數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)的研齒動作控制比較復(fù)雜，國內(nèi)生產(chǎn)廠家的研齒機(jī)由于采用的是依靠液壓系統(tǒng)來完成各種機(jī)床夾具的動作，在夾具工作過程中，液壓泵一直工作，液壓傳動系統(tǒng)仍然需溢流閥溢流。這樣既消耗功率，又使油溫升高，容易產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。在機(jī)床附近出現(xiàn)大量油污，工人的操作環(huán)境惡劣，浪費(fèi)了大量的液壓油。另外，液壓油也可能混入研磨劑溶液中，從而導(dǎo)致研磨劑變質(zhì)，影響加工效果。對于液壓裝置而言，由于一般的齒輪泵壓力也只有2.5MPa，高壓泵價(jià)格較貴。

　　與液壓傳動相比，氣壓傳動是一種準(zhǔn)綠色的傳動技術(shù)。因?yàn)樗褂玫慕橘|(zhì)是清潔的壓縮空氣。但氣壓傳動有其自身的弱點(diǎn)，一是系統(tǒng)壓力不可能太高(一般P=0.4～0.7 MPa)，因此無法滿足輸出壓力要求較高的應(yīng)用場合，二是氣動裝置由于空氣的可壓縮性，容易產(chǎn)生滯后、沖擊現(xiàn)象。

　　采用氣液增壓傳動裝置可以兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，能使夾具產(chǎn)生足夠的夾緊力、作用平穩(wěn)、功耗少而成本低。可編程控制器(PLC)是氣液增壓傳動系統(tǒng)的核心控制部分。目前，國內(nèi)對該系統(tǒng)的控制多采用傳統(tǒng)PLC(簡稱硬PLC)及單片機(jī)，如三菱FX2N系列的PLC控制、西門子S7-200系列PLC、A四8c51單片機(jī)。需要編寫復(fù)雜的PLC程序，同時(shí)氣液增壓傳動控制性能的好壞直接影響齒輪研齒效率的高低。

　　德國西門子公司的S7—300有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算能力，用戶程序容量達(dá)96 kB，具有許多過去大型PLC才有的功能，它的掃描速度為l 000條指令0.3 ms，超過了許多大型PLC。S7—300即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍然可正常工作。

　　目前，國內(nèi)還沒有一家廠家和研究機(jī)構(gòu)開展基于S7-300可編程控制器PLC，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控研齒機(jī)研齒加工的自動控制的研究。經(jīng)計(jì)算機(jī)檢索，國內(nèi)還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)有此方面的論述。

　　根據(jù)未來汽車行業(yè)對螺旋錐齒輪所提出的要求，中南大學(xué)齒輪研究所與某數(shù)控裝備有限公司共同確立了YK2560型數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)的研制項(xiàng)目。本人全程參與了YK2560型數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)的研制項(xiàng)目，是該項(xiàng)目組的成員。該研究在國內(nèi)是首次研究應(yīng)用于YK2560數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)。

　　本研究基于S7—300可編程控制器PLC，結(jié)合氣液增壓傳動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控研齒機(jī)研齒循環(huán)的自動控制。達(dá)到提高數(shù)控研齒機(jī)的靈活性，縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，優(yōu)化數(shù)控研齒機(jī)的加工性能，提高數(shù)控研齒機(jī)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 采用氣液增壓夾緊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研齒加工工藝流程原理分析

　　圖1所示的研齒循環(huán)框圖描述了從研齒初始化到研齒加工結(jié)束的過程，這是由NC控制。

圖1研齒循環(huán)框圖

　　通過PLC的輔助指令確定NC程序的執(zhí)行順序。PLC只是動作的執(zhí)行者，如果I／O口的狀態(tài)滿足PLC的執(zhí)行條件，它就會去執(zhí)行。

　　在研齒循環(huán)框圖中，其中大輪、小輪夾緊(換向閥2YA斷電)，機(jī)床防護(hù)門閉合(換向閥5YA斷電)，研磨噴管臂伸出(換向閥4YA斷電)，z軸滑臺夾緊(換向閥3YA斷電)，噴液停止噴管臂縮回(換向閥4YA得電)，機(jī)床防護(hù)門打開(換向閥5YA得電)，Z軸滑臺放松(換向閥3YA得電)，大輪、小輪放松(換向閥2YA得電)等動作由氣液增壓傳動系統(tǒng)完成。

　　該氣液增壓夾緊系統(tǒng)圖如圖2所示。該氣液增壓傳動系統(tǒng)的控制原理是：①大、小輪主軸夾緊齒輪工件夾緊力由彈簧提供。當(dāng)PLC給出控制信號，二位五通換向閥2YA得電，利用氣液增壓裝置，由液壓缸克服彈簧力，從而松開大、小輪主軸，更換齒輪工件；②Z軸滑臺夾緊，夾緊力由彈簧提供。當(dāng)PLC給出控制信號，二位五通換向閥3YA得電，利用氣液增壓裝置，由液壓缸克服彈簧力，從而松開z軸滑臺；③研磨劑噴管臂的前進(jìn)，驅(qū)動力全部由彈簧提供。當(dāng)PLC給出控制信號，二位五通換向閥4YA得電，利用氣液增壓裝置，由液壓缸克服彈簧力，從而使研磨荊噴管臂后退。④機(jī)床防護(hù)門的關(guān)閉，驅(qū)動夾緊力全部由彈簧提供。當(dāng)PLC給出控制信號，二位五通換向閥5YA得電，，利用氣液增壓裝置，由液壓缸克服彈簧力，從而打開機(jī)床防護(hù)門。雖然最終的動力仍是由液壓缸提供，但整個夾具系統(tǒng)都改變?yōu)闅鈩酉到y(tǒng)了。

