齒輪滾銑複合加工實驗裝置控製係統開（kāi）發
2019-11-22 來源：武漢大學 動力與（yǔ）機械學院 作者：劉照 何珊 潘衛平 王堂輝
齒輪（lún）加（jiā）工（gōng）方（fāng）法是機械原理等課程的教學難點，僅靠齒輪範成儀等（děng）教具（jù），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（jiā）工設備（bèi）往往（wǎng）學校又不具（jù）備，因此有些學校采（cǎi）用軟件模擬來展示這一加（jiā）工過程，這不利於學生深刻體會漸開線的形成過程。還有一些學（xué）校研製了專（zhuān）門的滾齒設備來實現齒輪範成法加工，但這些設備通常隻具有展成法加工而沒有成形法加（jiā）工，學生不易（yì）理解這兩種加工方法的差別。如果能夠把（bǎ）這（zhè）兩種加工方法集成在一台實驗裝（zhuāng）置中實現，可大大增強學生對不同齒（chǐ）輪加工方法的認知。本文（wén）主要研究該裝置中與機械本體配套的控製係（xì）統軟硬件開發，該控製係統用來實現齒輪滾銑複合加工中各傳動機構（gòu）的（de）運動（dòng）控製、加工（gōng）方法選擇、參數設置和加工過程監控。
1、實驗裝置構成（chéng）與控製係統設計要求
該實驗裝置機（jī）械本體結構如圖 1 所示（shì），主要由工作台、刀具傳動機構 1、工件分度機構 2、工作台軸向進給傳動機構 3、手輪（lún）、步進電機、編碼器（qì）等組成。該裝置（zhì）最大特色是滾刀與銑刀都安裝在一根軸上，隻要通過垂向手輪和橫向工作台手輪來調整工件相對刀具的位置，就可以分（fèn）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（lǐ），這裏給出（chū）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（dāo）轉動 B11、輪（lún）坯轉動 B12共同形成的（de）展成運動及滾刀相對輪（lún）坯的軸向（xiàng）進給（gěi）運動 A2來實（shí）現的; 該實驗（yàn）裝置中則通過控（kòng）製（zhì）主軸、分齒驅動和工作台進給這 3 個電機，來實現機構 1～機構 3 的運動合成，最終實現齒（chǐ）輪漸開線齒廓的加工。從（cóng）圖 2 ( b) 可知，齒輪的成形法加（jiā）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; 該裝置中則通過控製機構（gòu） 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（jiā）工。
圖 1 齒輪滾銑（xǐ）複合加工實驗裝置三維圖（tú）
(a) 齒輪展成法加工原理圖
(b) 齒輪成形法加工原（yuán）理圖
圖 2 齒（chǐ）輪加工原理（lǐ）圖
從齒（chǐ）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（dòng）要求，所開發的控製係統必須能（néng）夠實現這 3 個傳動機構的驅動控製，並且（qiě）實現刀具轉速、工件轉速（sù）和工（gōng）作（zuò）台橫向（xiàng）進給速度的同步控製。此外，該係統還須（xū）具備簡潔直觀的人機界麵，以實現加（jiā）工方法選擇、加工參數設定和加工過程監控。
2、控製係統方案設計
考慮到上述控製（zhì）係統設計（jì）要求，對（duì）比（bǐ）各種控製器如單片機、DSP 和 PLC 等，並（bìng）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（zhí）行機（jī）構、PLC 為底層控製平台、觸摸屏為人機界麵的（de）開環控製係統方案，如圖 3 所示。控製係統硬（yìng）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（de）高（gāo）速輸（shū）出信號 Y0、Y1、Y2 分別用來提供（gòng）驅動該實驗裝置中刀具、工作台軸向進給和工件分度步進電機的脈衝信號，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（biān）碼（mǎ）器的輸入信號，3 個編碼器（qì）分別用來檢測 3 個步進電機的轉速。多餘的PLC 輸入輸出點數適當（dāng）考慮了以後的（de）應用擴展。觸摸屏用來選擇加工方法、設（shè）置加工參數和監控加工過程（chéng），該裝置選用威綸通（tōng）TK6070ip。
3、硬件接口設計
該實（shí）驗裝置控製係統硬（yìng）件設計主（zhǔ）要包括 PLC與步進電機（jī）驅動器、編碼器的接口設計以及 PLC與（yǔ）觸摸屏的通信連接。控製（zhì）係統主接線圖（tú）如圖 4 所示，其中驅動器 1～ 驅動器（qì） 3 分別（bié）是刀具主軸（zhóu）、工作台軸向進給和工件分（fèn）度（dù）步進電機的驅動器。編碼器 1～ 編碼器 3 分別是工作台軸向進給機構、刀具（jù）軸和工件分度機構的編（biān）碼器。觸摸屏與 PLC 之間采用了 RS－485 4 W 通信電（diàn）纜（lǎn）進行通信。X10 是啟動按鈕，X11 是停機按鈕（niǔ）。下（xià）麵簡要介紹各部分接口設計。
圖 3 控製係統方案設計（jì）
圖 4 控製係（xì）統硬件設計組（zǔ）成
