PLC在一維力解耦砂帶磨削機床中的應用

李成群 ，付永領，贠 超 ，張習加，孫云權

（1. 北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100083；2. 河北理工大學 機械工程學院，唐山 063000；3. 廊坊智通機器人系統有限公司，廊坊 065001）

0 引言

砂帶磨削是根據工件形狀，用相應的接觸方式及高速運動的砂帶對工件表面進行磨削和拋光的一種新工藝，并有“萬能磨削”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，而且還能加工復雜幾何形狀工件（航空葉片、汽輪機葉片、高檔水龍頭等）[1～3]。機器人修形磨削加工（conformance grinding）是指采用機器人磨削系統對復雜曲面工件進行砂帶磨削加工使之達到設計尺寸公差和表面質量的一種精加工方法[4]。對于航空葉片的修形磨削加工，要求在磨削過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、工件的進給速度、磨削速度、砂帶類型等，因此要求砂帶磨削機床應具備如下兩個條件：

1）砂帶磨削機床精確控制磨削力

2）盡量減輕砂帶磨床浮動部分的重量，提高砂帶磨削系統對磨削力的響應速度。

為此，設計了一維力解耦砂帶磨削機床（以下簡稱力解耦砂帶磨削機床）。

本力解耦砂帶磨削機床的主控單元采用西門子S7-226PLC[5],人機界面(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，它適用于各領域中的檢測、監測、及控制的自動化應用。本系統采用的S7-226PLC（DC/DC/DC）具有24點輸入/16點輸出共40個數字量I/O點。S7-226PLC的通訊方式有PPI通信協議、 MPI通訊協議和自由方式通訊協議，便于和機器人控制器通訊。人機界面(HMI)TD400C通過RS485與PLC通訊，能實時共享更改PLC的數據單元，組成了現場實時控制系統。

1 力解耦砂帶磨削機床機械設計原理

力解耦砂帶磨削機床機械總體圖，如圖1所示，其機構簡圖，如圖2所示。該磨削機床主要由導軌滑塊、接觸輪、調偏輪、張緊輪、余輪、驅動輪、三相電機、張緊氣缸以及力反饋氣缸等組成。由于該磨削機所需驅動電機的功率比較大，因此電機比較重。為了減小浮動部分的重量，以提高力解耦砂帶磨削機床對磨削力變化響應的速度，所以將三相變頻電機固定在機架上。在力解耦砂帶磨削機床設計過程中，與驅動輪連接的砂帶的張緊力方向盡量與導軌方向垂直，通過計算此張緊力在導軌方向的分離可以忽略不記，實現了砂帶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床機械總體圖

圖2 一維力解耦砂帶磨削機床機構簡圖

2 力解耦砂帶磨削機床控制系統硬件設計

以S7-226PLC為主控單元的控制系統結構圖，如圖3所示。該系統有四部分組成：人機界面(HMI)，PLC與機器人的通訊，砂帶線速度的控制以及通過比例閥和低摩擦系數氣缸組成的磨削力控制等組成。

圖3 控制系統的結構框圖

1）人機界面 (HMI)：S7-226PLC 有兩個485串口， Port1與人機界面 (HMI)TD400C通訊，雙方都支持PPI協議。TD400C設備是一種低成本的人機界面 (HMI)，使用 STEP 7-Micro/WIN[6]的文本顯示向導來組態 TD400C 設備，為 TD400C 設備創建畫面和報警。可以使用 TD400C 設備鍵盤上的按鈕來瀏覽這些畫面和菜單。文本顯示向導會創建參數塊，在其中存儲 TD400C設備的組態、畫面和報警。 S7-200 CPU 將該參數塊存儲在 V 存儲區中。通過TD400C鍵盤可設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與機器人的通訊：考慮到有些機器人控制器沒有串口，我們設計了兩種通訊方式，一種為串口通訊，另一種為I/O通信。當機器人控制器上有RS232串口時，用RS232轉RS485轉接器連接PLC上的Port0，利用PLC自由口通信協議，通過戶程序進行通信協議配置以滿足通信雙方的要求。PLC端協議內容由SMB30，SMB87，SMB88，SMB99等特殊寄存器來設定。其中，SMB30設定了通訊方式，校驗方式，每幀字符長度以及傳輸的波特率。I/O通訊方式，用十芯的屏蔽電纜作信號線，連接機器人的I/O和PLC的O/I，雙方通過各自的輸出端口給對方發出信息；通過各自的輸入端口讀取對方發出信息。為了提高抗干擾性，保證可靠性運行，我們在軟件上采用延時驗證的方法。該系統采用了串口通訊方式完成PLC與機器人的通訊。

