齒輪滾銑復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)開發(fā)

劉 照，何 珊，潘衛(wèi)平，王堂輝

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

齒輪加工方法是機(jī)械原理等課程的教學(xué)難點(diǎn)[1－2]，僅靠齒輪范成儀等教具，學(xué)生很難直觀深入地了解齒輪加工全過程。滾齒機(jī)等專用齒輪加工設(shè)備往往學(xué)校又不具備，因此有些學(xué)校采用軟件模擬來展示這一加工過程[3－4]，這不利于學(xué)生深刻體會(huì)漸開線的形成過程。還有一些學(xué)校研制了專門的滾齒設(shè)備來實(shí)現(xiàn)齒輪范成法加工[5－7]，但這些設(shè)備通常只具有展成法加工而沒有成形法加工，學(xué)生不易理解這兩種加工方法的差別。如果能夠把這兩種加工方法集成在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)，可大大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)不同齒輪加工方法的認(rèn)知。本文主要研究該裝置中與機(jī)械本體配套的控制系統(tǒng)軟硬件開發(fā)，該控制系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)齒輪滾銑復(fù)合加工中各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制、加工方法選擇、參數(shù)設(shè)置和加工過程監(jiān)控。

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

該實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工作臺(tái)、刀具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1、工件分度機(jī)構(gòu)2、工作臺(tái)軸向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3、手輪、步進(jìn)電機(jī)、編碼器等組成。該裝置最大特色是滾刀與銑刀都安裝在一根軸上，只要通過垂向手輪和橫向工作臺(tái)手輪來調(diào)整工件相對(duì)刀具的位置，就可以分別實(shí)現(xiàn)齒輪的展成法加工和成形法加工。為了說明該實(shí)驗(yàn)裝置加工原理，這里給出傳統(tǒng)的齒輪展成法加工與成形法加工原理[2]。從圖2(a)中可知，齒輪的展成法加工是依靠滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)B11、輪坯轉(zhuǎn)動(dòng)B12共同形成的展成運(yùn)動(dòng)及滾刀相對(duì)輪坯的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)A2來實(shí)現(xiàn)的；該實(shí)驗(yàn)裝置中則通過控制主軸、分齒驅(qū)動(dòng)和工作臺(tái)進(jìn)給這3個(gè)電機(jī)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)1～機(jī)構(gòu)3的運(yùn)動(dòng)合成，最終實(shí)現(xiàn)齒輪漸開線齒廓的加工。從圖2(b)可知，齒輪的成形法加工是依靠盤銑刀的主切削運(yùn)動(dòng)、刀具相對(duì)工件的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及分齒運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的；該裝置中則通過控制機(jī)構(gòu)1與機(jī)構(gòu)3的同步運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)2的間歇運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)每個(gè)輪齒的加工。

圖1 齒輪滾銑復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置三維圖

圖2 齒輪加工原理圖

從齒輪的展成法與成形法加工原理可知，為達(dá)到加工所需的運(yùn)動(dòng)要求，所開發(fā)的控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)這3個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制，并且實(shí)現(xiàn)刀具轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)橫向進(jìn)給速度的同步控制。此外，該系統(tǒng)還須具備簡(jiǎn)潔直觀的人機(jī)界面，以實(shí)現(xiàn)加工方法選擇、加工參數(shù)設(shè)定和加工過程監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

考慮到上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)比各種控制器如單片機(jī)、DSP和PLC等，并綜合考慮成本、可靠性和功能靈活性，最終選擇了以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC為底層控制平臺(tái)、觸摸屏為人機(jī)界面的開環(huán)控制系統(tǒng)方案，如圖3所示。控制系統(tǒng)硬件核心選擇三菱FX3U－32MT/ES，該款PLC有16路輸入和16路輸出[8]，其中3路100 kHz的高速輸出信號(hào)Y0、Y1、Y2分別用來提供驅(qū)動(dòng)該實(shí)驗(yàn)裝置中刀具、工作臺(tái)軸向進(jìn)給和工件分度步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，6路100 kHz高速計(jì)數(shù)輸入信號(hào)X0～X5分別用來連接3個(gè)光電編碼器的輸入信號(hào)，3個(gè)編碼器分別用來檢測(cè)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。多余的PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)適當(dāng)考慮了以后的應(yīng)用擴(kuò)展。觸摸屏用來選擇加工方法、設(shè)置加工參數(shù)和監(jiān)控加工過程，該裝置選用威綸通TK6070ip[9]。

3 硬件接口設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器的接口設(shè)計(jì)以及PLC與觸摸屏的通信連接?？刂葡到y(tǒng)主接線圖如圖4所示，其中驅(qū)動(dòng)器1～驅(qū)動(dòng)器3分別是刀具主軸、工作臺(tái)軸向進(jìn)給和工件分度步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。編碼器1～編碼器3分別是工作臺(tái)軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具軸和工件分度機(jī)構(gòu)的編碼器。觸摸屏與PLC之間采用了RS－485 4 W通信電纜進(jìn)行通信。X10是啟動(dòng)按鈕，X11是停機(jī)按鈕。下面簡(jiǎn)要介紹各部分接口設(shè)計(jì)。

