西门子S120控制单元6SL3055-0AA00-5BA1

·刀具测量与自动对刀软件

·该软件包括刀具测量和自动对刀两个相对独立的软件模块，两者基于共同的硬件结构。其中对刀软件的功能就是确定编程坐标系和机床坐标系之间的相对位置关系，只要硬件可靠，软件实现起来较为简单。

·对于刀具的重磨加工，由于有关刀具形状和切削参数的理论数据并不已知，数控编程和加工的唯一依据是刀具实物模型。刀具测量系统的功能就是通过对刀具实物模型进行采样，将刀具实物模型的几何模拟量转换成自动编程软件能够接收的几何数字量，以实现刀具编程和加工。刀具测量软件主要由测头运动控制模块、数据采集模块和数据处理模块组成，其中测头运动控制模块是整个软件的关键，对于不同的刀具种类及加工要求、不同的测头类型，具有不同的运动控制策略(限于篇幅，本文不再展开)。

3 数控系统改造实例

如图4所示为国内某飞机制造厂从德国引进的WALTER公司生产的Helitronic 30 NC数控工具磨床，该磨床具有5个机床运动轴(X、Y、Z、A、B)，可实现3轴(X、Z、A)数控两轴(X、A)联动，其余两轴(Y、B)为手动轴。该工具磨床实际上为手动/自动两用机床，手动操作方式下可完成内、外圆磨削简单功能；自动加工方式下，系统固化有三个自动加工程序，分别为：①外圆磨程序； ②直齿圆柱刀具分度磨削程序；③螺旋齿圆柱刀具(分度)磨削程序。

改造之前，该工具磨床主要存在以下缺陷和问题：①机床操作和控制完全通过面板上的按钮进行，相当繁琐、复杂；②不能实现三轴联动；③只能按照固有的三个程序进行自动加工，不能另外编程加工；④数控系统老化，不能稳定运行。所以，必须对该磨床进行改造。

按照前述机床改造技术路线和技术方案，对该工具磨床进行了数控系统改造。主要改造内容包括：

硬件改造 用华中2000型数控单元替换原来的控制系统硬件；用日本松下交流伺服单元和电机替换原来X、Z、A轴步进电机和驱动单元；增装刀具测量和对刀装置；保留原有机床的主轴单元和液压系统。

软件改造 用华中2000型工具磨床专用数控系统替换原来的控制系统。

工具磨床经过数控系统改造后，功能和技术特点为：机床可实现三轴(X、Z、A)联动；可进行各种铣刀的后刀面磨削加工；直接在CNC上以图形菜单方式输入被磨刀具的参数和加工工艺即可进行加工或修磨，实现了编程加工一体化；具有刀具几何形状测量功能，保证各种铣刀后刀面的重磨加工；可在线对砂轮参数、刀具参数、磨削工艺和磨削用量等进行方便的修改，可充分发挥操作者的丰富经验，刀具试磨和修磨过程非常方便机床运动由计算机控制，实现了真正意义上的程序控制，使操作简单、可靠。

经过改造后的数控系统的硬件结构如图1所示，主要由计算机数控单元、伺服驱动单元(包括电机)和测量单元三个部分组成。

    数控单元包括工业PC机、位置控制模块、输入输出模块，是组成数控系统的*基本单元。其中工业PC机可根据需要配置CPU、内存、显示卡、显示器、硬盘或电子盘、软驱等；位置控制模块有多个位置检测接口，采集光电编码器的脉冲信号，作为机床各个坐标的位置反馈，并通过多路D/A输出信号控制速度单元，既可与武汉华中数控公司生产的全数字交流伺服单元及电机配套，也可与德国西门子公司、德国AMK公司、日本三洋公司、松下公司的驱动单元配套。输入输出模块是 CNC系统内嵌PLC的硬件输入输出接口，输入输出电压为24V，*大电流为100mA，用于操作面板的按钮信号输入、机床的开关检测输入等，基本输入/ 输出点数为48/48点，也可根据需要扩展为256/196点。

伺服单元及电机是系统可靠运行的*重要保证。交流伺服单元采用光电编码器实现位置检测反馈，2500个脉冲/r。系统*小分辨率为0.001mm/0.001°。

测量单元是系统实现刀具测量和自动对刀功能的必需硬件组成。包括信号处理模块和测量元件。前者主要指A/D转换和数据滤波，后者为刀具测量和对刀传感器(测头)，可根据需要选择接触式或非接触式测头。

