本文主要介绍塑钢门窗焊清生产线设备从方案筛选、基本功能设计到研发的全过程，西门子的数控系统在此过程中满足了项目的需求。
本文着重介绍的“shqz-120塑钢门窗焊清生产线设备”是行业中工艺最集中，售价高，销售量逐年增加的一种设备，也是建设部曾下达给公司的技术创新重点项目。该生产线由“数控四角焊接机”、“数控双头清角机”和送料架机构三大部分组成，第一部分：数控四角焊接机（见图1），由一个802s base line数控系统和3套西门子stepdrive c/c+步进驱动构成三轴数控系统，机械方面使用4:1减速机和同步带传动，最高轴速度为15m/min，三轴之间应有直线插补关系，借助一些开关量信息和温控器的配合，在该设备上把四段塑料型材组合成一个四方形窗户；第二部分：数控双头清角机（见图2），由一个802c base line数控系统和4套西门子simodrive 611u伺服驱动构成四轴数控系统，机械方面使用螺距为10的双头丝杠传动，最高速度为15m/min，对于四个数控轴，要求两两之间均能按圆弧插补运行，借助开关量信息控制气动铣刀、气磨钻、气马达。
图1 采用802s数控系统+stepdrive c/c+步进驱动构成的数控四角焊接机
图2 采用802c数控系统+simodrive 611u伺服驱动构成的数控双头清角机
图3 采用2个西门子802c/s base line数控系统的shqz-120塑钢门窗焊清生产线设备
在该设备上对来自数控四角焊接机的毛坯四方形窗户全面清理，使之成为成品窗户。第三部分：送料架机构，由普通传动电机、光电开关、托料架和升降汽缸等组成，很明显起到输送工件和缓冲暂存的作用。 nextpage
方案筛选与研发重点
门窗焊清生产线设备（见图4）总共需要7个数控轴，如果采用西门子802 c/s系统，无疑是最经济的（整个控制部分成本约为10万元），但技术上比较勉强，原因主要有2个，1个原因是与pc机动态通讯有困难，另1个原因在于802 c/s系统只能进行2轴圆弧插补，且总轴数是3个数控轴+1个主轴，而设备的双头清角机要求能进行两头圆弧插补运动，且4轴联动，似乎技术困难更大，因此，设计人员想到了采用西门子802d系统，但除了成本增加较大外，技术问题仍不能完全解决，西门子810系统也存在圆弧插补问题，西门子840系统、贝加莱数控系统、伦次数控系统以及德国倍福数控系统都可以解决上述所有问题，但整个控制部分成本均超过35万，如仅仅简单采用完善的数控系统，必然使产品成本偏高，而销量与利润不大；为此，公司组织了专门的802 c/s系统开发小组，对于通讯问题，利用vb软件平台开发了门窗设备优化下料与加工专用软件，该软件能自动生成使802 c/s系统直接执行的g代码文本，利用这一软件优势，公司曾在俄罗斯、加拿大等客户的门窗生产中心现场，用安装于下料设备端pc机的条码阅读器，仅通过一次扫描，就自动运算产生了该工程的数控锯、数控焊机、数控清角机、数控玻璃切割机所需要的全套g代码加工程序，其高效性与对人力的节约很符合发达国家的胃口。如何在十分经济的西门子802 c/s系统上实现4轴圆弧插补？设计人员曾用圆周分割算法实现了四分之一圆弧的加工，满足了一部分用户的需要，但随着产品向欧洲市场的推进，遇到了任意圆弧（斜圆弧）的复杂型材加工，如果用极坐标和三角函数及反三角函数算法，数学上易于实现，但该数控系统不支持这样的函数运算，经过长期思考，设计人员最终找到了仅采用开平方运算就实现任意圆弧型材加工的技巧，从机器上使用情况看，主轴与另一数控轴在参与四轴联动时，其加工质量与标准二数控轴按标准圆弧加工g代码加工的效果几乎相同，加工速度也完全可以被接受。总之，西门子802 c/s系统与公司行业优化软件和应用技巧与经验相结合，使公司成功开发出了许多颇具市场竞争力的门窗生产设备；可以说，这种结合决不仅仅是一种物理结合，而是互为对方做出了瞩目的贡献。
图4 采用上位机与802s/c结合应用优化软件的一种门窗焊清生产线设备
基本功能设计与实际结果
焊清线控制原理流程
如图5所示的门窗焊清生产线设备运动系统流程，四角焊通过扫描型材条码获得g代码加工程序，当然，也可以打开远端办公室计算机指定目录下的g代码加工程序，或直接运行802s中的g代码加工程序，程序运行后，依次执行：三个数控轴运动至装料位置——定位——放置4段加工型材——压紧——定位退——加热板进——熔融进给并保持——熔融退回——加热板撤回——焊接进给并保持——焊接结束——三个数控轴运动至卸料位置——启动送料机构——检测到料满传感器信号时停止继续送料——清角机检测到工件到达信号时启动另一送料机构将工件送到清角机——清角机通过与四角焊类似的多种渠道获得并运行g代码加工程序，同时对工件的两个角实施并完成圆弧与斜线铣削等加工。
图5 门窗焊清生产线设备运动系统流程示意图
精度设计与实测情况
行业标准所要求的设备加工精度是±1mm，公司内部出厂标准为±0.5mm，四角焊接机的3个步进电机带动同步带每分钟运行15m，脉冲分辨率是±0.03mm，理论精度没问题，通过细心调试，公司所有设备都能满足出厂标准；双头清角机的4个伺服电机带动滚珠丝杠运行，脉冲分辨率是±0.003mm，更容易满足出厂标准。经过对成品设备的测量，实际四角焊接机的加工误差为±0.25mm，生产效率为0.5件/min；实际双头清角机的加工误差为±006mm，生产效率为1件/min。
与802c/s通讯的上位机优化软件开发与应用
