劉 照，何 珊，潘衛(wèi)平，王堂輝

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

齒輪加工方法是機械原理等課程的教學難點[1－2]，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[3－4]，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(xiàn)齒輪范成法加工[5－7]，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(xiàn)，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(tǒng)軟硬件開發(fā)，該控制系統(tǒng)用來實現(xiàn)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(shù)設置和加工過程監(jiān)控。

1 實驗裝置構成與控制系統(tǒng)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(xiàn)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(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(xiàn)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(xiàn)機構1～機構3的運動合成，最終實現(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動、刀具相對工件的軸向進給運動及分齒運動實現(xiàn)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(xiàn)每個輪齒的加工。

圖1 齒輪滾銑復合加工實驗裝置三維圖

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，為達到加工所需的運動要求，所開發(fā)的控制系統(tǒng)必須能夠實現(xiàn)這3個傳動機構的驅動控制，并且實現(xiàn)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(tǒng)還須具備簡潔直觀的人機界面，以實現(xiàn)加工方法選擇、加工參數(shù)設定和加工過程監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)方案設計

考慮到上述控制系統(tǒng)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(zhí)行機構、PLC為底層控制平臺、觸摸屏為人機界面的開環(huán)控制系統(tǒng)方案，如圖3所示?？刂葡到y(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 kHz高速計數(shù)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(shù)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(shù)和監(jiān)控加工過程，該裝置選用威綸通TK6070ip[9]。

3 硬件接口設計

該實驗裝置控制系統(tǒng)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?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)方案設計

圖4 控制系統(tǒng)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[10]。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(tǒng)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，F(xiàn)X3U的Y3～Y5端子分別接3個驅動器的方向負端子，F(xiàn)X3U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(lián)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(shù)，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(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端子分別接工作臺軸向進給機構編碼器的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(tǒng)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[12]，系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)人機交互，如齒輪加工過程的監(jiān)控和加工參數(shù)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(tǒng)軟件主要包括滾齒和銑齒兩個分支程序，分別用來實現(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、工件分度和工作臺軸向進給3個步進電機的同步運動，從而實現(xiàn)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轉速度，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(shù)、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(xiàn)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(shù)設置與加工過程監(jiān)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(fā)，并在機械原理課程中得到了應用，如圖13所示。

圖10 加工方法選擇界面

圖11 加工參數(shù)設置界面

圖12 加工過程監(jiān)控界面

圖13 齒輪復合加工實驗裝置實物圖

5 結束語

實踐表明，該實驗裝置運行可靠、界面直觀、操作方便、控制硬件精簡，控制系統(tǒng)完全達到了設計功能要求。該實驗裝置不僅可用于機械原理、金屬切削機床等課程中加深學生對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電傳動控制等課程中對步進電機的驅動控制和PLC編程的實驗教學。

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