床是多工位組合機床的一種，它通過回轉(zhuǎn)工作臺進行加工工件的輸送，夾具安裝在工作臺面上，被加工工件一次裝夾后，從一個工位輸送到下一個工位，工作臺轉(zhuǎn)一周，即完成在該機床上的全部加工工序。并且，裝卸工件的輔助時間與機床的加工時間是重合的。本組合機床全稱為回轉(zhuǎn)工作臺式六工位組合機床，有一個上下料工序、五個加工工序，分別為：上下料工序；銑端面工序；鉆中心孔序；鉆的盲孔工序；鉆通孔工序；擴孔工序。組合機床外形參見圖1所示。
圖1 組合機床外形案例圖片
2 系統(tǒng)控制說明
本組合機床控制系統(tǒng)主要采用siemens s7-200系列plc和西門子觸摸屏ktp-178micro構成，plc完成整個機床的信息采集、信息處理、各種驅(qū)動的控制等功能，人機界面完成智能化的后臺管理、各軸加工參數(shù)的設定、信息監(jiān)視等功能。
2.1 系統(tǒng)控制主要部件清單(見表1)
2.2 系統(tǒng)控制主要部件介紹
cpu226是siemens公司生產(chǎn)的s7-200系列中性能最高端的cpu模塊，本機集成24輸入/16路輸出數(shù)字量通道，六個高速計數(shù)器，2個20khz的高速脈沖輸出，最大可擴展7個模塊，兩個通訊端口。
cpu221是siemens公司生產(chǎn)的s7-200系列中的低端cpu模塊，本機集成6輸入/4路輸出數(shù)字量通道，4個高速計數(shù)器，2個20khz的高速脈沖輸出，不可以擴展模塊，一個通訊端口。
em223是siemens公司生產(chǎn)的s7-200系列中數(shù)字量混合模塊， 4輸入/4路輸出數(shù)字量通道。
ktp-178micro是siemens公司根據(jù)國內(nèi)用戶使用習慣和需求而專門開發(fā)的人機界面， 是一款性價比較高的人機界面。
步進電機是采用研控自動化科技機電有限公司推出的系列產(chǎn)品，配套yka2404ma細分驅(qū)動器，最高細分數(shù)為200。主軸電機采用三相異步電機。氣缸采用smc系列。
2.3 系統(tǒng)控制架構(圖2)
圖2 系統(tǒng)控制架構
2.4 系統(tǒng)控制主要特點
(1) 輸入信號的處理：本套機床的檢測信號有：回轉(zhuǎn)工作臺用機械式形成開關、氣缸用磁環(huán)開關、滑臺用磁性開關，這些信號的采集利用plc的通用數(shù)字量輸入信號作為信號采集處理。
(2) 輸出信號的處理：步進電機單元，利用plc本身集成的高速脈沖信號作為步進電機驅(qū)動器驅(qū)動信號，每臺plc集成兩通道高速脈沖信號，本套系統(tǒng)有四臺plc主機，最多可控制八軸驅(qū)動，控制采用脈沖+方向的控制方式。三相電機單元，利用plc本身集成的通用數(shù)字量輸出信號作為電機驅(qū)動控制信號。氣缸單元，利用plc本身集成的通用數(shù)字量輸出信號作為氣缸驅(qū)動控制信號。
(3) 人機交換：本套機床的加工參數(shù)通過上位機觸摸屏來完成，操作人員根據(jù)加工需要可以更改相應加工參數(shù)。本套機床可通過上位機觸摸屏進行機床的手動控制與自動控制，如：電機的運行、氣缸的動作、滑臺的點動運行?？赏ㄟ^觸摸屏察看設備信息，察看設備信號是否正常。
2.5 系統(tǒng)運行模式
單機運行，通過觸摸屏操作機床。該模式下又可實現(xiàn)單軸加工、全自動加工兩種加工方式。
聯(lián)機運行，通過終端調(diào)度軟件給機床上下料，控制組合機床。
3 軟件設計
本套系統(tǒng)采用了ktp-178micro觸摸屏一臺、cpu226一臺、cpu221三臺，cpu226作為系統(tǒng)的主站。ktp-178通過cpu226的port1口進行數(shù)據(jù)的讀寫，cpu226作為ppi主站通過port0口與下位機的三臺cpu221進行數(shù)據(jù)的讀寫。所用到s7-200的主要控制命令有：網(wǎng)絡讀寫命令(實現(xiàn)cpu226與三臺cpu221之間的通訊、高速脈沖輸出(實現(xiàn)步進電機的控制)、高速計數(shù)(實時讀取各個進給軸的坐標)，本套系統(tǒng)最大可控制軸數(shù)為八軸，為了方便與其它設備聯(lián)機作業(yè)，該系統(tǒng)在控制架構設計上增加了聯(lián)機接口。
3.1 網(wǎng)絡讀寫指令
網(wǎng)絡讀指令(netr)初始化通訊操作，通過指令端口(port0)從遠程設備上接收數(shù)據(jù)并形成表；網(wǎng)絡寫指令(netw)初始化通訊操作，通過指令端口(port0)向遠程設備寫表。
本套系統(tǒng)中，cpu226定義為2#主站，其它三臺cpu221分別定義為3#從站、4#從站、5#從站。
本套系統(tǒng)中利用了網(wǎng)絡讀(netr)三項，共有三十個字節(jié)。(見表2)
本套系統(tǒng)中利用了網(wǎng)絡寫（netw）指令三項，共有二十六個字節(jié)。(見表3)
在cpu226中通過向?qū)Чδ苓M行網(wǎng)絡讀寫的配置，此配置可在ob1主程序進行循環(huán)調(diào)用，也可通過中斷的形式調(diào)用。
