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齒輪滾銑復合加工實驗裝置控制系統開發

2019-11-22 來源：武漢大學動力與機械學院作者：劉照何珊潘衛平王堂輝

齒輪加工方法是機械原理等課程的教學難點，僅靠齒輪范成儀等教具，學生很難直觀深入地了解齒輪加工全過程。滾齒機等專用齒輪加工設備往往學校又不具備，因此有些學校采用軟件模擬來展示這一加工過程，這不利于學生深刻體會漸開線的形成過程。還有一些學校研制了專門的滾齒設備來實現齒輪范成法加工，但這些設備通常只具有展成法加工而沒有成形法加工，學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實驗裝置中實現，可大大增強學生對不同齒輪加工方法的認知。本文主要研究該裝置中與機械本體配套的控制系統軟硬件開發，該控制系統用來實現齒輪滾銑復合加工中各傳動機構的運動控制、加工方法選擇、參數設置和加工過程監控。

1、實驗裝置構成與控制系統設計要求

該實驗裝置機械本體結構如圖 1 所示，主要由工作臺、刀具傳動機構 1、工件分度機構 2、工作臺軸向進給傳動機構 3、手輪、步進電機、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手輪來調整工件相對刀具的位置，就可以分別實現齒輪的展成法加工和成形法加工。為了說明該實驗裝置加工原理，這里給出傳統的齒輪展成法加工與成形法加工原理。從圖 2 ( a) 中可知，齒輪的展成法加工是依靠滾刀轉動 B11、輪坯轉動 B12共同形成的展成運動及滾刀相對輪坯的軸向進給運動 A2來實現的; 該實驗裝置中則通過控制主軸、分齒驅動和工作臺進給這 3 個電機，來實現機構 1～機構 3 的運動合成，最終實現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動、刀具相對工件的軸向進給運動及分齒運動實現的; 該裝置中則通過控制機構 1 與機構 3 的同步運動和機構 2 的間歇運動，來實現每個輪齒的加工。

圖 1 齒輪滾銑復合加工實驗裝置三維圖

(a) 齒輪展成法加工原理圖

(b) 齒輪成形法加工原理圖

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，為達到加工所需的運動要求，所開發的控制系統必須能夠實現這 3 個傳動機構的驅動控制，并且實現刀具轉速、工件轉速和工作臺橫向進給速度的同步控制。此外，該系統還須具備簡潔直觀的人機界面，以實現加工方法選擇、加工參數設定和加工過程監控。

2、控制系統方案設計

考慮到上述控制系統設計要求，對比各種控制器如單片機、DSP 和 PLC 等，并綜合考慮成本、可靠性和功能靈活性，最終選擇了以步進電機為執行機構、PLC 為底層控制平臺、觸摸屏為人機界面的開環控制系統方案，如圖 3 所示。控制系統硬件核心選擇三菱 FX3U－32MT/ES，該款 PLC 有16 路輸入和 16 路輸出，其中 3 路 100 k Hz 的高速輸出信號 Y0、Y1、Y2 分別用來提供驅動該實驗裝置中刀具、工作臺軸向進給和工件分度步進電機的脈沖信號，6 路 100 k Hz 高速計數輸入信號 X0～ X5分別用來連接 3 個光電編碼器的輸入信號，3 個編碼器分別用來檢測 3 個步進電機的轉速。多余的PLC 輸入輸出點數適當考慮了以后的應用擴展。觸摸屏用來選擇加工方法、設置加工參數和監控加工過程，該裝置選用威綸通TK6070ip。

3、硬件接口設計

該實驗裝置控制系統硬件設計主要包括 PLC與步進電機驅動器、編碼器的接口設計以及 PLC與觸摸屏的通信連接。控制系統主接線圖如圖 4 所示，其中驅動器 1～驅動器 3 分別是刀具主軸、工作臺軸向進給和工件分度步進電機的驅動器。編碼器 1～編碼器 3 分別是工作臺軸向進給機構、刀具軸和工件分度機構的編碼器。觸摸屏與 PLC 之間采用了 RS－485 4 W 通信電纜進行通信。X10 是啟動按鈕，X11 是停機按鈕。下面簡要介紹各部分接口設計。

