為滿足鋼構生產廠家跟蹤、掌握產品的質量及用戶了解鋼構產品相關信息的需要，近年來鋼構信息標識越來越受到重視。國內鋼構信息標識主要有刻字、針式打印及打字3種方式，其中刻字技術主要采用數(shù)控機床銑刀刻字、激光刻字和電火花成型等技術，投資大，成本高；針式打印技術采用點陣標識的方法，打印速度高，成本低，但打印的標識辨識率不高，視覺效果不好；鋼構打字技術則是在要標識的鋼件上用沖壓動力沖擊成型字模，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，鋼構打字技術更適宜被選用。一般采用盤式打字，打字效率較低，不能靈活換刀。國外的鋼構打字技術一般采用數(shù)控轉塔打字技術，效率高，換刀靈活，使用壽命長，成本低。國內數(shù)控車床配套的轉塔打字系統(tǒng)大部分從國外直接引進，沒有自主知識產權，技術上無法升級更新，關鍵技術被國外知名廠商壟斷。基于網(wǎng)絡數(shù)控(NCNC)和數(shù)控組態(tài)技術的思想，設計開發(fā)高速轉塔打字系統(tǒng)，突破國外數(shù)控車床配套的轉塔打字技術封鎖是國內鋼構打字系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 轉塔打字系統(tǒng)控制原理

　　該系統(tǒng)從生產實際出發(fā)，采用集國際最新的伺服系統(tǒng)技術、工業(yè)控制計算機技術、獨立PLC控制于一體的全自動智能化工作方式，實現(xiàn)數(shù)控轉塔打字系統(tǒng)的最優(yōu)路徑換刀控制。計算機數(shù)控系統(tǒng)主要負責向PLC發(fā)出啟動／停止命令，接收PLC發(fā)回的工作狀態(tài)信號，確定整個系統(tǒng)的控制動作并能實時顯示。

　　PLC則檢測操作面板的狀態(tài)，并將工作狀態(tài)信號傳送給計算機數(shù)控系統(tǒng)，同時驅動刀塔伺服執(zhí)行機構，實現(xiàn)精確的轉位控制。作者主要介紹了PLC實現(xiàn)的最優(yōu)路徑換刀的軟、硬件設計，該設備從總體上分為3大部分：機床本體機械部分、電動伺服部分和計算機數(shù)控系統(tǒng)部分，并介紹了CNc與PLC、PLC與伺服系統(tǒng)、PLC與機床相互間的信息通訊。

2 轉塔打字系統(tǒng)硬件設計

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發(fā)展，電機的應用技術也得到了進一步的發(fā)展，電機應用已由過去簡單的起?？刂啤⑻峁﹦恿槟康牡膽?，上升到對其速度、位置、轉矩等進行精確控制，使被控機械運動實現(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就是伺服電機的位置控制技術，PLc通過控制輸入到伺服電機線圈組中的脈沖頻率，實現(xiàn)對伺服電機的角位移和速度的控制，從而控制數(shù)控刀塔的轉速、正反轉及步數(shù)等。VDI盤式刀庫的最大轉角為180。，由PLC系統(tǒng)根據(jù)所換刀具的位置決定轉向，以使換刀的路徑最短，實現(xiàn)最優(yōu)路徑換刀。

　　2.1 轉塔打字系統(tǒng)刀架的選擇

　　考慮到系統(tǒng)各項技術指標要求，經(jīng)認真比照篩選，最終選用的是AK36100×12系列高速換刀伺服刀架，該刀架以伺服電機驅動分度，液壓控制松開、剎緊三聯(lián)齒盤定位，可雙向回轉和任意刀位就近選刀，轉位時間可調，30°最快轉位時間0.15 s，中心高100 mm，重復定位精度±2”，伺服電機功率500 w。

