基于PLC数控螺旋锥齿轮研齿加工的自动控制

　　数控螺旋锥齿轮研齿机的研齿动作控制比较复杂，国内生产厂家的研齿机由于采用的是依靠液压系统来完成各种机床夹具的动作，在夹具工作过程中，液压泵一直工作，液压传动系统仍然需溢流阀溢流。这样既消耗功率，又使油温升高，容易产生漏油现象。在机床附近出现大量油污，工人的操作环境恶劣，浪费了大量的液压油。另外，液压油也可能混入研磨剂溶液中，从而导致研磨剂变质，影响加工效果。对于液压装置而言，由于一般的齿轮泵压力也只有2.5MPa，高压泵价格较贵。

　　与液压传动相比，气压传动是一种准绿色的传动技术。因为它所使用的介质是清洁的压缩空气。但气压传动有其自身的弱点，一是系统压力不可能太高(一般P=0.4～0.7 MPa)，因此无法满足输出压力要求较高的应用场合，二是气动装置由于空气的可压缩性，容易产生滞后、冲击现象。

　　采用气液增压传动装置可以兼顾两者的优点，能使夹具产生足够的夹紧力、作用平稳、功耗少而成本低。可编程控制器(PLC)是气液增压传动系统的核心控制部分。目前，国内对该系统的控制多采用传统PLC(简称硬PLC)及单片机，如三菱FX2N系列的PLC控制、西门子S7-200系列PLC、A四8c51单片机。需要编写复杂的PLC程序，同时气液增压传动控制性能的好坏直接影响齿轮研齿效率的高低。

　　德国西门子公司的S7300有很强的模拟量处理能力和数字运算能力，用户程序容量达96 kB，具有许多过去大型PLC才有的功能，它的扫描速度为l 000条指令0.3 ms，超过了许多大型PLC。S7300即使在恶劣的工业环境下仍然可正常工作。

　　目前，国内还没有一家厂家和研究机构开展基于S7-300可编程控制器PLC，实现对数控研齿机研齿加工的自动控制的研究。经计算机检索，国内还没有相关的文献有此方面的论述。

　　根据未来汽车行业对螺旋锥齿轮所提出的要求，中南大学齿轮研究所与某数控装备有限公司共同确立了YK2560型数控螺旋锥齿轮研齿机的研制项目。本人全程参与了YK2560型数控螺旋锥齿轮研齿机的研制项目，是该项目组的成员。该研究在国内是首次研究应用于YK2560数控螺旋锥齿轮研齿机。

　　本研究基于S7—300可编程控制器PLC，结合气液增压传动控制技术，实现对数控研齿机研齿循环的自动控制。达到提高数控研齿机的灵活性，缩短转换时间，优化数控研齿机的加工性能，提高数控研齿机的工作效率和经济效益的目的。

1 采用气液增压夹紧系统实现研齿加工工艺流程原理分析

　　通过PLC的辅助指令确定NC程序的执行顺序。PLC只是动作的执行者，如果I／O口的状态满足PLC的执行条件，它就会去执行。

　其中大轮、小轮夹紧(换向阀2YA断电)，机床防护门闭合(换向阀5YA断电)，研磨喷管臂伸出(换向阀4YA断电)，z轴滑台夹紧(换向阀3YA断电)，喷液停止喷管臂缩回(换向阀4YA得电)，机床防护门打开(换向阀5YA得电)，Z轴滑台放松(换向阀3YA得电)，大轮、小轮放松(换向阀2YA得电)等动作由气液增压传动系统完成。

　该气液增压传动系统的控制原理是：①大、小轮主轴夹紧齿轮工件夹紧力由弹簧提供。当PLC给出控制信号，二位五通换向阀2YA得电，利用气液增压装置，由液压缸克服弹簧力，从而松开大、小轮主轴，更换齿轮工件；②Z轴滑台夹紧，夹紧力由弹簧提供。当PLC给出控制信号，二位五通换向阀3YA得电，利用气液增压装置，由液压缸克服弹簧力，从而松开z轴滑台；③研磨剂喷管臂的前进，驱动力全部由弹簧提供。当PLC给出控制信号，二位五通换向阀4YA得电，利用气液增压装置，由液压缸克服弹簧力，从而使研磨荆喷管臂后退。④机床防护门的关闭，驱动夹紧力全部由弹簧提供。当PLC给出控制信号，二位五通换向阀5YA得电，，利用气液增压装置，由液压缸克服弹簧力，从而打开机床防护门。虽然最终的动力仍是由液压缸提供，但整个夹具系统都改变为气动系统了。

