为满足钢构生产厂家跟踪、掌握产品的质量及用户了解钢构产品相关信息的需要，近年来钢构信息标识越来越受到重视。国内钢构信息标识主要有刻字、针式打印及打字3种方式，其中刻字技术主要采用数控机床铣刀刻字、激光刻字和电火花成型等技术，投资大，成本高；针式打印技术采用点阵标识的方法，打印速度高，成本低，但打印的标识辨识率不高，视觉效果不好；钢构打字技术则是在要标识的钢件上用冲压动力冲击成型字模，冲压的字体清晰，深度容易控制，并且字头刀具寿命长，成本低，相比较而言，在国内，钢构打字技术更适宜被选用。一般采用盘式打字，打字效率较低，不能灵活换刀。国外的钢构打字技术一般采用数控转塔打字技术，效率高，换刀灵活，使用寿命长，成本低。国内数控车床配套的转塔打字系统大部分从国外直接引进，没有自主知识产权，技术上无法升级更新，关键技术被国外知名厂商垄断。基于网络数控(NCNC)和数控组态技术的思想，设计开发高速转塔打字系统，突破国外数控车床配套的转塔打字技术封锁是国内钢构打字系统的发展趋势。
1 转塔打字系统控制原理
该系统从生产实际出发，采用集国际最新的伺服系统技术、工业控制计算机技术、独立PLC控制于一体的全自动智能化工作方式，实现数控转塔打字系统的最优路径换刀控制。计算机数控系统主要负责向PLC发出启动／停止命令，接收PLC发回的工作状态信号，确定整个系统的控制动作并能实时显示。
PLC则检测操作面板的状态，并将工作状态信号传送给计算机数控系统，同时驱动刀塔伺服执行机构，实现精确的转位控制。作者主要介绍了PLC实现的最优路径换刀的软、硬件设计，该设备从总体上分为3大部分：机床本体机械部分、电动伺服部分和计算机数控系统部分，并介绍了CNc与PLC、PLC与伺服系统、PLC与机床相互间的信息通讯。
2 转塔打字系统硬件设计
随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确控制，使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制。作者所选用的伺服刀塔的核心技术就是伺服电机的位置控制技术，PLc通过控制输入到伺服电机线圈组中的脉冲频率，实现对伺服电机的角位移和速度的控制，从而控制数控刀塔的转速、正反转及步数等。VDI盘式刀库的最大转角为180。，由PLC系统根据所换刀具的位置决定转向，以使换刀的路径最短，实现最优路径换刀。
2.1 转塔打字系统刀架的选择
考虑到系统各项技术指标要求，经认真比照筛选，最终选用的是AK36100×12系列高速换刀伺服刀架，该刀架以伺服电机驱动分度，液压控制松开、刹紧三联齿盘定位，可双向回转和任意刀位就近选刀，转位时间可调，30°最快转位时间0.15 s，中心高100 mm，重复定位精度±2”，伺服电机功率500 w。
2.2 转塔打字系统电气控制原理
伺服电机必须根据PLC的指令，随时进行正、反方向转动。这里选用的是三相交流异步电动机，在此电气控制系统中，通过对实现任务的需求分析，首先要设置相应的系统启停控制信号，再设置电机速度和方向控制信号，由于系统的复杂性和从对系统的保护考虑，这里需要加入状态检测信号，最后确定输出信号和数据的使用。
当按下正转启动按钮FsB后，正转接触器FKM动作，使电动机正转；FKM的一个动断触点串联在接触器RKM线圈的控制回路内，它此时先断开，切断接触器RKM线圈的回路，FKM的一个动合触点后闭合实现自锁；若再按RSB，接触器RKM受FKM的动断触点互锁不能动作，这样就防止了电源短路的事故。当需要电动机反转时，按下停止按钮SB，正转接触器FKM失电，电动机停止，FKM的动断触点恢复，为反转作准备；再按下反转启动按钮RSB，反转接触器RKM得电，电动机反转。该设计中采用的是既有电气互锁，又有机械互锁的双重互锁控制线路。在按动按钮FSB的过程中，FSB的动断触点先断开RKM的线圈回路，FSB的动合触点后闭合，使FKM线圈得电并自锁，电动机正转；反转工作情况亦然。
2.3 可编程控制器的选择
该转塔钢板打字机的控制器选择日本三菱公司生产的F)(2N系列可编程控制器。该系列PLC具有配置灵活、指令功能丰富且执行速度快的优点，其内部可用的辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、寄存器D、计数器C的功能和数量足以满足该打字系统的控制需求；另外，它还可进～步配合网络PC机对整个转塔打字系统进行实时跟踪监控，为调试和维护提供极大的方便。对该刀塔L／O系统进行分析可知，刀塔对PLC的输入信号24个，输出信号4个，因此选用48点的Fx2N48M可编程控制器作为数控系统的独立式PLC。
3 转塔打字系统软件设计