上位软件的基本原理是针对一批工程统一处理，首先在图6所示文件菜单下读取工程信息（即加工数据），选择某项工程后，在调试菜单下选择生成加工g代码，计算机按照最省料方式经过运算后，自动产生适合加工设备使用的的g代码程序如图6中右列所示，在文件菜单下点击下载加工程序，这样只要预先对802c/s选择了执行外部加工程序，则机器立即按照右列g代码文本顺序执行。这个现场计算机如与办公室计算机相连，则可实现远程加工控制（包括远程维护）。
图6 利用上位机优化软件按照最省料方式给802c/s自动生成加工g代码文本的情况nextpage
主轴与z轴联动实现任意圆弧加工的具体方法
虽然算法复杂，但我们把它编成子程序，调用简单，在此详细介绍计算方法并给出一个完整的任意圆弧加工子程序。
；已知半径r0，起点（r10，r11），终点（r12,r13）
；先计算圆心坐标（r4，r5），再算目标z为r1
；加工任意上圆弧的子程序
；例如r0＝20 r10＝110.4 r11＝46.4 r12＝83.8 r13＝64.3%_n_jgsyhh_mpf；加工任意上圆弧的子程序名
；$path＝/_n_mpf_dir
n10 r14＝（r12*r12-r10*r10+r13*r13-r11*r11）/（2*r12-2*r10）
；＝（7022.4-12188.16+4134.49-2152.96）/（-53）＝60.08
r15＝（r11-r13）/（r12-r10）
；＝-17.9/（-26.6）＝0.67293
r16＝r15*r15+1
；＝1.452838
r17＝r15*（r10-r14）+r11
；＝80.2618376
r18＝（r10-r14）*（r10-r14）+r11*r11-r0*r0
；＝2152.96+2532.1024-400＝4285.0624
r5＝（r17-sqrt（r17*r17-r16*r18））/r16
；＝（80.2618376-14.7126166）/1.452838＝45.118
r4＝r14+r5*r15
；＝60.08+45.118*0.67293＝90.44129
r1＝r10
n30 mmxx2:r1＝r1-0.1
n35 g90 g64 g1 g22 z＝r1 w＝r5+sqrt（r0*r0-（r1-r4）* （r1-r4）） f100
n40 r2＝abs（r12-r1）
n50 if r2>0.1 gotob mmxx2
m02
；加工任意下圆弧的子程序
例如r0＝20 r10＝110 r11＝41 r12＝100 r13＝27.7% _n_jgxyhh_mpf；$path＝/_n_mpf_dir
n10 r14＝（r12*r12-r10*r10+r13*r13-r11*r11）/（2*r12-2*r10）
；＝（10000-12100+767.29-1681）/（-20）＝150.6855
r15＝（r11-r13）/（r12-r10）
；＝13.3/（-10）＝-1.33
r16＝r15*r15+1
；＝2.7689
r17＝r15*（r10-r14）+r11
；＝95.111715
r18＝（r10-r14）*（r10-r14）+r11*r11-r0*r0
；＝1655.31+1681-400＝2936.31
r5＝（r17+sqrt（r17*r17-r16*r18））/r16
；＝（95.111715+sqrt（9046.23833-8130.34876）/2.7689
；＝（95.112+30.2636675）/2.7689＝45.279852
r4＝r14+r5*r15
；＝150.6855-45.279852*1.33＝90.4633
r1＝r10
n30 mmxx2:r1＝r1-0.1
n35 g90 g64 g1 g22 z＝r1 w＝r5-sqrt（r0*r0-（r1-r4）* （r1-r4）） f100
n40 r2＝abs（r12-r1）
n50 if r2>0.1 gotob mmxx2
m02
公司塑钢门窗焊清生产线设备发展回顾与前景展望
自从2000年第一条生产线在中国诞生，公司已研制了5种不同规格的生产线设备，2005年以前，在国内始终由我公司独家生产，目前，也基本上只有我公司能够向世界各地提供成熟的焊清生产线设备，迄今为止，已发出的生产线多达数百条，典型的有发往烟台百合建材公司、北京采光门窗有限公司等国内厂商的经济型设备，也有发往东南亚和南美以及俄罗斯等国家的中档设备，最近两年我们与美国cw公司联合开发了适应欧美市场的高端焊清生产线设备，设备上所采用的元器件都是国际知名品牌，且符合ce或ul认证；年销售量已由当初的一两条线上升到今天的几十条，而且增长速度很快。几种焊清生产线设备分别获得过建设部科技进步一等奖和山东省技术创新奖。随着公司今年各种产品顺利通过ce认证，明年的市场前景更为乐观。市场的不断扩大，销售额逐年增加充分说明了用户对我门产品的认可，“德佳机器，专家品质”这是我们公司的标志，也是产品的标志。
结 语
立足于企业自己利益的考虑，西门子产品品牌优势明显，很容易被我用户接受，同时高、中、低档以及各种规格应有尽有，只要选择合适，往往成本不高，而且越用越熟，操作维护简单。以前使用的其它品牌如omron仅经济型plc有微弱优势，但功能太少；施耐德产品价格虽便宜，然而规格不全；ab产品价格太高；只有西门子产品能覆盖公司的全部需要。随着与西门子的深入广泛合作，许多产品已享受了特价，而且西门子始终有专人为公司服务。相信这种互利关系会不断发展，走向成熟，趋于完善。