ld sm0.0
call net_exe:sbr8, 0, m7.0, m7.1
3.2 組合機床的聯(lián)機接口定義(見表4)
該組合機床有單機/聯(lián)機運行功能，并對聯(lián)機運行時提供了i/o接口定義。
s1為電平信號，上位機通知機床回零，回零結(jié)束時上位機收到機床就緒信號，再切斷該信號。
s5為電平信號，上位機通知機床全自動運行，切斷該信號，機床自動運行結(jié)束。
s6為脈沖信號。上位機上下料完成時通知機床繼續(xù)運行。
3.3 高速脈沖輸出指令
從站的三臺cpu221每臺控制兩軸的步進電機，利用cpu本身集成的兩通道高速脈沖輸出信號作為步進電機驅(qū)動器的脈沖輸出，其脈沖輸出頻率最高達到20khz，根據(jù)各軸加工的特點，其控制程序要求步進滑臺在作加工時有以下特點：
零點(原位)→快進(快速)→攻進(慢速)停留→快退(快速 零點(原位)
根據(jù)此特點該程序在設計時采用多段pto功能，以下為單軸進給事例程序：
///網(wǎng)絡1
ld sm0.0
movb 16#a0, smb77
movw 700, smw178
movb 4, vb700
///網(wǎng)絡2
ld sm0.0
movw 1000, vw701
movw -5, vw703
movd 100, vd705
///網(wǎng)絡3
ld sm0.0
movw 500, vw709
movw 0, vw711
movd 500, vd713
///網(wǎng)絡4
ld sm0.0
movw 500, vw717
movw 15, vw719
movd 200, vd721
///網(wǎng)絡5
ld sm0.0
movw 15000, vw725
movw 0, vw727
movd vd524, vd729
atch y軸脈沖完成:int1, 20
eni
pls 1
s q0.3, 1
脈沖發(fā)送完成后產(chǎn)生中斷：
ld sm0.0
s m0.1, 1
creti
3.4 高速計數(shù)指令
由于本套系統(tǒng)為切削加工，同時又有深孔加工工序，其加工深度以及切削速度根據(jù)材料、刀具的不同可隨時更改，為了快速、準確地對刀并減少刀具磨損，在軟件設計上增加了深孔加工時的循環(huán)加工次數(shù)、滑臺的絕對坐標標定等功能。循環(huán)加工：由于刀具磨損、刀具摩擦發(fā)熱，在進行深孔加工時需采用循環(huán)加工方式，此套軟件嚴格遵循加工標準進行深孔加工軟件設計，即減少了進刀時間，又排除了深孔加工排削難的問題。坐標標定：每次更換刀具、工件后都要進行對刀調(diào)試，該軟件設計利用s7-200的高速計數(shù)功能實現(xiàn)了此項功能。
///網(wǎng)絡1判斷運行方向分別計數(shù)
ld sm0.0
lps
a q0.2
lps
ad= vd4, 0
movd hc0, vd0
movd vd0, vd8
lpp
ad<> vd4, 0
movd hc0, vd8
lpp
an q0.2
movd hc0, vd4
///網(wǎng)絡2將計算結(jié)果反饋給cpu226，并通過串口反饋給觸摸屏
ld sm0.0
lps
ad<> vd4, 0
lps
ad> vd8, vd4
movd vd8, vd12
aeno
-d vd4, vd12
aeno
movd vd0, vd16
+d vd12, vd16
lpp
ad< vd8, vd4
movd vd4, vd12
aeno
-d vd8, vd12
aeno
movd vd0, vd16
-d vd12, vd16
lpp
lps
ad= vd4, 0
movd vd8, vd16
lrd
movd vd16, vd20
/d +8, vd20
lpp
movw vw22, vw106
3.5 軟件流程(圖3)
圖3 軟件流程
4 結(jié)束語
該組合機床一經(jīng)推出，已經(jīng)得到大量用戶的認可，并投入使用，運行穩(wěn)定，高速，成為了我們公司的利潤產(chǎn)品。原來的多路高速脈沖輸出控制多軸步進的功能一直是日系plc的主要強項，而西門子如果通過更大型的plc來實現(xiàn)的話，在這類機器里的成本又過高?，F(xiàn)在采用的s7-200的聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了多路高速輸出功能，成本還低于日系的plc，可以說歐美plc的強大數(shù)據(jù)處理方面的功能在這個組合機床的oem設備市場得到了最好的應用，對我們用戶來說，既節(jié)省了成本，功能上又大大增強。
隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，高品質(zhì)的自動化產(chǎn)品和方便快捷的組網(wǎng)實現(xiàn)更復雜的功能，將使自動化進入一個新的發(fā)展階段。總線和網(wǎng)絡技術、人機界面等產(chǎn)品將在工業(yè)和生活中得到越來越廣泛的應用。西門子高品質(zhì)的自動化產(chǎn)品和完整的解決方案，為滿足機床自動化的各種需要提供優(yōu)秀的技術平臺。