圖 3 控制系統方案設計

圖 4 控制系統硬件設計組成

3. 1 PLC 與步進電機驅動器接口

該實驗裝置中的 3 個步進電機都采用 57 系列兩相步進電機，配套的驅動器選用了 ZD － 6560 －V4。該驅動器與 PLC 的接線方法分為共陽極和共陰極兩種，本文系統采用的是共陽極信號輸入，對應的接線如圖 4 所示。其中 FX3U 的高速輸出端子 Y0～ Y2 分別接主軸電機驅動器 1、工作臺軸向進給電機驅動器 2 和工件分度電機驅動器 3 的脈沖負端子，FX3U 的 Y3～ Y5 端子分別接3 個驅動器的方向負端子，FX3U 的 Y6 ～ Y7 和 Y10 分別接3 個驅動器的脫機負端子。如圖 5 所示，只給出了主軸步進電機驅動器 1 與 PLC 的接口，其他兩個驅動器接口雷同。圖 5 中驅動器的脈沖負端子接PLC的高速輸出端口 Y0，驅動器的方向負端子接 PLC的 Y3 端口，驅動器的脫機負端子接 PLC 的 Y6 端口。驅動器的 A+、A－、B+、B－端子則分別接步進電機的兩相繞組。在驅動器的脈沖正、方向正和脫機正端子與 24 V 電源正之間，需串聯一個2. 7 kΩ 限壓電阻。

圖 5 PLC 與步進電機接口

3. 2 PLC 與編碼器接口

由于工作臺的軸向進給運動有正反兩個方向，PLC 必須采用雙向雙輸入計數，而刀具主軸和工件分度機構都是單向旋轉的，只要采用單相單輸入計數即可。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，其供電電壓都是 24 V，具體接線如圖 6 所示。FX3U 的 X0、X1 端子分別接工作臺軸向進給機構編碼器的 A、B相端子，FX3U 的 X3、X4 端子分別接主軸編碼器和工件分度機構編碼器的 A 相端子。

圖 6 PLC 與編碼器接口

3. 3 PLC 與觸摸屏通信接口

控制系統人機界面———觸摸屏 TK6070ip 有兩個 COM 口，其中的 COM1 口為 RS232 接口，COM2 口為 RS485 通信接口，系統設計中采用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、軟件設計

控制系統軟件主要包括后臺 PLC 控制程序和前臺觸摸屏程序兩部分。PLC 控制程序負責實現齒輪滾銑復合加工實驗裝置的運動控制; 觸摸屏程序則實現人機交互，如齒輪加工過程的監控和加工參數設置。

4. 1 PLC 控制軟件設計

圖 8 PLC 控制軟件流程圖

該實驗裝置的 PLC 控制系統軟件主要包括滾齒和銑齒兩個分支程序，分別用來實現齒輪的展成法加工和成形法銑削。軟件采用三菱 GX －Works2 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、工件分度和工作臺軸向進給 3 個步進電機的同步運動，從而實現滾齒加工過程的運動控制部分代碼，如圖 9 所示。該梯形圖中分別通過可變速脈沖輸出指令 PLSV 來驅動主軸和分度電機的運行，相對定位指令 DRVI 來驅動軸向進給電機的運行。其中，M10 是總開關，D0、D8 分別對應于主軸和分度電機的脈沖頻率，它們確定了這兩個電機的旋速度，Y0、Y3 分別對應于主軸電機 PLC 控制輸出的脈沖和方向端子，Y2、Y5 分別對應于分度電機PLC 控制輸出的脈沖和方向端子。D12、D4、Y1、Y4 分別對應于軸向進給電機的脈沖數、脈沖頻率、該電機 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 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面采用威綸通觸摸屏軟件 EB8000 設計，主要界面包括展成法加工界面、成形法加工界面和步進電機控制界面，如圖 10 所示，分別用來實現展成法加工、成形法加工和步進電機驅動控制演示實驗。其中展成法加工斜齒輪的參數設置與加工過程監控分別如圖 11 和圖 12 所示。該齒輪復合加工實驗裝置已完成開發，并在機械原理課程中得到了應用，如圖 13 所示。