為滿足鋼構(gòu)生產(chǎn)廠家跟蹤、掌握產(chǎn)品的質(zhì)量及用戶了解鋼構(gòu)產(chǎn)品相關(guān)信息的需要，近年來鋼構(gòu)信息標(biāo)識(shí)越來越受到重視。國內(nèi)鋼構(gòu)信息標(biāo)識(shí)主要有刻字、針式打印及打字3種方式，其中刻字技術(shù)主要采用數(shù)控機(jī)床銑刀刻字、激光刻字和電火花成型等技術(shù)，投資大，成本高；針式打印技術(shù)采用點(diǎn)陣標(biāo)識(shí)的方法，打印速度高，成本低，但打印的標(biāo)識(shí)辨識(shí)率不高，視覺效果不好；鋼構(gòu)打字技術(shù)則是在要標(biāo)識(shí)的鋼件上用沖壓動(dòng)力沖擊成型字模，沖壓的字體清晰，深度容易控制，并且字頭刀具壽命長，成本低，相比較而言，在國內(nèi)，鋼構(gòu)打字技術(shù)更適宜被選用。一般采用盤式打字，打字效率較低，不能靈活換刀。國外的鋼構(gòu)打字技術(shù)一般采用數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字技術(shù)，效率高，換刀靈活，使用壽命長，成本低。國內(nèi)數(shù)控車床配套的轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)大部分從國外直接引進(jìn)，沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)上無法升級(jí)更新，關(guān)鍵技術(shù)被國外知名廠商壟斷。基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)控(NCNC)和數(shù)控組態(tài)技術(shù)的思想，設(shè)計(jì)開發(fā)高速轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)，突破國外數(shù)控車床配套的轉(zhuǎn)塔打字技術(shù)封鎖是國內(nèi)鋼構(gòu)打字系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)控制原理

　　該系統(tǒng)從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，采用集國際最新的伺服系統(tǒng)技術(shù)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)、獨(dú)立PLC控制于一體的全自動(dòng)智能化工作方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)的最優(yōu)路徑換刀控制。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向PLC發(fā)出啟動(dòng)／停止命令，接收PLC發(fā)回的工作狀態(tài)信號(hào)，確定整個(gè)系統(tǒng)的控制動(dòng)作并能實(shí)時(shí)顯示。

　　PLC則檢測(cè)操作面板的狀態(tài)，并將工作狀態(tài)信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)刀塔伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)位控制。作者主要介紹了PLC實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)路徑換刀的軟、硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)備從總體上分為3大部分：機(jī)床本體機(jī)械部分、電動(dòng)伺服部分和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)部分，并介紹了CNc與PLC、PLC與伺服系統(tǒng)、PLC與機(jī)床相互間的信息通訊。

2 轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，電機(jī)應(yīng)用已由過去簡單的起停控制、提供動(dòng)力為目的的應(yīng)用，上升到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確控制，使被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制。作者所選用的伺服刀塔的核心技術(shù)就是伺服電機(jī)的位置控制技術(shù)，PLc通過控制輸入到伺服電機(jī)線圈組中的脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的角位移和速度的控制，從而控制數(shù)控刀塔的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)及步數(shù)等。VDI盤式刀庫的最大轉(zhuǎn)角為180。，由PLC系統(tǒng)根據(jù)所換刀具的位置決定轉(zhuǎn)向，以使換刀的路徑最短，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑換刀。

　　2.1 轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)刀架的選擇

　　考慮到系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)認(rèn)真比照篩選，最終選用的是AK36100×12系列高速換刀伺服刀架，該刀架以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)分度，液壓控制松開、剎緊三聯(lián)齒盤定位，可雙向回轉(zhuǎn)和任意刀位就近選刀，轉(zhuǎn)位時(shí)間可調(diào)，30°最快轉(zhuǎn)位時(shí)間0.15 s，中心高100 mm，重復(fù)定位精度±2”，伺服電機(jī)功率500 w。

　　2.2 轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)電氣控制原理

　　伺服電機(jī)必須根據(jù)PLC的指令，隨時(shí)進(jìn)行正、反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這里選用的是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，在此電氣控制系統(tǒng)中，通過對(duì)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的需求分析，首先要設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)啟停控制信號(hào)，再設(shè)置電機(jī)速度和方向控制信號(hào)，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和從對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)考慮，這里需要加入狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，最后確定輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)的使用。