　　气动动力源的传动介质是空气，空气由空压机压缩获取、使用过失去动力的空气可以随时排放，不用考虑回收。由于空气的粘性小、因流动阻力造成的损失小，所以便于集中供应和远距离传送动力。气动对环境普遍有很强的适应能力，工作温度范围大，即使是潮湿或者有灰尘的环境的污染。

2 采用PLC实现研齿加工

　　2.1 设计方法的选择

　　PLC属弱电系统，在弱电系统中记忆电路的抗干扰能力比门电路差得多，而且门电路在干扰脉冲消失后，可自行恢复正确状态。因此，在设计控制程序时，应该多用门电路，少用记忆电路，以提高系统可靠性，基于此，本研究按照工艺流程，在编写程序时采用编码顺序控制的方法。数字门电路是为了实现模拟量信号的采集和转换，编码顺序控制根据输入的程序实现对研齿加工的顺序控制。

　　2.2 PLC型号的选择

　　PLC是一种以CPU为核心的工业控制专用计算机，其硬件结构与普通微机相同，具有编程简单、可靠性高、通用性好及控制功能强等特点，主要是用于

　　完成较复杂的继电器、接触器控制系统的功能。在实际应用中，应根据设计要求、输入／输出点数以及所需继电器数目来选择型号。根据数控螺旋锥齿轮研齿机研齿循环的控制要求，该机床PLC的输入信号为12个点，输出信号为5个点。SIEMENs公司的S7—300的外形尺寸只有90 mm×8mm x62 mm，质量为270 g，功耗仅为4W。体积小、质量轻，可装在控制柜内。因此本设计选用CPU315—2DP、IM360、SM323、DIl6／D016x24V／o．5A型S7—300PLC。

　　2．3 PLC程序设计

　　(2)PLC与现场器件实际连接

　在输入元件中，按钮SBl、行程开关SQ1～SQ11这12个点接入的是常开点；输出元件中IYA～5YA电磁换向阔的线圈的额定电压为直流24 V，因此输出电源选择为直流24 V。

　　(3)根据数控螺旋锥齿轮研齿机的研齿加工要求，本研究编制了其PLC控制程序梯形图。程序的编制按控制要求采用顺序控制，划分为15步，每一步划分为一个程序段。每一程序段的标题注明了该程序段所实现的功能。S7—300的定时器采用接通延时定时器SD，其输入端TV输入格式为SST#S。当定时器定时时问到，输出端置位为1，可实现集中控制。例如：程序段15，当z轴滑台松开动作结束后，PLC指令把M11.1置位为1，同时把上一步M11．0复位为0．M11.1置位为1，紧接着PLC把Q0.0置位为1，执行大齿轮、小齿轮松开的动作。与此同时，定时器开始定时，2s后，PLC把MI0.0置位为1，同时把上一步M11.1复位为0。PLC结束程序段15(大齿轮、小齿轮松开)的动作，返回初始步。

3 研齿工艺流程控制的调试试验

　　调试试验是在YK2560数控螺旋锥齿轮研齿机上进行的。SINUMERIK840D的PLC部分使用的是SIMATIC S7—300。故而，PLC的调试软件是STEP7。借助外部计算机或程编器(PG)来对PLC程序进行修改和传输。程序设计好后，可利用STEP 7将其传送至系统，而这需在计算机与控制系统之间建立连接(见图5)。电源模块是为PLC和NC提供电源的+24 V和+5 V。接口模块(IM)是用于级之间互连的。信号模块(SM)是用于机床PLC输A／输出模块。

　　在STEP 7安装好后，为了调试PLC，我们通常要新建一个项目(Project)。调试PLC的主要工作内容是关于s7-Programe下的Blocks中的，我们需要在原有程序中加进新的控制内容或增加新的程序块(FB或FC等)。

　　最后本研究将设计的PLC程序应用于YK2560数控螺旋锥齿轮研齿机中，验证程序的准确性及可靠性。

4 结束语

　　基于S7—300可编程控制器PLC，结合气液增压传动控制技术，实现了对数控研齿机研齿加工的自动控制。实验结果证明：完成整个研齿加工循环，除研磨加工外，只需llS就可全部完成循环工艺流程。程序结构紧凑、运行效率高，且可以很好的实现设计要求。此系统操作简便，性价比高，充分发挥了S7—300 PLC控制系统运行可靠、接线简单、使用灵活、维护方便和气压增压传动系统具有足够的夹紧力、作用平稳、耗功少而成本低等优点。