基于PLC的罗茨风机叶面加工数控系统研究.pdf

基于 P L C的罗茨风机叶面加工数控系统研究 李 洪波 贾叔仕 何 闻 浙江 大学 现代 制造 工 程研 究所 ，浙江 杭 州 3 1 0 0 2 7 摘要 罗茨风机叶 面加 工精度 直接 影响 罗茨鼓风机 的质 量和使 用寿命 。主要 讨论使 用西 门子 s 72 0 0 P L C改装的龙 门刨 数控加 工 系统 ， 并介 绍 了刀具轨迹方程和 系统设计 。 关 键 词 PL C； 数 控 ； 罗 茨 鼓 风 机 中图分类 号 T P 2 7 3 文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 0 3 0 6 0 0 5 1 0 3 S t u dy o n NC s y s t e m o fma c h i ni ng V a n e o fRo ot s bl o we r ba s e d o n PLC LI Ho n g b o J I A S h u s h i HE W e n Ab s t r a c t The pr e c i s i o n o f ma c hi ni ng v a n e of Ro ot s bl o we r d ec i d e s t he q u a lit y a n d l i f e t i me o f Ro o t s b l owe r ． I n t hi s p a p e r 。a NC s ys t e m wi t h SI EM EMS’ s 72 00PI C ha s b e e n pr o p o s e d。 The e q ua t i o n of t r a c k a bo ut b l a d e。 a n d t h e NC s o f e wa r e h av e a l s o b e en i nt r o d uc e d． Ke y wo lr PLC； NC； Ro o t s b l o we r 1 前 言 在生产实际中， 加工 系统 的可靠性 与稳 定性是确保企业顺利 生产的关键 ， 加工系统的生产效率及加工精度是企业生产的灵魂。 以往的罗茨风机叶面数控加工系统多是单片机系统 。 这种加工系统 是以单 片机作为系统控制核心 ， 在设计 中走 刀方程是用极坐标求 解 ， 存在加工精度不高 ， 在加工过程中出现死机等不稳定问题。针 对这种情况 ， 我们应企业的实际需要设计 了一套加工系统。 这套系 统同以往的系统相比， 精度、 稳定性、 可靠性都有很 大的提高 。 而且 由于系统基本采用模块化设计， 整个 系统操作维修都十分方便 ， 对 操作维修人员要求也较低 ， 价格也 比较便宜。 2系统 总体设 计 在系统设 计时 。 可靠性是加工系统首先考虑 的问题 。 所 以我 们设 计数 控系统时 ， 也重点考虑了系统 的可靠性 。 同时兼顾到 系 统操 作维 护及成本 。依据 现在数 控技 术 的发 展情 况 。 结 合企 业 的实际 ， 我们选用 P L C控 制系统。其结构 图如 图 1 。 该 系统是 以 P L C作为 系统 的控制 核心 。 与其他控 制系统 相 比 ， 该 系统基本没有 其他 外围 电路 ， 设计 比较简单 ， 维 修也 十分 方便 。 维护维修成 本也就相对较低 。并且 P L C系统 主要 是开关 量控 制 ， 同 以往 的机床 电器控制相 比 ， 存 在着许 多相似 的地方 。 这使该 系统容易被维修人 员理解 和掌握 ， 也使得 系统操 作起来 控制柜 图 1 控制系统结构 图 相 对 容 易 。 因 而对操作人 员 和维修人员有 着较低 的技术 要求 。 P L C 是 专 门 依 据 工 厂 情 况 设 计 ， 而 且P L C 与驱动器 之间 是通过 光耦 隔 离 ， 所 以该 系 统抗干扰能力较强 ， 可 靠性也 非常 好 ， 由于 P L C生产 厂 家为 自 己生产的 P L C配有专用人机界 面。 其可视化效果也 十分理想 。 3 叶面 型线 及加 工 刀具 轨迹 鼓风机叶面形状如 图 2所 示。 已知 叶 轮渐开线 的基 圆直 径 为 2 R， 厚 度 为 S 。 点 A 为 渐 开线 起点 ， A B C为 渐开 线 。 首先 。 