引言

　　砂帶磨削是根據(jù)工件形狀，用相應(yīng)的接觸方式及高速運(yùn)動(dòng)的砂帶對(duì)工件表面進(jìn)行磨削和拋光的一種新工藝，并有“萬(wàn)能磨削”之稱，它不僅能加工其他加工方法難于加工或不能加工的材料，而且還能加工復(fù)雜幾何形狀工件(航空葉片、汽輪機(jī)葉片、高檔水龍頭等)。機(jī)器人修形磨削加工(conformance grinding)是指采用機(jī)器人磨削系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜曲面工件進(jìn)行砂帶磨削加工使之達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸公差和表面質(zhì)量的一種精加工方法。對(duì)于航空葉片的修形磨削加工，要求在磨削過(guò)程中精確的控制磨削量，而影響磨削量的主要因素包括：磨削力大小、工件的進(jìn)給速度、磨削速度、砂帶類型等，因此要求砂帶磨削機(jī)床應(yīng)具備如下兩個(gè)條件：

　　1)砂帶磨削機(jī)床精確控制磨削力

　　2)盡量減輕砂帶磨床浮動(dòng)部分的重量，提高砂帶磨削系統(tǒng)對(duì)磨削力的響應(yīng)速度。為此，設(shè)計(jì)了一維力解耦砂帶磨削機(jī)床(以下簡(jiǎn)稱力解耦砂帶磨削機(jī)床)。

　　本力解耦砂帶磨削機(jī)床的主控單元采用西門子S7-226PLC，人機(jī)界面(HMI)為西門子的TD400C。S7-200PLC是西門子小型整體式PLC系列的可編程控制器，它適用于各領(lǐng)域中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、及控制的自動(dòng)化應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的S7-226PLC(DC/DC/DC)具有24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。S7-226PLC的通訊方式有PPI通信協(xié)議、MPl通訊協(xié)議和自由方式通訊協(xié)議 引言

　　砂帶磨削是根據(jù)工件形狀，用相應(yīng)的接觸方式及高速運(yùn)動(dòng)的砂帶對(duì)工件表面進(jìn)行磨削和拋光的一種新工藝，并有“萬(wàn)能磨削”之稱，它不僅能加工其他加工方法難于加工或不能加工的材料，而且還能加工復(fù)雜幾何形狀工件(航空葉片、汽輪機(jī)葉片、高檔水龍頭等)。機(jī)器人修形磨削加工(conformance grinding)是指采用機(jī)器人磨削系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜曲面工件進(jìn)行砂帶磨削加工使之達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸公差和表面質(zhì)量的一種精加工方法。對(duì)于航空葉片的修形磨削加工，要求在磨削過(guò)程中精確的控制磨削量，而影響磨削量的主要因素包括：磨削力大小、工件的進(jìn)給速度、磨削速度、砂帶類型等，因此要求砂帶磨削機(jī)床應(yīng)具備如下兩個(gè)條件：

　　1)砂帶磨削機(jī)床精確控制磨削力

　　2)盡量減輕砂帶磨床浮動(dòng)部分的重量，提高砂帶磨削系統(tǒng)對(duì)磨削力的響應(yīng)速度。為此，設(shè)計(jì)了一維力解耦砂帶磨削機(jī)床(以下簡(jiǎn)稱力解耦砂帶磨削機(jī)床)。

　　本力解耦砂帶磨削機(jī)床的主控單元采用西門子S7-226PLC，人機(jī)界面(HMI)為西門子的TD400C。S7-200PLC是西門子小型整體式PLC系列的可編程控制器，它適用于各領(lǐng)域中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、及控制的自動(dòng)化應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的S7-226PLC(DC/DC/DC)具有24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。S7-226PLC的通訊方式有PPI通信協(xié)議、MPl通訊協(xié)議和自由方式通訊協(xié)議，便于和機(jī)器人控制器通訊。人機(jī)界面(HMI)TD400C通過(guò)RS485與PLC通訊，能實(shí)時(shí)共享更改PLC的數(shù)據(jù)單元，組成了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

1 力解耦砂帶磨削機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)原理

　　力解耦砂帶磨削機(jī)床機(jī)械總體圖，如圖1所示，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。該磨削機(jī)床主要由導(dǎo)軌滑塊、接觸輪、調(diào)偏輪、張緊輪、余輪、驅(qū)動(dòng)輪、三相電機(jī)、張緊氣缸以及力反饋氣缸等組成。由于該磨削機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率比較大，因此電機(jī)比較重。為了減小浮動(dòng)部分的重量，以提高力解耦砂帶磨削機(jī)床對(duì)磨削力變化響應(yīng)的速度，所以將三相變頻電機(jī)固定在機(jī)架上。在力解耦砂帶磨削機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，與驅(qū)動(dòng)輪連接的砂帶的張緊力方向盡量與導(dǎo)軌方向垂直，通過(guò)計(jì)算此張緊力在導(dǎo)軌方向的分離可以忽略不記，實(shí)現(xiàn)了砂的外張緊力與水平方向的磨削力解耦。

  圖1一維力解耦砂帶磨削機(jī)床機(jī)械總體圖

圖2一維力解耦砂帶磨削機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　以S7—226PLC為主控單元的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。該系統(tǒng)有四部分組成：人機(jī)界面(HMI)，PLC與機(jī)器人的通訊，砂帶線速度的控制以及通過(guò)比例閥和低摩擦系數(shù)氣缸組成的磨削力控制等組成。

