SoMachineM258系列PLC在数控双头精密切割锯上的应用

摘要：本文主要介绍了SoMachineM258系列PLC在数控双头精密切割锯上的成功案例，主要采用了CANopen现场总线实现对运动控制部分的数据采集与控制，本文重点介绍了工艺原理、结构特点、工艺流程、控制方案等。

01、前言

近年来，随着我国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，铝型材作为建筑领域和机械工业领域里重要的应用材料，其整个行业的产量和消费量迅猛增长，我国也一跃成为世界最大的铝型材生产基地和消费市场。

本文中的应用客户系专业从事塑料门窗加工设备的研发、制造和销售的中国顶级品牌企业，在国内率先研发出数控双头精密切割锯、木门窗加工中心等高精尖设备，填补了行业空白。

该设备主要用于铝、塑门窗及幕墙等型材的角度锯切加工，两个锯头可单独工作，也可同时工作，在45°到157.5°之间可实现任意角度旋转。该设备具有操作简单、性能可靠、技术先进、易于维修保养、切削速度高、加工精度高、生产效率高等优点。

02、工艺简介

1、设备外观

数控双头精密切割锯LJB2B-CNC-500x5000是生产塑钢、铝型材门窗的主要切割设备，可完成对型材的长度、两侧倾斜角度的精确切割。

2、结构特点

该设备由定位机构、左锯头、右锯头、气动系统、电气控制系统组成，其中定位机构采用全闭环控制方式，提高了定位精度与工作效率;同时，具有型材切割优化功能，使每一根型材在切割完成后所产生的废料减少至最小，大大节约了生产成本。

电气控制系统全部采用施耐德电气整体解决方案，PLC与伺服系统之间采用CANopen总线控制方式，PLC与HMI之间采用标准Modbus总线控制方式，PLC与上位机之间采用工业以太网控制方式，安装方便、减少了硬件接线过多造成的潜在隐患点、抗干扰能力强。

3、工作原理

主要工序为锯切定位、型材压紧、型材定位、锯切等，传动系统采用伺服系统与进口减速机进行控制，使定位精度精确至0.1MM，切割角度精度精确至0.01°，通过HMI对加工工艺参数进行设置，由上位机管理软件对型材进行优化切割，将控制数据传输至PLC中。

4、工艺流程

Ⅰ、设备上电后，按下“回零”按钮，定位机构与两个锯切机构执行回原点功能，原点回归完成后，将实际定位数据写入至伺服系统;原点回归采用反转找Z相的方式，提高原点回归的定位精度，同时，可重复执行原点回归功能。

Ⅱ、按下“锯切电机”按钮，启动锯片旋转;通过HMI设定加工型材的加工数据，并选择适合的工作模式，这些数据全部存储在PLC中。

Ⅲ、按下“定位运行”按钮，定位机构定位至设定长度位置，锯切机构定位至切割角度位置。

Ⅳ、放入后型材，按下“启动”按钮，型材夹紧-锯片前进-锯片后退-夹紧松开-取下型材。

5、设备性能指标

电源：三相四线，380V，50Hz

锯切电机：2×2.2KW，转速：2800r/min

伺服电机：3×0.75KW，转速：3000r/min

工作压力：0.5～0.8Mpa

供气量：60L/min

锯切长度：900mm，max5000mm，min480mm

锯切长度：450mm，max5000mm，min760mm

锯切宽度：120mm

锯切高度：230mm

锯切角度：45°～90°～157.5°之间任意角度旋转

进刀速度：0～3m/min

移动速度：0～20m/min

锯片规格：φ500×4.4×φ30，Z=120

外形尺寸：6800mm×1500mm×2040mm

重量：2500kg

03、控制系统的技术要求与控制方案

1、技术要求

PLC：DI：26点，24VDC;DO：16点，Tr，24VDC，0.5A。

HMI：7寸，65535色，TFT，RS485。

Motion：一台LXM32M控制定位机构，外部磁栅尺接入LXM32M，形成全闭环控制，确保定位精度，两台LXM23A控制锯切机构上位机系统：采用VB开发的界面，具有型材优化，加工样式保存与导入等功能，与PLC之间采用工业以太网通讯。

2、控制方案

控制系统以M258系列PLC为核心，通过集成的CANopen主站通讯口连接1台Lexium32M系列伺服系统和两台Lexium23A系列伺服系统，实现点动、回原点、绝对定位控制等功能。

PLC与伺服系统之间通过CANopen总线的PDO或SDO数据交换方式，可实时获取当前位置、当前速度、状态字等信息，也可修改及调用伺服系统的各内部运动任务，实现设备的控制需求。PLC与HMI之间采用标准Modbus通讯协议进行交换数据，各工艺参数均可通过HMI进行设置或监控。上位机采用VB开发的界面，具有型材优化，加工样式保存与导入等功能，与PLC之间采用工业以太网通讯实现数据交换，对设备各工艺环节的监控。

3、控制难点分析

Ⅰ、定位精度;定位机构最大行程为5M，传动机构为同步带，常规的脉冲控制难以解决机械误差造成的定位精度等问题，如果使用补偿的方式也可保证定位精度，但在一定程度上牺牲了定位速度，降低了工作效率。

解决方案：在整个定位机构的导轨上安装一个外部磁栅尺，直接接入至LXM32M伺服系统，使外部磁栅尺与伺服系统行成全闭环，不但可以确保定位精度，也可保证定位速度，提高工作效率。

Ⅱ、切割长度计算;解决方案：如图所示，在设置切割长度时，我们是以切割型材的两个底边的长度来设置的，由于两个侧边需要切割角度的不同，定位机构所要走的距离也会不同，实际行走的距离=切割长度-型材度/Sina-型材高度/Sinb，里面涉及到三角函数的运算，同时，还要把锯片的厚度也要计算在三角函数内。

通过SoM中灵活的编程语言，使用ST语言对这些数据机型高精度浮点数运算后，再转换为脉冲数控制伺服系统进行定位。

Ⅲ、伺服系统每次原点回归的位置不一致?原点回归模式为遇到原点信号之后反转找到伺服系统的Z相后停止，在原点信号非常接近伺服系统Z相信号的情况下，如果原点信号响应时间快，则会发生反转时立刻就会抓到伺服Z相的现象，而原点信号响应时间慢时，则会发生反转时伺服Z相到达而原点信号还未到达的现象，造成原点回归停止在伺服第二次Z相信号位置;

解决方案：轻微移动原点信号，使其在触发时大约在伺服相对Z相点的半圈位置。

04、应用总结

本系统采用了施耐德电气整体解决方案，具有以下几大优势：

●PLC与伺服系统之间采用CANopen总线控制方式，消除了常规控制方式所带来的种种不安全潜在因素，不需要改变任何硬件接线的多模式自由切换方式使控制更加灵活，数据信息的实时反馈确保系统稳定运行，通过总线控制方式，有效降低了生产成本，减少了配线工作量，为未来设备的扩展与更新提供了便利条件;

●提高了设备运行的稳定性。由于原方案的三台伺服采用脉冲信号控制，设备经常出现运行不稳定的现象，且无法实时反馈伺服系统的数据信息，改善了此弊端;

●提高了设备生产效率。采用施耐德电气方案后，生产速度可达20m/min。生产速度提高10%，设备运行稳定性相比以前提高10%;

●人性化的编程界面，多种语言混合编程模式，操作简单，使用方便。