　　當(dāng)按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕FsB后，正轉(zhuǎn)接觸器FKM動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；FKM的一個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)串聯(lián)在接觸器RKM線圈的控制回路內(nèi)，它此時(shí)先斷開，切斷接觸器RKM線圈的回路，F(xiàn)KM的一個(gè)動(dòng)合觸點(diǎn)后閉合實(shí)現(xiàn)自鎖；若再按RSB，接觸器RKM受FKM的動(dòng)斷觸點(diǎn)互鎖不能動(dòng)作，這樣就防止了電源短路的事故。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，按下停止按鈕SB，正轉(zhuǎn)接觸器FKM失電，電動(dòng)機(jī)停止，F(xiàn)KM的動(dòng)斷觸點(diǎn)恢復(fù)，為反轉(zhuǎn)作準(zhǔn)備；再按下反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕RSB，反轉(zhuǎn)接觸器RKM得電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)中采用的是既有電氣互鎖，又有機(jī)械互鎖的雙重互鎖控制線路。在按動(dòng)按鈕FSB的過程中，F(xiàn)SB的動(dòng)斷觸點(diǎn)先斷開RKM的線圈回路，F(xiàn)SB的動(dòng)合觸點(diǎn)后閉合，使FKM線圈得電并自鎖，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)工作情況亦然。

　　2.3 可編程控制器的選擇

　　該轉(zhuǎn)塔鋼板打字機(jī)的控制器選擇日本三菱公司生產(chǎn)的F)(2N系列可編程控制器。該系列PLC具有配置靈活、指令功能豐富且執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部可用的輔助繼電器M、狀態(tài)繼電器S、定時(shí)器T、寄存器D、計(jì)數(shù)器C的功能和數(shù)量足以滿足該打字系統(tǒng)的控制需求；另外，它還可進(jìn)～步配合網(wǎng)絡(luò)PC機(jī)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，為調(diào)試和維護(hù)提供極大的方便。對(duì)該刀塔L／O系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，刀塔對(duì)PLC的輸入信號(hào)24個(gè)，輸出信號(hào)4個(gè)，因此選用48點(diǎn)的Fx2N48M可編程控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的獨(dú)立式PLC。

3 轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　可編程控制器PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它接收來自現(xiàn)場(chǎng)裝置的狀態(tài)信號(hào)，并通過CPU求解用戶編制的邏輯程序，將控制信號(hào)輸出，直接控制應(yīng)用裝置。作者采用的是獨(dú)立型PLC，它具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨(dú)立完成規(guī)定的控制任務(wù)，而且它獨(dú)立于CNC裝置，具有安裝方便、功能易于擴(kuò)展和變更等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)踐與深入研究，作者提出了利用PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔最優(yōu)換刀路徑的方法，采用PLC進(jìn)行換刀控制，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的識(shí)刀器；刀具庫及刀塔上的刀具號(hào)均記憶在PLC內(nèi)部相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，只需在PLC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，令其長度與刀具庫的容量相對(duì)應(yīng)即可；刀塔自動(dòng)換刀管理主要由軟件實(shí)現(xiàn)，因而避免了由機(jī)械識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的換刀失誤。

　　3.1 刀具數(shù)據(jù)表庫建立

　　刀塔是數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字機(jī)刀具的安裝設(shè)備，刀塔上每個(gè)安裝刀具的位置稱為工位，工位按照一定的順序編號(hào)進(jìn)行識(shí)別。刀具號(hào)作為CNC裝置T功能的輸出送至PLC，由PLC根據(jù)T代碼管理刀庫和更換刀具，并利用刀具和刀具座的編號(hào)進(jìn)行選刀和換刀的控制，在PLC內(nèi)部，刀座號(hào)和刀具號(hào)均采用BCD碼。值得注意的是，刀塔上每個(gè)工位一次只能裝一把刀具，這就要求刀號(hào)數(shù)據(jù)表庫中每個(gè)工位信息也只能有一把刀的信息；刀具和刀座的參數(shù)一經(jīng)設(shè)定不得改變，特別是不能對(duì)仍安裝在刀塔上的刀具在刀號(hào)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行刪除和參數(shù)修改操作。

　　3.2 系統(tǒng)各部分之間的信息通信

　　在伺服刀塔的控制中，PLC根據(jù)CNC、伺服系統(tǒng)及機(jī)床本體機(jī)械部分控制的需要，對(duì)系統(tǒng)提供的相關(guān)接口信號(hào)進(jìn)行合適的選擇和處理，有機(jī)地協(xié)調(diào)這幾者之間的關(guān)系，以達(dá)到良好的邏輯控制效果。在該伺服刀塔控制中使用到的接口信號(hào)共有3類：機(jī)床、PLC信號(hào)、伺服、PLC信號(hào)、PLC—CNC信號(hào)，包括代碼指令數(shù)據(jù)(即目的刀位數(shù)據(jù))，伺服向PLC發(fā)送的伺服準(zhǔn)備好信號(hào)、到位信號(hào)、伺服報(bào)警信號(hào)等。