圖2氣液增壓夾緊傳動系統(tǒng)原理圖

　　氣動動力源的傳動介質(zhì)是空氣，空氣由空壓機(jī)壓縮獲取、使用過失去動力的空氣可以隨時(shí)排放，不用考慮回收。由于空氣的粘性小、因流動阻力造成的損失小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離傳送動力。氣動對環(huán)境普遍有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，工作溫度范圍大，即使是潮濕或者有灰塵的環(huán)境的污染。

2 采用PLC實(shí)現(xiàn)研齒加工

　　2.1 設(shè)計(jì)方法的選擇

　　PLC屬弱電系統(tǒng)，在弱電系統(tǒng)中記憶電路的抗干擾能力比門電路差得多，而且門電路在干擾脈沖消失后，可自行恢復(fù)正確狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，應(yīng)該多用門電路，少用記憶電路，以提高系統(tǒng)可靠性，基于此，本研究按照工藝流程，在編寫程序時(shí)采用編碼順序控制的方法。數(shù)字門電路是為了實(shí)現(xiàn)模擬量信號的采集和轉(zhuǎn)換，編碼順序控制根據(jù)輸入的程序?qū)崿F(xiàn)對研齒加工的順序控制。

　　2.2 PLC型號的選擇

　　PLC是一種以CPU為核心的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)與普通微機(jī)相同，具有編程簡單、可靠性高、通用性好及控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，主要是用于

　　完成較復(fù)雜的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、輸入／輸出點(diǎn)數(shù)以及所需繼電器數(shù)目來選擇型號。根據(jù)數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)研齒循環(huán)的控制要求，該機(jī)床PLC的輸入信號為12個點(diǎn)，輸出信號為5個點(diǎn)。SIEMENs公司的S7—300的外形尺寸只有90 mm×8mm x62 mm，質(zhì)量為270 g，功耗僅為4W。體積小、質(zhì)量輕，可裝在控制柜內(nèi)。因此本設(shè)計(jì)選用CPU315—2DP、IM360、SM323、DIl6／D016x24V／o．5A型S7—300PLC。

　　2．3 PLC程序設(shè)計(jì)

　　(1)I／O分配表(如表1所示)

　　(2)PLC與現(xiàn)場器件實(shí)際連接(如圖3所示)。

　　圖3所示的PLC接線圖表示PLC與現(xiàn)場器件的實(shí)際連接。在輸入元件中，按鈕SBl、行程開關(guān)SQ1～SQ11這12個點(diǎn)接入的是常開點(diǎn)；輸出元件中IYA～5YA電磁換向闊的線圈的額定電壓為直流24 V，因此輸出電源選擇為直流24 V。

圖3 PLC與現(xiàn)場器件實(shí)際連接圖

(3)根據(jù)數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)的研齒加工要求，本研究編制了其PLC控制程序梯形圖，如圖4所示。程序的編制按控制要求采用順序控制，劃分為15步，每一步劃分為一個程序段。每一程序段的標(biāo)題注明了該程序段所實(shí)現(xiàn)的功能。S7—300的定時(shí)器采用接通延時(shí)定時(shí)器SD，其輸入端TV輸入格式為SST#S。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)問到，輸出端置位為1，可實(shí)現(xiàn)集中控制。例如：程序段15，當(dāng)z軸滑臺松開動作結(jié)束后，PLC指令把M11.1置位為1，同時(shí)把上一步M11．0復(fù)位為0．M11.1置位為1，緊接著PLC把Q0.0置位為1，執(zhí)行大齒輪、小齒輪松開的動作。與此同時(shí)，定時(shí)器開始定時(shí)，2s后，PLC把MI0.0置位為1，同時(shí)把上一步M11.1復(fù)位為0。PLC結(jié)束程序段15(大齒輪、小齒輪松開)的動作，返回初始步。

圖4 PLC控制程序梯形圖

3 研齒工藝流程控制的調(diào)試試驗(yàn)

　　調(diào)試試驗(yàn)是在YK2560數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)上進(jìn)行的。SINUMERIK840D的PLC部分使用的是SIMATIC S7—300。故而，PLC的調(diào)試軟件是STEP7。借助外部計(jì)算機(jī)或程編器(PG)來對PLC程序進(jìn)行修改和傳輸。程序設(shè)計(jì)好后，可利用STEP 7將其傳送至系統(tǒng)，而這需在計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)之間建立連接(見圖5)。電源模塊是為PLC和NC提供電源的+24 V和+5 V。接口模塊(IM)是用于級之間互連的。信號模塊(SM)是用于機(jī)床PLC輸A／輸出模塊。

　　在STEP 7安裝好后，為了調(diào)試PLC，我們通常要新建一個項(xiàng)目(Project)。調(diào)試PLC的主要工作內(nèi)容是關(guān)于s7-Programe下的Blocks中的，我們需要在原有程序中加進(jìn)新的控制內(nèi)容或增加新的程序塊(FB或FC等)。

　　最后本研究將設(shè)計(jì)的PLC程序應(yīng)用于YK2560數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)中，驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性及可靠性。(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2)

4 結(jié)束語

　　基于S7—300可編程控制器PLC，結(jié)合氣液增壓傳動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)控研齒機(jī)研齒加工的自動控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：完成整個研齒加工循環(huán)，除研磨加工外，只需llS就可全部完成循環(huán)工藝流程。程序結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行效率高，且可以很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。此系統(tǒng)操作簡便，性價(jià)比高，充分發(fā)揮了S7—300 PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、接線簡單、使用靈活、維護(hù)方便和氣壓增壓傳動系統(tǒng)具有足夠的夾緊力、作用平穩(wěn)、耗功少而成本低等優(yōu)點(diǎn)。