齿轮滚铣复合加工实验装置控制系统开发

2018-05-13潘卫平王堂辉

实验科学与技术 2018年2期

刘照，何珊，潘卫平，王堂辉

(武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072)

齿轮加工方法是机械原理等课程的教学难点[1－2]，仅靠齿轮范成仪等教具，学生很难直观深入地了解齿轮加工全过程。滚齿机等专用齿轮加工设备往往学校又不具备，因此有些学校采用软件模拟来展示这一加工过程[3－4]，这不利于学生深刻体会渐开线的形成过程。还有一些学校研制了专门的滚齿设备来实现齿轮范成法加工[5－7]，但这些设备通常只具有展成法加工而没有成形法加工，学生不易理解这两种加工方法的差别。如果能够把这两种加工方法集成在一台实验装置中实现，可大大增强学生对不同齿轮加工方法的认知。本文主要研究该装置中与机械本体配套的控制系统软硬件开发，该控制系统用来实现齿轮滚铣复合加工中各传动机构的运动控制、加工方法选择、参数设置和加工过程监控。

1 实验装置构成与控制系统设计要求

该实验装置机械本体结构如图1所示，主要由工作台、刀具传动机构1、工件分度机构2、工作台轴向进给传动机构3、手轮、步进电机、编码器等组成。该装置最大特色是滚刀与铣刀都安装在一根轴上，只要通过垂向手轮和横向工作台手轮来调整工件相对刀具的位置，就可以分别实现齿轮的展成法加工和成形法加工。为了说明该实验装置加工原理，这里给出传统的齿轮展成法加工与成形法加工原理[2]。从图2(a)中可知，齿轮的展成法加工是依靠滚刀转动B11、轮坯转动B12共同形成的展成运动及滚刀相对轮坯的轴向进给运动A2来实现的；该实验装置中则通过控制主轴、分齿驱动和工作台进给这3个电机，来实现机构1～机构3的运动合成，最终实现齿轮渐开线齿廓的加工。从图2(b)可知，齿轮的成形法加工是依靠盘铣刀的主切削运动、刀具相对工件的轴向进给运动及分齿运动实现的；该装置中则通过控制机构1与机构3的同步运动和机构2的间歇运动，来实现每个轮齿的加工。

图1 齿轮滚铣复合加工实验装置三维图

图2 齿轮加工原理图

从齿轮的展成法与成形法加工原理可知，为达到加工所需的运动要求，所开发的控制系统必须能够实现这3个传动机构的驱动控制，并且实现刀具转速、工件转速和工作台横向进给速度的同步控制。此外，该系统还须具备简洁直观的人机界面，以实现加工方法选择、加工参数设定和加工过程监控。

2 控制系统方案设计

考虑到上述控制系统设计要求，对比各种控制器如单片机、DSP和PLC等，并综合考虑成本、可靠性和功能灵活性，最终选择了以步进电机为执行机构、PLC为底层控制平台、触摸屏为人机界面的开环控制系统方案，如图3所示。控制系统硬件核心选择三菱FX3U－32MT/ES，该款PLC有16路输入和16路输出[8]，其中3路100 kHz的高速输出信号Y0、Y1、Y2分别用来提供驱动该实验装置中刀具、工作台轴向进给和工件分度步进电机的脉冲信号，6路100 kHz高速计数输入信号X0～X5分别用来连接3个光电编码器的输入信号，3个编码器分别用来检测3个步进电机的转速。多余的PLC输入输出点数适当考虑了以后的应用扩展。触摸屏用来选择加工方法、设置加工参数和监控加工过程，该装置选用威纶通TK6070ip[9]。

3 硬件接口设计

该实验装置控制系统硬件设计主要包括PLC与步进电机驱动器、编码器的接口设计以及PLC与触摸屏的通信连接。控制系统主接线图如图4所示，其中驱动器1～驱动器3分别是刀具主轴、工作台轴向进给和工件分度步进电机的驱动器。编码器1～编码器3分别是工作台轴向进给机构、刀具轴和工件分度机构的编码器。触摸屏与PLC之间采用了RS－485 4 W通信电缆进行通信。X10是启动按钮，X11是停机按钮。下面简要介绍各部分接口设计。