圖3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成

3.1 PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口

該實(shí)驗(yàn)裝置中的3個(gè)步進(jìn)電機(jī)都采用57系列兩相步進(jìn)電機(jī)，配套的驅(qū)動(dòng)器選用了ZD－6560－V4[10]。該驅(qū)動(dòng)器與PLC的接線方法分為共陽(yáng)極和共陰極兩種，本文系統(tǒng)采用的是共陽(yáng)極信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)的接線如圖4所示。其中FX3U的高速輸出端子Y0～Y2分別接主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、工作臺(tái)軸向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2和工件分度電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3的脈沖負(fù)端子，F(xiàn)X3U的Y3～Y5端子分別接3個(gè)驅(qū)動(dòng)器的方向負(fù)端子，F(xiàn)X3U的Y6～Y7和Y10分別接3個(gè)驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)負(fù)端子。如圖5所示，只給出了主軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1與PLC的接口，其他兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接口雷同。圖5中驅(qū)動(dòng)器的脈沖負(fù)端子接PLC的高速輸出端口Y0，驅(qū)動(dòng)器的方向負(fù)端子接PLC的Y3端口，驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)負(fù)端子接PLC的Y6端口。驅(qū)動(dòng)器的A＋、A－、B＋、B－端子則分別接步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組。在驅(qū)動(dòng)器的脈沖正、方向正和脫機(jī)正端子與24 V電源正之間，需串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ限壓電阻。

圖5 PLC與步進(jìn)電機(jī)接口

3.2 PLC與編碼器接口

由于工作臺(tái)的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有正反兩個(gè)方向，PLC必須采用雙向雙輸入計(jì)數(shù)，而刀具主軸和工件分度機(jī)構(gòu)都是單向旋轉(zhuǎn)的，只要采用單相單輸入計(jì)數(shù)即可。為了供電方便，所有的編碼器都選用歐姆龍的E6A2－CWZ5C型編碼器[11]，其供電電壓都是24 V，具體接線如圖6所示。FX3U的X0、X1端子分別接工作臺(tái)軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)編碼器的A、B相端子，F(xiàn)X3U的X3、X4端子分別接主軸編碼器和工件分度機(jī)構(gòu)編碼器的A相端子。

圖6 PLC與編碼器接口

3.3 PLC與觸摸屏通信接口

控制系統(tǒng)人機(jī)界面——觸摸屏TK6070ip有兩個(gè)COM口，其中的 COM1口為 RS232接口，COM2口為RS485通信接口[12]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用COM2口與FX3U通信，連接方式如圖7所示。

圖7 PLC與觸摸屏接口

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括后臺(tái)PLC控制程序和前臺(tái)觸摸屏程序兩部分。PLC控制程序負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)齒輪滾銑復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)控制；觸摸屏程序則實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如齒輪加工過程的監(jiān)控和加工參數(shù)設(shè)置。

4.1 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

圖8 PLC控制軟件流程圖

該實(shí)驗(yàn)裝置的PLC控制系統(tǒng)軟件主要包括滾齒和銑齒兩個(gè)分支程序，分別用來實(shí)現(xiàn)齒輪的展成法加工和成形法銑削。軟件采用三菱 GXWorks2編程，PLC控制軟件主要流程如圖8所示。這里僅以滾齒加工為例，說明PLC控制刀具主軸、工件分度和工作臺(tái)軸向進(jìn)給3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滾齒加工過程的運(yùn)動(dòng)控制部分代碼，如圖9所示。該梯形圖中分別通過可變速脈沖輸出指令PLSV來驅(qū)動(dòng)主軸和分度電機(jī)的運(yùn)行，相對(duì)定位指令DRVI來驅(qū)動(dòng)軸向進(jìn)給電機(jī)的運(yùn)行。其中，M10是總開關(guān)，D0、D8分別對(duì)應(yīng)于主軸和分度電機(jī)的脈沖頻率，它們確定了這兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，Y0、Y3分別對(duì)應(yīng)于主軸電機(jī)PLC控制輸出的脈沖和方向端子，Y2、Y5分別對(duì)應(yīng)于分度電機(jī)PLC控制輸出的脈沖和方向端子。D12、D4、Y1、Y4分別對(duì)應(yīng)于軸向進(jìn)給電機(jī)的脈沖數(shù)、脈沖頻率、該電機(jī)PLC控制輸出的脈沖和方向端子。

圖9 PLC梯形圖部分代碼

4.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面采用威綸通觸摸屏軟件EB8000設(shè)計(jì)，主要界面包括展成法加工界面、成形法加工界面和步進(jìn)電機(jī)控制界面，如圖10所示，分別用來實(shí)現(xiàn)展成法加工、成形法加工和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制演示實(shí)驗(yàn)。其中展成法加工斜齒輪的參數(shù)設(shè)置與加工過程監(jiān)控分別如圖11和圖12所示。該齒輪復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置已完成開發(fā)，并在機(jī)械原理課程中得到了應(yīng)用，如圖13所示。

圖10 加工方法選擇界面

圖11 加工參數(shù)設(shè)置界面

圖12 加工過程監(jiān)控界面

圖13 齒輪復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

5 結(jié)束語

實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行可靠、界面直觀、操作方便、控制硬件精簡(jiǎn)，控制系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)功能要求。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅可用于機(jī)械原理、金屬切削機(jī)床等課程中加深學(xué)生對(duì)齒輪展成法和成形法加工方法的理解，而且該裝置還可用于機(jī)電傳動(dòng)控制等課程中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和PLC編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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