◆系统软件结构

·总体结构

华中Ⅰ型通用数控系统基于DOS开发，采用分层模块化结构。系统软件分为四层：第一层为操作系统层，包括文件管理，进程管理，实时任务调度，参数数据库的物理管理层。系统管理软件是在DOS的基础上扩充，增加了实时任务调度，CRT驱动程序，参数库接口软件。任务控制的入口是INT62，软中断，具有转调度、创建、挂起、撤消、阻塞、唤醒、延迟和获取任务状态的控制原语。第二层为机床输入输出层，包括位置环控制软件，MST代码输出，调挂管理及开关量输入输出。位置控制软件通过内部通讯区接收控制及位置指令，并将位置控制指令传递给伺服单元。第三层为插补控制层，为ISO代码插补，包括插补、刀补和程序编译。第四层为用户操作层。各层具体内容如图2所示，这种层次模块化结构便于改进和移植。刀具数控磨削自动编程软件和刀具测量与自动对刀软件就是集成在用户操作层中

数控工具磨床，特别是多轴数控、多轴联动的数控工具磨床是高效、高质量磨削制造精密、复杂形状刀具的高、精、尖关键设备，也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品，其研究开发具有相当的技术难度。 

     采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工必须依靠刀具磨削加工技术和编程技术，而各种复杂形状刀具的磨削加工技术和编程软件，目前在国外也属于专利技术或保密技术。正因为如此，目前世界上也只有少数厂商能够生产高性能的数控工具磨床。 

    为了提高我国的刀具制造工艺水平和质量，国内一些刀具生产厂家和应用厂家从国外引进了数控工具磨床，这些数控机床经过相当长时间的使用后，其主机性能基本完好，仍可使用，而其数控系统则已经远远落后于现代数控系统技术，属于已淘汰产品。国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具(特别是复杂刀具)的磨削加工。因此，对这些国产的数控工具磨床的数控系统也必须进行改造。 


上述数控系统改造通常采用国外数控工具磨床生产厂家*新的专用数控系统。这种改造方案虽有技术成熟，风险小，可靠性有保证的优点，也有价格昂贵，工艺编程针对性差等多方面缺陷。华中2000型工具磨床专用数控系统，是在国家“八五”重点攻关项目“数控**工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发的用于各种回转刀具磨削加工的集成化CNC系统。采用该系统，则可以很好地解决以上问题，费用还低。 


2 改造后数控系统的功能和结构


◆系统基本功能 


通用数控系统功能 系统保留了原通用数控系统的基本功能，如*多16轴数控9轴联动的轴控制功能，程序校验功能，MDI功能，直线、圆弧、螺旋线插补功能，M、S、T功能，故障诊断显示功能，内嵌式PLC功能等。 

自动数控编程功能 该系统的*大特点就是在标准通用数控系统的基础上，集成了刀具磨削加工编程软件，直接在CNC系统上以图形菜单方式输入被磨刀具的结构尺寸与加工工艺，即可自动编程和加工，实现了编程加工一体化。 

刀具测量和自动对刀功能 在本系统将刀具测量功能集成在数控系统中。在刀具数控磨削加工中，自动对刀解决了手工对刀繁琐、精度差的问题。

 前言：

    拉丝机行业，涉及的设备种类非常多，常见的拉丝机有水箱式拉丝机、直进式拉丝机、滑轮式拉丝机、倒立式拉丝机等，拉丝机主要应用在对铜丝、不锈钢丝等金属线缆材料的加工，属线缆制造行业极为重要的加工设备。随着变频调速技术的不断发展，变频调速器已经被广泛应用在拉丝机行业，承担着拉丝调速、张力卷取、多级同步控制等环节，变频器的应用，大大提高了拉丝机的自动化水平与加工能力、有效降低了设备的单位能耗与维护成本，得到了行业的广泛认同。