可编程控制器PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，它接收来自现场装置的状态信号，并通过CPU求解用户编制的逻辑程序，将控制信号输出，直接控制应用装置。作者采用的是独立型PLC，它具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务，而且它独立于CNC装置，具有安装方便、功能易于扩展和变更等优点。通过实践与深入研究，作者提出了利用PLC控制伺服电机实现数控转塔最优换刀路径的方法，采用PLC进行换刀控制，可以代替传统的识刀器；刀具库及刀塔上的刀具号均记忆在PLC内部相应的存储单元中，只需在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，令其长度与刀具库的容量相对应即可；刀塔自动换刀管理主要由软件实现，因而避免了由机械识刀装置的稳定性、可靠性所带来的换刀失误。
3.1 刀具数据表库建立
刀塔是数控转塔打字机刀具的安装设备，刀塔上每个安装刀具的位置称为工位，工位按照一定的顺序编号进行识别。刀具号作为CNC装置T功能的输出送至PLC，由PLC根据T代码管理刀库和更换刀具，并利用刀具和刀具座的编号进行选刀和换刀的控制，在PLC内部，刀座号和刀具号均采用BCD码。值得注意的是，刀塔上每个工位一次只能装一把刀具，这就要求刀号数据表库中每个工位信息也只能有一把刀的信息；刀具和刀座的参数一经设定不得改变，特别是不能对仍安装在刀塔上的刀具在刀号数据库中进行删除和参数修改操作。
3.2 系统各部分之间的信息通信
在伺服刀塔的控制中，PLC根据CNC、伺服系统及机床本体机械部分控制的需要，对系统提供的相关接口信号进行合适的选择和处理，有机地协调这几者之间的关系，以达到良好的逻辑控制效果。在该伺服刀塔控制中使用到的接口信号共有3类：机床、PLC信号、伺服、PLC信号、PLC—CNC信号，包括代码指令数据(即目的刀位数据)，伺服向PLC发送的伺服准备好信号、到位信号、伺服报警信号等。
PLC与CNC组成主从分布式控制系统，CNC作为主机主要完成采集数据的存储、分析加工、状态显示和打印输出等功能，实现对系统的实时监控；PLC是CNC与外部协调工作的一个重要接口，它通过接收CNC传来的指令，监控机床的状态，并根据这些输入信息运行事先编制好的机床工作逻辑程序，将结果通过输出口直接驱动伺服电机控制系统执行相应动作，同时将信息返回CNC进行实时显示。
系统采用帧格式与中断调用相结合的方式实现CNC主机与PLC之间的实时通信。在进行通信时，CNC与PLC间使用命令(command)和响应(Re—sponse)的方式进行数据的发送和接收，根据PLC数据通信的特点，在系统时钟中断调用时，CNC通过串口通讯向PLcC发出读或写控制区的指令；在串口中断调用时，CNC接收从PLC响应的控制区数据。这种控制系统发挥了CNC主机与PLC各自的特点，能很好地完成控制机床加工和监视机床运行状态的任务。
3.3 最优路径高速换刀软件流程
该数控转塔打字系统刀塔主轴正反转就近换刀的动作指令由PLC的软件实现。当系统CNC接收刀具编号信息后，立即送入PLC进行识别，PLC发出指令启动伺服电机带动刀塔按就近方向旋转，第一时间将其送到位置检测点。刀塔旋转方向由所需刀具编号与实际编号的差值确定。该打字系统刀具库有12把刀具，编号分别为0—11，中间位置是6。若设定编号与刀库实际编号的差值大于等于6，刀库主轴正转；当差值小于6时，则反转；而当差值小于0时，用补码运算。例如：
若系统设定编号为10，刀库实际编号为3，则：
10-3=7>6，刀库正转；
若系统设定编号为10，刀库实际编号为5，则：
10-5=5<6，刀库反转；
若系统设定编号为0，刀库实际编号为4，则：
0-4=-4。补码为8>6，刀库正转。
刀塔旋转后，测得刀塔的实际位置与目标位置一致时，即寻找的新刀具位于换刀位置，刀塔停转并定位，等待换刀。
4 结语
该项目研究针对国内数控打字系统打字效率低、无法识别国外主流钢结构软件支持的dstv数据结构、与主流数控钢构加工生产线的配套兼容性差等问题进行研究，旨在开发基于网络数控的转塔打字系统。作者从数控转塔自动换刀控制出发，提出一种基于独立型PLC的高速转塔自动换刀控制方法，以软件换刀方式寻找换刀最优路径，控制伺服刀塔按要求转向可靠定位，同时解决了PLC与CNC、PLc与机床及PLC与伺服系统相互间的分工和实时信息交换问题。项目合作单位长期从事钢构、铁塔相关数控加工产品的设计制造与销售，熟悉国内外相关产品技术特点，能及时把握数控车床配套打字系统技术现状。经过市场进一步调研分析，项目组成员正积极投入下一步研究工作，以图设计开发一种新型网络数控转塔打字系统，注重与数控加工生产线配套兼容性问题，实现国内在数控转塔打字技术上的新突破，以适应国内外市场更多更高的需求。项目开发潜力大，应用前景广阔。
(审核编辑: 智汇胡妮)