推导渐开 线起始点在基 圆上 的 任 意 渐 开 线 方 程。图 3中R 为 渐 开 线 的 基 圆 半 图 2叶面形状 图 径 。 J7 v为渐开线上任一点 ， A 为其起始点 ， 求 J7v点 的坐标方程 。 由图 3可求得 J7 v点坐标为 f R X c o s aR X 卢一a X s i n a 1 L Y R X s i n aR X 口一aX c o s a 2 由于罗茨鼓风机叶 面加工提供 的数据是叶面的厚度和基 圆 的半径 ， 要知道渐 开线 的方程 ， 就必须得 到渐开线 的起始点 。 所 以先必须求出参数 口的值 ， 由于 提供 的厚度是 S ， 所 以 S ／ 2为 Y 的极大值点 。 对式 2 中 a求导得 Y R X c o s a R X 口一a X s i n aR X c o s a 3 化 简得 Y R X a一口 s i n a 4 当 Y极大时 ， Y 0 5 因 为 一 ／ 2a口， 所 以 a0 6 代入式 3 得 S ／ 2 R X口 7 口S／ 2R 8 将 8 代入式 1 ， 2 得 图 3 叶轮 浙开线基 圆 2 0 0 3 年 第6 5 1 维普资讯 『 RC O 8 “,R 口 s i n ,一S ／ 2 s i n 口 9 L YR x s i n - ,一R x a x C O 8 “, S ／ 2 c o s , 1 O 这样对 于不 同叶面 ， 只要 知道 基圆的半径 R和叶面 的厚度 s就可 以很方便 地求出其渐开线方程 。由于所用 刀具为 圆形刀 具 ， 由渐 开线 的性 质可知 刀具 圆心 O 在 E N 延长线上 ， 令 刀具 半径为 r ， 刀具 圆心 0 的方程 即为 『 R C O 8 “,一 R 卢一口 r s i n , 1 1 L YR s i n , R 口一ar C O 8 “, 1 2 将式 8 代入 1 1 1 2 得 『 R C O 8 “,一 R S ／ 2 R 一口r s i n , 1 3 L YR x s i n a R x S ／ 2Ra r x c o s a 1 4 所 以在叶面加工过程 中 ， 只要给 出刀具 的半径 r ， 叶面 的厚度 s 和渐开线基圆 的半径 R就可 以求 出刀具 圆心运动的轨迹方程 。 4 系统 设计 4． 1 硬 件 的 设计 1 动力参数 选择 改装后龙 门刨刀具 的横 向和纵 向运 动 由步进 电机 和 步 进 电机 y控 制 ， 通过这 两台步 进 电机 带动相应 的滚珠丝 杠转 动 来控制刀具 运 动。 已知两 根滚 珠 丝 杠螺 距 为 6 mm， 刀架及y 轴 拖动导轨质量 』 If为 8 0 k g ， 丝杠 转动惯量 与步进 电机转 子转动 惯量 和 为 0 ． 2 2 N m ， 刀具 最 高 运 行 速 度 为 1 ． 0 8 m ／ mi n ， 即 0 ． 0 l 8 m ／ s ， 设计速度在 l s 内能从 0达到最大 ， 由公式 ， ∞ F 口 ∞ 口 L ∞／ 2 7 t“ 6l 0一 1 6 将上 面各 值代入式 1 5 1 6 得 T4 ． 9 Nm 1 7 式 中 为步进 电机的力矩 ， m为角速度 ， F为阻力 包括 重力 和 摩擦 ， 为刀架运行速度 ， ，为丝杠 与 电机 转子 的转动惯 量 ， a 为丝 杠与电机转子 的角 加速 度 ， o为 刀架 加速 度 ， 』 If为 刀架 和 拖动 导轨 质量 。 为了保证控 制系统运行可靠 ， 取安 全系数为 2 ， 计算 得步进 电机力矩应大 于 9 ． 8 N m， 再依 据实 际叶 面需 要的 加工 精度 ， 希 望在一个 脉冲信号下 ， 步进 电机拖 动刀具运 动 0 ． 0 1 mm， 可得 电 机步 距角 为 0 ． 6 。 ， 根 据 以上 的参 数 ， 最 后选 择 l l O B Y G 5 5 0 D型 五相 十拍混合 式步进电机 ， 和与之配套 的 S H一5 0 8 0 6型 五相 十 拍步进 电机驱 动器。 2P L C选 型 由系统 电路 图 4可知 系统 对 P L C输入输 出的点数 要求 比 较少 ， 但设计时发现程序容量 和数据容量要求都较大 ， 考虑的价 格等因素 ， 最 后 我 们 选 择 了 西 门子 的 s 72 0 0系 列 的 2 1 6 2 A F 2 1 一O X B O型 ， 该 P L C有 2 4 ／ 1 6个输入 出点 ， l 6 k程序容量 ， l O k数据空间 。 