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    上图为小型拉丝机的简易示图，从机械上，可以分解为拉丝部分与收线部分，从电气控制上可以分解为拉丝无级调速控制与卷取的恒张力同步控制，通过张力摆杆的位置变化，回馈控制系统，经过自动运算，改变卷取电机运行速度，从而达到卷取与拉丝两个环节体现出恒张力与速度同步，并通过排线导轮电机，可以随着卷取速度的不同，均匀地将成品金属丝缠绕在卷取工字轮上，以实现对金属材料的拉伸加工。

    行业现状：

    行业的现状，本材料只限于针对电气控制部分的陈述，请读者谅解！

    上图所示的小型拉丝机的控制模式，是目前主流的控制方式，拉伸与卷取控制由PLC或者工控机IPC来完成，变频器接受PLC或者IPC的指令，实现拉伸级的无级调速与卷取的恒张力控制。该系统解决方案将直接导致成本高昂、系统复杂、维护难度大、维修成本高、系统控制响应差等问题。

    INVT推荐方案：

    上述示意图为INVT向您推荐的控制方式，该两种中型、小型、微型伸线机电气控制方式，将卷取的同步与张力控制、系统开动与停车控制、故障报警等功能集成在变频器内部，与机械系统融为一个整体，外部信号直接送入变频器，经内部算法快速反应在对系统的直接控制，大大提高了系统的响应速度，省去PLC、HMI、IPC，节省系统成本，降低故障点，并可根据用户需求配置LED或者LCD操作盘，体现人机操作的人性化，方便用户的操作、维护、调试与使用。

在实际应用中，工程人员在做一个系统选型的时候，对于这个系统选用S7-200系统还是S7-300系统，*主要取决于系统所需承载的*大IO容量。目前S7-200 PLC系统*大IO容量为128 DI/128 DO，32 AI/32 AO，如系统控制数字量或模拟量要求点数超出系统规定的范围，S7-200系统就不能满足于控制要求，大多会改用S7-300系统来满足应用的要求。
　　近年来，工控行业迅速发展，许多机械设备，如大型塑料挤出机、污水处理控制、汽车装配生产线等，IO控制点数已超出S7-200 系统所能达到的能力，更多用户只能选择S7-300系统，我们行内人士都知道，使用300系统与200系统价格相差甚大，少则几千，多则几万，这大大提高了设备制造成本，降低了市场竞争力。基于上述需求，奥越信科技经过多年的技术积累，为更好的服务与市场，推出了基于S7-200系统超强扩展能力的解决方案，自主产品----IM265A机架扩展模块。用S7-200主机扩展6个模块第七个槽位连接IM265后面再接7个扩展模块，大大扩展了200系统IO容量。而且使用简单，编程方便，极大的满足了客户应用。
 
IM265A机架扩展模块图如下：
产品特点：
1、轻易扩展200系统的容量，可扩展7个IO模块，单个CPU后*多可扩展14个模块；
2、输入双向光电隔离，支持80CM总线延长线，可靠且便于安装；
3、IM265A模块本体自带16DI/16DO，性价比极高
系统应用实例：
 
江苏无锡某污水处理项目控制对象包括进水井、提升泵房、细格栅间、二沉池、曝气沉砂池、鼓风机房、生化反应池、紫外线消毒柜、出水渠等，每个关键控制区都需检测液位、温度、PH值等参数。

上图所示工业污水处理系统的电气控制系统总框图，
 
结合控制要求及工艺，此控制系统由现场控制和远程控制相结合的方式，现场由200主机+OYES扩展模块+IM265+OYES 200系列模块进行数据采集,检测液位、温度、PH值等，如下图：

IM265模块使用方法及注意事项：
1、IM265A给后续扩展模块提供总线电源，无需考虑总线电源消耗问题
2、IM265A需占用IO槽位，必须放置在CPU后第7个模块内，否则IM265不
能识别
3、总模块数大于7个，模拟量模块尽量全部放置在CPU后，IM265A后只放
   置数字量模块。
4、使用时，IM265A左下侧的供电电源必须接，否则模块不能识别
5、IM265A模块具体参数，请见奥越信模块用户手册。
 
结论：
    基于S7-200系统超强扩展能力的解决方案，用S7-200系统+IM265模块代替部分S7-300系统，即为生产提供了技术便利，又节约成本，提高企业了竞争力，对于当前广大设备制造商来说是一种高性价比的自动化控制系统解决方案