3. 1 PLC 與步（bù）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 係列兩相步進電機，配套的驅動（dòng）器選用了 ZD － 6560 －V4。該（gāi）驅（qū）動器與 PLC 的接線方法分為共陽極和共陰極兩種，本文係統采用的是共陽極信號輸入，對應的接線如圖 4 所示。其（qí）中 FX3U 的高速輸出端子 Y0～ Y2 分別接主軸電機驅動器 1、工作台軸（zhóu）向進給電機驅動器 2 和工件分度（dù）電機驅動器 3 的脈衝負端子，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（zǐ）。如圖 5 所示，隻給出了主（zhǔ）軸步進電（diàn）機驅動器 1 與 PLC 的接口，其他兩個驅動器（qì）接（jiē）口雷同。圖 5 中驅動（dòng）器的脈衝負端子接PLC的高速輸出端口 Y0，驅動器的方向負端子接 PLC的（de） Y3 端口，驅動器（qì）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。在驅動器的脈衝正、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
由於工作台的（de）軸向進給運（yùn）動有正反兩個（gè）方向，PLC 必須采用雙向雙輸入計數，而刀具主軸（zhóu）和（hé）工（gōng）件分度機構都是單向旋轉的，隻要采（cǎi）用單相單輸入計數即（jí）可。為了供電方便，所有的編碼器（qì）都選用歐姆龍的E6A2－CWZ5C 型編碼器，其供電電壓都（dōu）是 24 V，具體接線如圖 6 所示。FX3U 的 X0、X1 端子分別接工作台（tái）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（biān）碼（mǎ）器接口
3. 3 PLC 與觸摸屏通信（xìn）接口
控製係統人（rén）機界麵———觸（chù）摸屏 TK6070ip 有兩個 COM 口， 其 中 的 COM1 口為 RS232 接（jiē） 口，COM2 口為 RS485 通信接口（kǒu），係（xì）統設（shè）計中采（cǎi）用COM2 口與 FX3U 通信，連接方式如圖 7 所示。
圖 7 PLC 與觸摸屏接（jiē）口
4、軟件設計（jì）
控製係統軟件主（zhǔ）要包括後台 PLC 控製程序和前台觸摸屏程序兩部分。PLC 控製程序負責實現齒輪滾銑複（fù）合加工實驗裝置的運動控製; 觸（chù）摸屏（píng）程序則實（shí）現人機交互，如齒輪加工（gōng）過程的監控和加工參數設置（zhì）。
4. 1 PLC 控製軟件設計
圖 8 PLC 控製軟件流程圖
該實（shí）驗裝置的 PLC 控製係統軟（ruǎn）件（jiàn）主要（yào）包括滾齒和銑齒兩（liǎng）個分支程序，分別用來實現（xiàn）齒輪的展成法（fǎ） 加 工 和 成 形 法 銑 削。軟 件 采 用 三 菱 GX －Works2 編程，PLC 控製軟件主要流程如圖 8 所示。這裏僅以滾齒加（jiā）工為例，說明（míng） PLC 控製刀具主軸、工件分度和工作台軸向進給 3 個步（bù）進電（diàn）機的同步運（yùn）動，從而（ér）實現滾齒加工過程（chéng）的運動控製部分代碼，如圖 9 所示。該梯形圖中（zhōng）分別通過可變速脈衝輸出指令 PLSV 來驅動主軸（zhóu）和分度電機的運行，相對定位指令 DRVI 來驅動（dòng）軸向進給電機的運行。其中，M10 是總開關（guān），D0、D8 分別對應於（yú）主軸和分度電機的脈衝頻率，它（tā）們確定了（le）這兩個電機的旋（xuán）速度，Y0、Y3 分別對應於主軸電機 PLC 控製輸出的（de）脈（mò）衝和方向端子，Y2、Y5 分別對應於分（fèn）度電機PLC 控製輸出的脈衝和方向端子。D12、D4、Y1、Y4 分別對應於軸向進給電機的脈衝數、脈衝頻率、該電機 PLC 控製輸出的脈衝和方向端子。
圖 9 PLC 梯（tī）形圖部分代碼
4. 2 觸摸屏界麵設計
觸摸（mō）屏界麵采用威綸通觸摸（mō）屏軟件 EB8000 設計，主要界麵（miàn）包括展（zhǎn）成法加工界麵（miàn）、成形法加工界（jiè）麵和步進電機控製界（jiè）麵，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製演示（shì）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。該齒輪複合（hé）加工實驗裝置已完成開發，並在機械原（yuán）理課程中得到（dào）了（le）應用，如圖 13 所示。
圖（tú） 10 加工方法選擇界麵
圖 11 加（jiā）工（gōng）參數設置界麵
圖（tú） 12 加（jiā）工過程（chéng）監控界麵
圖（tú） 13 齒輪複合加（jiā）工實驗裝置實物圖（tú）
5、結束語
實踐表明，該實驗裝置運（yùn）行可靠、界麵直觀（guān）、操作方（fāng）便、控製硬件精簡，控製係統完全達（dá）到了設計功能要求。該實驗裝置不僅（jǐn）可用於機械原理、金屬切削機床等課程中加深學生對齒輪展成法（fǎ）和成形法加（jiā）工方法的理解，而且該裝（zhuāng）置（zhì）還可用於機電（diàn）傳動控製等課（kè）程（chéng）中對步進電機（jī）的驅動控製和（hé） PLC編程的實（shí）驗教學（xué）。
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