PLC在一维力解耦砂带磨削机床中的应用

李成群 ，付永领，贠 超 ，张习加，孙云权

（1. 北京航空航天大学 机器人研究所，北京 100083；2. 河北理工大学 机械工程学院，唐山 063000；3. 廊坊智通机器人系统有限公司，廊坊 065001）

0 引言

砂带磨削是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件表面进行磨削和抛光的一种新工艺，并有“万能磨削”之称，它不仅能加工其他加工方法难于加工或不能加工的材料，而且还能加工复杂几何形状工件（航空叶片、汽轮机叶片、高档水龙头等）[1～3]。机器人修形磨削加工（conformance grinding）是指采用机器人磨削系统对复杂曲面工件进行砂带磨削加工使之达到设计尺寸公差和表面质量的一种精加工方法[4]。对于航空叶片的修形磨削加工，要求在磨削过程中精确的控制磨削量，而影响磨削量的主要因素包括：磨削力大小、工件的进给速度、磨削速度、砂带类型等，因此要求砂带磨削机床应具备如下两个条件：

1）砂带磨削机床精确控制磨削力

2）尽量减轻砂带磨床浮动部分的重量，提高砂带磨削系统对磨削力的响应速度。

为此，设计了一维力解耦砂带磨削机床（以下简称力解耦砂带磨削机床）。

本力解耦砂带磨削机床的主控单元采用西门子S7-226PLC[5],人机界面(HMI)为西门子的TD400C。S7-200PLC是西门子小型整体式PLC系列的可编程控制器，它适用于各领域中的检测、监测、及控制的自动化应用。本系统采用的S7-226PLC（DC/DC/DC）具有24点输入/16点输出共40个数字量I/O点。S7-226PLC的通讯方式有PPI通信协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯协议，便于和机器人控制器通讯。人机界面(HMI)TD400C通过RS485与PLC通讯，能实时共享更改PLC的数据单元，组成了现场实时控制系统。

1 力解耦砂带磨削机床机械设计原理

力解耦砂带磨削机床机械总体图，如图1所示，其机构简图，如图2所示。该磨削机床主要由导轨滑块、接触轮、调偏轮、张紧轮、余轮、驱动轮、三相电机、张紧气缸以及力反馈气缸等组成。由于该磨削机所需驱动电机的功率比较大，因此电机比较重。为了减小浮动部分的重量，以提高力解耦砂带磨削机床对磨削力变化响应的速度，所以将三相变频电机固定在机架上。在力解耦砂带磨削机床设计过程中，与驱动轮连接的砂带的张紧力方向尽量与导轨方向垂直，通过计算此张紧力在导轨方向的分离可以忽略不记，实现了砂带的外张紧力与水平方向的磨削力解耦。

图1 一维力解耦砂带磨削机床机械总体图

图2 一维力解耦砂带磨削机床机构简图

2 力解耦砂带磨削机床控制系统硬件设计

以S7-226PLC为主控单元的控制系统结构图，如图3所示。该系统有四部分组成：人机界面(HMI)，PLC与机器人的通讯，砂带线速度的控制以及通过比例阀和低摩擦系数气缸组成的磨削力控制等组成。

图3 控制系统的结构框图

1）人机界面 (HMI)：S7-226PLC 有两个485串口， Port1与人机界面 (HMI)TD400C通讯，双方都支持PPI协议。TD400C设备是一种低成本的人机界面 (HMI)，使用 STEP 7-Micro/WIN[6]的文本显示向导来组态 TD400C 设备，为 TD400C 设备创建画面和报警。可以使用 TD400C 设备键盘上的按钮来浏览这些画面和菜单。文本显示向导会创建参数块，在其中存储 TD400C设备的组态、画面和报警。 S7-200 CPU 将该参数块存储在 V 存储区中。通过TD400C键盘可设置砂带的线速度和磨削力的大小，并可显示砂带的线速度和磨削力的大小。