　　PLC與CNC組成主從分布式控制系統(tǒng)，CNC作為主機(jī)主要完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析加工、狀態(tài)顯示和打印輸出等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；PLC是CNC與外部協(xié)調(diào)工作的一個(gè)重要接口，它通過接收CNC傳來的指令，監(jiān)控機(jī)床的狀態(tài)，并根據(jù)這些輸入信息運(yùn)行事先編制好的機(jī)床工作邏輯程序，將結(jié)果通過輸出口直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)將信息返回CNC進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　系統(tǒng)采用幀格式與中斷調(diào)用相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)CNC主機(jī)與PLC之間的實(shí)時(shí)通信。在進(jìn)行通信時(shí)，CNC與PLC間使用命令(command)和響應(yīng)(Re—sponse)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，根據(jù)PLC數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷調(diào)用時(shí)，CNC通過串口通訊向PLcC發(fā)出讀或?qū)懣刂茀^(qū)的指令；在串口中斷調(diào)用時(shí)，CNC接收從PLC響應(yīng)的控制區(qū)數(shù)據(jù)。這種控制系統(tǒng)發(fā)揮了CNC主機(jī)與PLC各自的特點(diǎn)，能很好地完成控制機(jī)床加工和監(jiān)視機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)。

　　3.3 最優(yōu)路徑高速換刀軟件流程

　　該數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)刀塔主軸正反轉(zhuǎn)就近換刀的動(dòng)作指令由PLC的軟件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)CNC接收刀具編號(hào)信息后，立即送入PLC進(jìn)行識(shí)別，PLC發(fā)出指令啟動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)刀塔按就近方向旋轉(zhuǎn)，第一時(shí)間將其送到位置檢測(cè)點(diǎn)。刀塔旋轉(zhuǎn)方向由所需刀具編號(hào)與實(shí)際編號(hào)的差值確定。該打字系統(tǒng)刀具庫有12把刀具，編號(hào)分別為0—11，中間位置是6。若設(shè)定編號(hào)與刀庫實(shí)際編號(hào)的差值大于等于6，刀庫主軸正轉(zhuǎn)；當(dāng)差值小于6時(shí)，則反轉(zhuǎn)；而當(dāng)差值小于0時(shí)，用補(bǔ)碼運(yùn)算。例如：

　　若系統(tǒng)設(shè)定編號(hào)為10，刀庫實(shí)際編號(hào)為3，則：

　　10-3=7>6，刀庫正轉(zhuǎn)；

　　若系統(tǒng)設(shè)定編號(hào)為10，刀庫實(shí)際編號(hào)為5，則：

　　10-5=5<6，刀庫反轉(zhuǎn)；

　　若系統(tǒng)設(shè)定編號(hào)為0，刀庫實(shí)際編號(hào)為4，則：

　　0-4=-4。補(bǔ)碼為8>6，刀庫正轉(zhuǎn)。

　　刀塔旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得刀塔的實(shí)際位置與目標(biāo)位置一致時(shí)，即尋找的新刀具位于換刀位置，刀塔停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。

4 結(jié)語

　　該項(xiàng)目研究針對(duì)國內(nèi)數(shù)控打字系統(tǒng)打字效率低、無法識(shí)別國外主流鋼結(jié)構(gòu)軟件支持的dstv數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、與主流數(shù)控鋼構(gòu)加工生產(chǎn)線的配套兼容性差等問題進(jìn)行研究，旨在開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)。作者從數(shù)控轉(zhuǎn)塔自動(dòng)換刀控制出發(fā)，提出一種基于獨(dú)立型PLC的高速轉(zhuǎn)塔自動(dòng)換刀控制方法，以軟件換刀方式尋找換刀最優(yōu)路徑，控制伺服刀塔按要求轉(zhuǎn)向可靠定位，同時(shí)解決了PLC與CNC、PLc與機(jī)床及PLC與伺服系統(tǒng)相互間的分工和實(shí)時(shí)信息交換問題。項(xiàng)目合作單位長期從事鋼構(gòu)、鐵塔相關(guān)數(shù)控加工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造與銷售，熟悉國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，能及時(shí)把握數(shù)控車床配套打字系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀。經(jīng)過市場(chǎng)進(jìn)一步調(diào)研分析，項(xiàng)目組成員正積極投入下一步研究工作，以圖設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)，注重與數(shù)控加工生產(chǎn)線配套兼容性問題，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)在數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字技術(shù)上的新突破，以適應(yīng)國內(nèi)外市場(chǎng)更多更高的需求。項(xiàng)目開發(fā)潛力大，應(yīng)用前景廣闊。