　　2.2 轉塔打字系統(tǒng)電氣控制原理

　　伺服電機必須根據(jù)PLC的指令，隨時進行正、反方向轉動。這里選用的是三相交流異步電動機，在此電氣控制系統(tǒng)中，通過對實現(xiàn)任務的需求分析，首先要設置相應的系統(tǒng)啟?？刂菩盘枺僭O置電機速度和方向控制信號，由于系統(tǒng)的復雜性和從對系統(tǒng)的保護考慮，這里需要加入狀態(tài)檢測信號，最后確定輸出信號和數(shù)據(jù)的使用。

　　當按下正轉啟動按鈕FsB后，正轉接觸器FKM動作，使電動機正轉；FKM的一個動斷觸點串聯(lián)在接觸器RKM線圈的控制回路內，它此時先斷開，切斷接觸器RKM線圈的回路，F(xiàn)KM的一個動合觸點后閉合實現(xiàn)自鎖；若再按RSB，接觸器RKM受FKM的動斷觸點互鎖不能動作，這樣就防止了電源短路的事故。當需要電動機反轉時，按下停止按鈕SB，正轉接觸器FKM失電，電動機停止，F(xiàn)KM的動斷觸點恢復，為反轉作準備；再按下反轉啟動按鈕RSB，反轉接觸器RKM得電，電動機反轉。該設計中采用的是既有電氣互鎖，又有機械互鎖的雙重互鎖控制線路。在按動按鈕FSB的過程中，F(xiàn)SB的動斷觸點先斷開RKM的線圈回路，F(xiàn)SB的動合觸點后閉合，使FKM線圈得電并自鎖，電動機正轉；反轉工作情況亦然。

　　2.3 可編程控制器的選擇

　　該轉塔鋼板打字機的控制器選擇日本三菱公司生產的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，其內部可用的輔助繼電器M、狀態(tài)繼電器S、定時器T、寄存器D、計數(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～步配合網(wǎng)絡PC機對整個轉塔打字系統(tǒng)進行實時跟蹤監(jiān)控，為調試和維護提供極大的方便。對該刀塔L／O系統(tǒng)進行分析可知，刀塔對PLC的輸入信號24個，輸出信號4個，因此選用48點的Fx2N48M可編程控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的獨立式PLC。

3 轉塔打字系統(tǒng)軟件設計

　　可編程控制器PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種工業(yè)控制計算機，它接收來自現(xiàn)場裝置的狀態(tài)信號，并通過CPU求解用戶編制的邏輯程序，將控制信號輸出，直接控制應用裝置。作者采用的是獨立型PLC，它具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定的控制任務，而且它獨立于CNC裝置，具有安裝方便、功能易于擴展和變更等優(yōu)點。通過實踐與深入研究，作者提出了利用PLC控制伺服電機實現(xiàn)數(shù)控轉塔最優(yōu)換刀路徑的方法，采用PLC進行換刀控制，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的識刀器；刀具庫及刀塔上的刀具號均記憶在PLC內部相應的存儲單元中，只需在PLC內部設置一個模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，令其長度與刀具庫的容量相對應即可；刀塔自動換刀管理主要由軟件實現(xiàn)，因而避免了由機械識刀裝置的穩(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)控轉塔打字機刀具的安裝設備，刀塔上每個安裝刀具的位置稱為工位，工位按照一定的順序編號進行識別。刀具號作為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進行選刀和換刀的控制，在PLC內部，刀座號和刀具號均采用BCD碼。值得注意的是，刀塔上每個工位一次只能裝一把刀具，這就要求刀號數(shù)據(jù)表庫中每個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)設定不得改變，特別是不能對仍安裝在刀塔上的刀具在刀號數(shù)據(jù)庫中進行刪除和參數(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)及機床本體機械部分控制的需要，對系統(tǒng)提供的相關接口信號進行合適的選擇和處理，有機地協(xié)調這幾者之間的關系，以達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共有3類：機床、PLC信號、伺服、PLC信號、PLC—CNC信號，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)送的伺服準備好信號、到位信號、伺服報警信號等。