3 电路设计 系统 电路设计 如图 4所示 ， 整个 系统 控制为两部分 ， 一部分 为对刀控 制 ， 设 计在一个 小型 手持控制 箱上 ， 用于对 刀 ， 其 上 的 控制端 口为 I O ． 0至 1 0 ． 7 ， 用来 控制 刀具 运动方 向和速 度 ， 显 示 端 口为 Q 0 ． 4至 Q O． 7 ， 用来显示刀 具运动 方 向。另 一部分 安装 在控制柜上 ， 控制端 口为 I 1 ． 0至 I 1 ． 6及 T D 2 0 0上 的键 ， 显示端 口为 Q1 ． 0至 Q 1 ． 3及显示模块 T D 2 0 0 ， Q1 ． 5控制报警 。 4 ． 2系统软件设计 F 』 _ 1 脉 冲 A 红 、 垒 ， 1 0 ．0 1 L J -1 卜 _ B 黄 ／ 、 查 1 0 ． 1 0 0 ． 0 方向 C 绿 ， 1 0 ． 2 0 0 ． 1 1 D 蓝 ＼ ， 下 1 0 ． 3 0 0 ． 2 脱 机 E 橙 一 ／ 多 进 电 j 堡 1 0 ． 4 0 0 ． 3 A G 堡 1 0 ． 5 0 0 ． 4 显示h _ 零位 A G - C 8 0 V 直 I O ．6 Q O ． 5 { 1卜 G N D - - - q 1 确定 1 0 ． 7 0 0 ． 6 2 4 V 卜 故障 鱼 ． I 1 ． 0 0 0 ． 7 _ _ J I 1 ．7 一 驱 动器 手动 ， I l _ l 2 M 重 I l _ 2 2 L 加工 ， I 1 ． 3 0 1 ． 0 量壁 I l _ 4 S 7 - 2 0 o q t ． 1 - _ J Q 0 ． 1 一 脉 冲 红 压 2 M P L C 0 1 ． 2 -1卜 B 黄 l 墼 ． I 1 ． 5 0 1 ． 3 Q 0 ． 3 一 方向 C 绿 I 1 ． 6 0 l _ 4 I 一 D 蓝 入／ 1 垫 堕 一 I 1 ． 7 0 1 ． 5 报 警 脱 机 E 橙 锄电 j I 2 ． 0 0 1 ． 6 A G I 2 ． 1 0 l _ 7 一显示一 零位 A G - C 8 0 V I 2 ． 2 1卜 _ G N D - - - q 1 I 2 ． 3 G N D 一 1 2 4 V F - 故 障 I 2 ． 4 M ll I 1 ． 6 一 驱动器 I 2 ． 5 L 一卜 J I 2 ． 6 I I 2 ． 7 POR T 1 c _ 一 I l M L c T D 2 0 0 图 4系统 电路 图 1 加工软件设计 系统的可靠性 是企 业顺 利生 产 的保证 ， 所 以我们 将其作为设计 的一个重点 。在 实际生产 中 ， 该龙 门刨加工 的产 品 比较 固定 ， 共 有五种品 种 ， 我们将加工按 品种 和步 长将加工程序 固化 ， 其系统 流程图如图 5 图中 n指 实际走刀 次数 ， Ⅳ指加工 的总走 刀次数 。先 根据 风机 叶面方 程 ， 运用计算机求 出每 次切 削过 程 中刀具 运动 所需要 数据 ， 再将这些 脉冲数保 存在 P L C的数 据 区间。龙 门刨 在 加工 工件 时 ， 由 品种 选择 和 步 长选择的两个计数器 的值确定 要加工时需要 调用 的数据地址 ， 在加 工时 刀具 每次 运行 只须 在 数据 区间调用相应数据 即可 。由于龙 门刨加 工 中刀具是 间歇运 动的 ， 刀具 每 次运动 都是 由图 5 系统 流 工作 台上的行程 开 关来控 制 ， 工作 台每 往复 运 程 图 动 一次 ， 由工作 台上的行程开关 给 P L C一 个脉 冲 ， 由 P L C就在 数据 区间调用相应的数据 ， 从 而控制步进 电机转动 ， 让刀具走动 一 次 ， 直到工件加工完毕 。 2 刀具运动量计算 刀具运 动量 的计算是用 迭代 法通 过计算机 求得 ， 其程 序流 程 图如 图 6 ， a 。 为起始角 、 起对应点为 A， 根据 a 。 运用渐开线方 程求 出 A点坐标 ， 如 图 7 ， 其 中 A， c为 刀具 任意 一次运动 时刀 具与叶 面的两切点 ， E， F为分别 对应 的刀具 圆心 。再 让 a 。