3）砂帶線速度的控制：由于在磨削時，需要不同的磨削速度，因此要求電機轉速無級可調。采用PLC的D/A模塊和變頻器來滿足這個要求。PLC的啟停通過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，控制變頻電機的轉速。PLC的D/A模塊輸出的電壓范圍為0～10V，砂帶驅動變頻電機的最高轉速為2800RPM，通過線性變換得到他們之間的關系。根據磨削工藝的要求確定砂帶線速度的大小，通過人機界面 (HMI)TD400C鍵盤輸入給S7-226PLC，實現砂帶線速度的控制。

4）磨削力的控制：根據磨削工藝的要求確定磨削力的大小。通過人機界面 (HMI)TD400C鍵盤輸入給S7-226PLC， PLC經過一定運算得到的氣缸活塞桿輸出推力的數字量，經過D/A模塊轉換為一個0～10V的模擬量，控制比例閥輸出的壓力，以此來使低摩擦氣缸輸出一定的氣缸推力推動砂帶磨削機床浮動部分，實現磨削力的控制。

3 力解耦砂帶磨削機床控制系統軟件設計

力解耦砂帶磨削機床控制系統的軟件設計包括PLC軟件設計和人機界面 (HMI)軟件設計。

3.1 PLC軟件設計

PLC軟件主程序結構流程圖,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的專用編程和配置軟件STEP7-Micro/WIN[6]，該軟件使用梯形圖或語句表達形式進行離線編程，并且在運行程序時，還可以通過在線監測功能來監視各個變量，這樣就給調試帶來了極大的方便。根據機器人控制器的指令，PLC可啟動力解耦砂帶磨削機床的砂帶的磨削運動和力控制。PLC還可以根據機器人控制器的指令，在線改變力解耦砂帶磨削機床砂帶的線速度和磨削力的給定值。

3.2 人機界面 (HMI)軟件設計

根據力解耦砂帶磨削機床控制和操作要求，設計了主界面、參數設置界面、信號監控界面、參數顯示界面等。

圖4 PLC軟件主程序結構流程圖

4 結論

本文詳細討論了基于S7-200系列PLC的一維力解耦砂帶磨削機床控制原理、控制系統的硬件組成和軟件設計。該一維力解耦砂帶磨削機床較精確控制水平方向磨削力的大小，與機器人有機的結合完成了航空葉片的修形磨削加工。該機器人修形磨削加工系統在某公司用于葉片修形磨削加工運行了2年多。實踐證明，該系統操作方便，運行穩定可靠，抗干擾能力強。

[1] 朱凱旋,陳延君,黃云,黃智.葉片形面砂帶磨削技術的現狀和發展趨勢[J].航空制造技術,2007,2:102-104.

[2] 黃云,朱派龍.砂帶磨削原理及其應用[M].重慶:重慶大學出版社,1993:110-111.

[3] Yunquan Sun.2004,Development of a Comprehensive Grinding Process[D],PhD Thesis,The University of Connecticut,Connecticut,USA.

[4] 李成群.機器人磨拋機床的機構及動力學研究[D].北京:北京航空航天大學,2008.

[5] SIMATIC S7-200 可編程控制器系統手冊[G].

[6] 深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大學,2003.