2）PLC与机器人的通讯：考虑到有些机器人控制器没有串口，我们设计了两种通讯方式，一种为串口通讯，另一种为I/O通信。当机器人控制器上有RS232串口时，用RS232转RS485转接器连接PLC上的Port0，利用PLC自由口通信协议，通过户程序进行通信协议配置以满足通信双方的要求。PLC端协议内容由SMB30，SMB87，SMB88，SMB99等特殊寄存器来设定。其中，SMB30设定了通讯方式，校验方式，每帧字符长度以及传输的波特率。I/O通讯方式，用十芯的屏蔽电缆作信号线，连接机器人的I/O和PLC的O/I，双方通过各自的输出端口给对方发出信息；通过各自的输入端口读取对方发出信息。为了提高抗干扰性，保证可靠性运行，我们在软件上采用延时验证的方法。该系统采用了串口通讯方式完成PLC与机器人的通讯。

3）砂带线速度的控制：由于在磨削时，需要不同的磨削速度，因此要求电机转速无级可调。采用PLC的D/A模块和变频器来满足这个要求。PLC的启停通过I/O口控制，D/A模块输出的电压连接到变频器的模拟输入上，控制变频电机的转速。PLC的D/A模块输出的电压范围为0～10V，砂带驱动变频电机的最高转速为2800RPM，通过线性变换得到他们之间的关系。根据磨削工艺的要求确定砂带线速度的大小，通过人机界面 (HMI)TD400C键盘输入给S7-226PLC，实现砂带线速度的控制。

4）磨削力的控制：根据磨削工艺的要求确定磨削力的大小。通过人机界面 (HMI)TD400C键盘输入给S7-226PLC， PLC经过一定运算得到的气缸活塞杆输出推力的数字量，经过D/A模块转换为一个0～10V的模拟量，控制比例阀输出的压力，以此来使低摩擦气缸输出一定的气缸推力推动砂带磨削机床浮动部分，实现磨削力的控制。

3 力解耦砂带磨削机床控制系统软件设计

力解耦砂带磨削机床控制系统的软件设计包括PLC软件设计和人机界面 (HMI)软件设计。

3.1 PLC软件设计

PLC软件主程序结构流程图,如图4所示。程序采用梯形图编制，编程软件利用西门子公司开发的专用编程和配置软件STEP7-Micro/WIN[6]，该软件使用梯形图或语句表达形式进行离线编程，并且在运行程序时，还可以通过在线监测功能来监视各个变量，这样就给调试带来了极大的方便。根据机器人控制器的指令，PLC可启动力解耦砂带磨削机床的砂带的磨削运动和力控制。PLC还可以根据机器人控制器的指令，在线改变力解耦砂带磨削机床砂带的线速度和磨削力的给定值。

3.2 人机界面 (HMI)软件设计

根据力解耦砂带磨削机床控制和操作要求，设计了主界面、参数设置界面、信号监控界面、参数显示界面等。

图4 PLC软件主程序结构流程图

4 结论

本文详细讨论了基于S7-200系列PLC的一维力解耦砂带磨削机床控制原理、控制系统的硬件组成和软件设计。该一维力解耦砂带磨削机床较精确控制水平方向磨削力的大小，与机器人有机的结合完成了航空叶片的修形磨削加工。该机器人修形磨削加工系统在某公司用于叶片修形磨削加工运行了2年多。实践证明，该系统操作方便，运行稳定可靠，抗干扰能力强。

[1] 朱凯旋,陈延君,黄云,黄智.叶片形面砂带磨削技术的现状和发展趋势[J].航空制造技术,2007,2:102-104.

[2] 黄云,朱派龙.砂带磨削原理及其应用[M].重庆:重庆大学出版社,1993:110-111.

[3] Yunquan Sun.2004,Development of a Comprehensive Grinding Process[D],PhD Thesis,The University of Connecticut,Connecticut,USA.

[4] 李成群.机器人磨抛机床的机构及动力学研究[D].北京:北京航空航天大学,2008.

[5] SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册[G].

[6] 深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大学,2003.