圖3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　1)人機(jī)界面(HMI)：S7-226PLC有兩個(gè)485串口，Portl與人機(jī)界面(HMI)TD400C通訊，雙方都支持PPI協(xié)議。TD400C設(shè)備是一種低成本的人機(jī)界面(HMI)，使用STEP 7-Micro/WIN的文本顯示向?qū)?lái)組態(tài)TD400C設(shè)備，為TD400C設(shè)備創(chuàng)建畫面和報(bào)警。可以使用TD400C設(shè)備鍵盤上的按鈕來(lái)瀏覽這些畫面和菜單。文本顯示向?qū)?huì)創(chuàng)建參數(shù)塊，在其中存儲(chǔ)TD400C設(shè)備的組態(tài)、畫面和報(bào)警。S7-200 CPU將該參數(shù)塊存儲(chǔ)在V存儲(chǔ)區(qū)中。通過(guò)TD400C鍵盤可設(shè)置砂帶的線速度和磨削力的大小，并可顯示砂帶的線速度和磨削力的大小。

　　2)PLC與機(jī)器人的通訊：考慮到有些機(jī)器人控制器沒有串口，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種通訊方式，一種為串口通訊，另一種為I/O通信。當(dāng)機(jī)器人控制器上有RS232串口時(shí)，用RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)接器連接PLC上的PortO，利用PLC自由口通信協(xié)議，通過(guò)戶程序進(jìn)行通信協(xié)議配置以滿足通信雙方的要求。PLC端協(xié)議內(nèi)容由SMB30，SMB87，SMB88，SMB99等特殊寄存器來(lái)設(shè)定。其中，SMB30設(shè)定了通訊方式，校驗(yàn)方式，每幀字符長(zhǎng)度以及傳輸?shù)牟ㄌ芈省/O通訊方式，用十芯的屏蔽電纜作信號(hào)線，連接機(jī)器入的I/O和PLC的O/I，雙方通過(guò)各自的輸出端口給對(duì)方發(fā)出信息；通過(guò)各自的輸入端口讀取對(duì)方發(fā)出信息。為了提高抗干擾性，保證可靠性運(yùn)行，我們?cè)谲浖喜捎醚訒r(shí)驗(yàn)證的方法。該系統(tǒng)采用了串口通訊方式完成PLC與機(jī)器人的通訊。

　　3)砂帶線速度的控制：由于在磨削時(shí)，需要不同的磨削速度，因此要求電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)。采用PLC的D/A模塊和變頻器來(lái)滿足這個(gè)要求。PLC的啟停通過(guò)I/O口控制，D/A模塊輸出的電壓連接到變頻器的模擬輸入上，控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PLC的D/A模塊輸出的電壓范圍為0～10V，砂帶驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2800RPM，通過(guò)線性變換得到他們之間的關(guān)系。根據(jù)磨削工藝的要求確定砂帶線速度的大小，通過(guò)人機(jī)界面(HMI)TD400C鍵盤輸入給S7—226PLC，實(shí)現(xiàn)砂帶線速度的控制。

　　4)磨削力的控制：根據(jù)磨削工藝的要求確定磨削力的大小。通過(guò)人機(jī)界面(HMI)TD400C鍵盤輸入給S7—226PLC，PLC經(jīng)過(guò)一定運(yùn)算得到的氣缸活塞桿輸出推力的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換為一個(gè)O～10V的模擬量，控制比例閥輸出的壓力，以此來(lái)使低摩擦氣缸輸出一定的氣缸推力推動(dòng)砂帶磨削機(jī)床浮動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)磨削力的控制。

3 力解耦砂帶磨削機(jī)床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　力解耦砂帶磨削機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC軟件設(shè)計(jì)和人機(jī)界面(HMI)軟件設(shè)計(jì)。

　　3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

　　PLC軟件主程序結(jié)構(gòu)流程圖，如圖4所示。程序采用梯形圖編制，編程軟件利用西門子公司開發(fā)的專用編程和配置軟件STEP7-Micro/WIN，該軟件使用梯形圖或語(yǔ)句表達(dá)形式進(jìn)行離線編程，并且在運(yùn)行程序時(shí)，還可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)功能來(lái)監(jiān)視各個(gè)變量，這樣就給調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。根據(jù)機(jī)器人控制器的指令，PLC可啟動(dòng)力解耦砂帶磨削機(jī)床的砂帶的磨削運(yùn)動(dòng)和力控制。PLC還可以根據(jù)機(jī)器人控制器的指令，在線改變力解藕砂帶磨削機(jī)床砂帶的線速度和磨削力的給定值。

圖4 PLC軟件主程序結(jié)構(gòu)流程圖

　　3.2 人機(jī)界面(HMI)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)力解禍砂帶磨削機(jī)床控制和操作要求，設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號(hào)監(jiān)控界面、參數(shù)顯示界面等。

4 結(jié)論

　　本文詳細(xì)討論了基于S7-200系列PLC的一維力解耦砂帶磨削機(jī)床控制原理、控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。該一維力解耦砂帶磨削機(jī)床較精確控制水平方向磨削力的大小，與機(jī)器人有機(jī)的結(jié)合完成了航空葉片的修形磨削加工。該機(jī)器人修形磨削加工系統(tǒng)在某公司用于葉片修形磨削加工運(yùn)行了2年多。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。