　　PLC與CNC組成主從分布式控制系統(tǒng)，CNC作為主機主要完成采集數(shù)據(jù)的存儲、分析加工、狀態(tài)顯示和打印輸出等功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控；PLC是CNC與外部協(xié)調工作的一個重要接口，它通過接收CNC傳來的指令，監(jiān)控機床的狀態(tài)，并根據(jù)這些輸入信息運行事先編制好的機床工作邏輯程序，將結果通過輸出口直接驅動伺服電機控制系統(tǒng)執(zhí)行相應動作，同時將信息返回CNC進行實時顯示。

　　系統(tǒng)采用幀格式與中斷調用相結合的方式實現(xiàn)CNC主機與PLC之間的實時通信。在進行通信時，CNC與PLC間使用命令(command)和響應(Re—sponse)的方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，根據(jù)PLC數(shù)據(jù)通信的特點，在系統(tǒng)時鐘中斷調用時，CNC通過串口通訊向PLcC發(fā)出讀或寫控制區(qū)的指令；在串口中斷調用時，CNC接收從PLC響應的控制區(qū)數(shù)據(jù)。這種控制系統(tǒng)發(fā)揮了CNC主機與PLC各自的特點，能很好地完成控制機床加工和監(jiān)視機床運行狀態(tài)的任務。

　　3.3 最優(yōu)路徑高速換刀軟件流程

　　該數(shù)控轉塔打字系統(tǒng)刀塔主軸正反轉就近換刀的動作指令由PLC的軟件實現(xiàn)。當系統(tǒng)CNC接收刀具編號信息后，立即送入PLC進行識別，PLC發(fā)出指令啟動伺服電機帶動刀塔按就近方向旋轉，第一時間將其送到位置檢測點。刀塔旋轉方向由所需刀具編號與實際編號的差值確定。該打字系統(tǒng)刀具庫有12把刀具，編號分別為0—11，中間位置是6。若設定編號與刀庫實際編號的差值大于等于6，刀庫主軸正轉；當差值小于6時，則反轉；而當差值小于0時，用補碼運算。例如：

　　若系統(tǒng)設定編號為10，刀庫實際編號為3，則：

　　10-3=7>6，刀庫正轉；

　　若系統(tǒng)設定編號為10，刀庫實際編號為5，則：

　　10-5=5<6，刀庫反轉；

　　若系統(tǒng)設定編號為0，刀庫實際編號為4，則：

　　0-4=-4。補碼為8>6，刀庫正轉。

　　刀塔旋轉后，測得刀塔的實際位置與目標位置一致時，即尋找的新刀具位于換刀位置，刀塔停轉并定位，等待換刀。

4 結語

　　該項目研究針對國內數(shù)控打字系統(tǒng)打字效率低、無法識別國外主流鋼結構軟件支持的dstv數(shù)據(jù)結構、與主流數(shù)控鋼構加工生產線的配套兼容性差等問題進行研究，旨在開發(fā)基于網(wǎng)絡數(shù)控的轉塔打字系統(tǒng)。作者從數(shù)控轉塔自動換刀控制出發(fā)，提出一種基于獨立型PLC的高速轉塔自動換刀控制方法，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向可靠定位，同時解決了PLC與CNC、PLc與機床及PLC與伺服系統(tǒng)相互間的分工和實時信息交換問題。項目合作單位長期從事鋼構、鐵塔相關數(shù)控加工產品的設計制造與銷售，熟悉國內外相關產品技術特點，能及時把握數(shù)控車床配套打字系統(tǒng)技術現(xiàn)狀。經(jīng)過市場進一步調研分析，項目組成員正積極投入下一步研究工作，以圖設計開發(fā)一種新型網(wǎng)絡數(shù)控轉塔打字系統(tǒng)，注重與數(shù)控加工生產線配套兼容性問題，實現(xiàn)國內在數(shù)控轉塔打字技術上的新突破，以適應國內外市場更多更高的需求。項目開發(fā)潛力大，應用前景廣闊。