增 加一个 固定增量 得 到 n ， 求 出渐 开线上 对应 的点 B， 再求 出 A B的距离并与 ￡ 刀具运行时 的步长 比较 ， 直到距离大于步长 为 止， 令 a 。与 a ， 和的一半为 ， 并求 出渐开线上相应 的点 c的 坐标 ， 看 A C的距 离与步长的差是否在 T O L 下转第 5 5页 5 2 组合 机床与 自动化加 工 维普资讯 图 5正在发送状 态 数控机床处于 D N C功能状态 ， 接着按一下“ 启 动” 按钮 。单击 消 息框 中的“ 确定” ， 即可进行数控程序 的发送 ， 此时的发送状态 为 “ 正在发送” ， C T S 指示灯 由白色变为 红色 ， 如 图 5所示 。发送完 毕后 ， 发送状 态为“ 数控 程序 已发送完 毕” ， 如图 6所示。 5 结束 语 本文在介绍数控机床长 数控 程序传输问题解决方案及通讯 软件开发方法的基础上 ， 利用 MS C o mm控件 实现了长数控程序 的传输 ， 该通讯 软件在 F ANU C 0 M 数控系统上使用 ， 运 行正常 ， 解决了长数控程序的存储 问题 。但是 当数控 程序中出现走刀量 很小 例如微米级 的程序 段 时， 由于程序边 读入 、 边处 理 、 边加 工 ， 导致加工 时间短于程序的传输和处理时 间， 走刀有停顿现 图 6发送完毕状态 象 。若 系统 带有 R E MO T E B U F F E R功 能 ， 则可解决上述 问题 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]王霄 ． 模具车 间异构数 控机 床的 D NC集成 技术研 究 ． 模具 工业 ， 2 0 0 0 5 6～8 [ 2 ]洪锡军等 ． Wi n d o w s 9 x下 串行通 信技 术探 讨 ． 计算 机工 程 ， 2 0 01 ， 2 7 1 7 3～7 5 [ 3 ]范逸 之 ． V i s u a l B a s i c与 R S 2 3 2串行 通讯控制 ． 北 京 中国青 年出版社 ， 2 0 0 0 [ 4 ]友嘉精机 ． F A NU C S e r i e s 0一MC操作说明书 收 稿 日期 2 0 0 21 22 3 作者简 介 穆立茂 1 9 7 3 一 ， 男 ， 河北辛集人 ， 军械工 程学院 讲师 ， 硕士。 编辑江复 上接 第 5 2页 我们规定 的误差 内 ， 如不在 ， 运用 继续迭代 直 到满足条件为止 ， 从 而求 出相邻 c点的角度 ， 代入刀具方 程公 图 6 走刀程序 图 而 甭 一 式就可以得到相应的 刀具 圆 心 ， 点 的 坐 标 ， 然 后求 出相 应 的 走 刀 量 。最 后 还要 根 据加 工后 的实际情况 对 刀具 的运 动量进行 补偿 。 5 结 束语 由于整个 系统设 计是针对 企业 实际情 况而 设 计 的 ， 系 统 的 稳定性可靠性 十分理 想 ， 在调 试 和 现 在实 际加 工期 间 。 从 来没 有出现任何不稳定不 可靠的现象 。而且 由 于系统步进补偿是依 据机床的实际情况设 计的 ， 所 以 加工 后 的 叶面轮廓都能达到 图 图 7刀具运 动轨迹图 纸要 求 ， 在 啮 合 实 验 中发现整个叶面 啮合时啮合间隙都 十分 均 匀 ， 其 波 动 范 围 在 0 ． 0 6 mm 以内 。同时由于刀 具在叶面上运行 比 较均 匀 ， 而 且 选 择 加工步长时考虑到加工效 率和质 量 ， 所 以系统加工 的叶面质 量 也较好 ， 同时效 率也较高。由于系统采用模块化设计 ， 而且 系统 各部分之间相互连接较少 ， 所以系统维修操作都十分方便 ， 并且 系统的价格也很低 ， 因此 有较高的实际推广价值 。 [ 参考文献] [ 1 ]孙斌 ， 扬 汝清 ． 基 于 P C的数控 系统的研究现状与发展趋势 ． 机床与液压 ， 2 0 0 1 4 35 [ 2 ]吴天福等 ． 可编程控制 器 的编程 与运用 ． 重 庆 重庆 大学 出 版 社 ， 1 9 9 3 [ 3 ]王宁 ． 罗茨鼓 风机 转子 型 面数 控加 工 技术 的应 用 ． 风 机技 术 ， 1 9 9 4 6 2 2～2 3 收 稿 日期 2 0 0 21 00 8 作 者简 介 李洪波 1 9 7 3一 ， 男 ， 湖北天 门人 ， 硕士 。 编辑 江复 5 5 维普资讯