图3 控制系统方案设计

图4 控制系统硬件设计组成

3.1 PLC与步进电机驱动器接口

该实验装置中的3个步进电机都采用57系列两相步进电机，配套的驱动器选用了ZD－6560－V4[10]。该驱动器与PLC的接线方法分为共阳极和共阴极两种，本文系统采用的是共阳极信号输入，对应的接线如图4所示。其中FX3U的高速输出端子Y0～Y2分别接主轴电机驱动器1、工作台轴向进给电机驱动器2和工件分度电机驱动器3的脉冲负端子，FX3U的Y3～Y5端子分别接3个驱动器的方向负端子，FX3U的Y6～Y7和Y10分别接3个驱动器的脱机负端子。如图5所示，只给出了主轴步进电机驱动器1与PLC的接口，其他两个驱动器接口雷同。图5中驱动器的脉冲负端子接PLC的高速输出端口Y0，驱动器的方向负端子接PLC的Y3端口，驱动器的脱机负端子接PLC的Y6端口。驱动器的A＋、A－、B＋、B－端子则分别接步进电机的两相绕组。在驱动器的脉冲正、方向正和脱机正端子与24 V电源正之间，需串联一个2.7 kΩ限压电阻。

图5 PLC与步进电机接口

3.2 PLC与编码器接口

由于工作台的轴向进给运动有正反两个方向，PLC必须采用双向双输入计数，而刀具主轴和工件分度机构都是单向旋转的，只要采用单相单输入计数即可。为了供电方便，所有的编码器都选用欧姆龙的E6A2－CWZ5C型编码器[11]，其供电电压都是24 V，具体接线如图6所示。FX3U的X0、X1端子分别接工作台轴向进给机构编码器的A、B相端子，FX3U的X3、X4端子分别接主轴编码器和工件分度机构编码器的A相端子。

图6 PLC与编码器接口

3.3 PLC与触摸屏通信接口

控制系统人机界面——触摸屏TK6070ip有两个COM口，其中的 COM1口为 RS232接口，COM2口为RS485通信接口[12]，系统设计中采用COM2口与FX3U通信，连接方式如图7所示。

图7 PLC与触摸屏接口

4 软件设计

控制系统软件主要包括后台PLC控制程序和前台触摸屏程序两部分。PLC控制程序负责实现齿轮滚铣复合加工实验装置的运动控制；触摸屏程序则实现人机交互，如齿轮加工过程的监控和加工参数设置。

4.1 PLC控制软件设计

图8 PLC控制软件流程图

该实验装置的PLC控制系统软件主要包括滚齿和铣齿两个分支程序，分别用来实现齿轮的展成法加工和成形法铣削。软件采用三菱 GXWorks2编程，PLC控制软件主要流程如图8所示。这里仅以滚齿加工为例，说明PLC控制刀具主轴、工件分度和工作台轴向进给3个步进电机的同步运动，从而实现滚齿加工过程的运动控制部分代码，如图9所示。该梯形图中分别通过可变速脉冲输出指令PLSV来驱动主轴和分度电机的运行，相对定位指令DRVI来驱动轴向进给电机的运行。其中，M10是总开关，D0、D8分别对应于主轴和分度电机的脉冲频率，它们确定了这两个电机的旋转速度，Y0、Y3分别对应于主轴电机PLC控制输出的脉冲和方向端子，Y2、Y5分别对应于分度电机PLC控制输出的脉冲和方向端子。D12、D4、Y1、Y4分别对应于轴向进给电机的脉冲数、脉冲频率、该电机PLC控制输出的脉冲和方向端子。

图9 PLC梯形图部分代码

4.2 触摸屏界面设计

触摸屏界面采用威纶通触摸屏软件EB8000设计，主要界面包括展成法加工界面、成形法加工界面和步进电机控制界面，如图10所示，分别用来实现展成法加工、成形法加工和步进电机驱动控制演示实验。其中展成法加工斜齿轮的参数设置与加工过程监控分别如图11和图12所示。该齿轮复合加工实验装置已完成开发，并在机械原理课程中得到了应用，如图13所示。