數控螺旋錐齒輪研齒機的研齒動作控制比較復雜，國內生產廠家的研齒機由于采用的是依靠液壓系統來完成各種機床夾具的動作，在夾具工作過程中，液壓泵一直工作，液壓傳動系統仍然需溢流閥溢流。這樣既消耗功率，又使油溫升高，容易產生漏油現象。在機床附近出現大量油污，工人的操作環境惡劣，浪費了大量的液壓油。另外，液壓油也可能混入研磨劑溶液中，從而導致研磨劑變質，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，高壓泵價格較貴。

　　與液壓傳動相比，氣壓傳動是一種準綠色的傳動技術。因為它所使用的介質是清潔的壓縮空氣。但氣壓傳動有其自身的弱點，一是系統壓力不可能太高(一般P=0.4～0.7 MPa)，因此無法滿足輸出壓力要求較高的應用場合，二是氣動裝置由于空氣的可壓縮性，容易產生滯后、沖擊現象。

　　采用氣液增壓傳動裝置可以兼顧兩者的優點，能使夾具產生足夠的夾緊力、作用平穩、功耗少而成本低?？删幊炭刂破?PLC)是氣液增壓傳動系統的核心控制部分。目前，國內對該系統的控制多采用傳統PLC(簡稱硬PLC)及單片機，如三菱FX2N系列的PLC控制、西門子S7-200系列PLC、A四8c51單片機。需要編寫復雜的PLC程序，同時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有很強的模擬量處理能力和數字運算能力，用戶程序容量達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即使在惡劣的工業環境下仍然可正常工作。

　　目前，國內還沒有一家廠家和研究機構開展基于S7-300可編程控制器PLC，實現對數控研齒機研齒加工的自動控制的研究。經計算機檢索，國內還沒有相關的文獻有此方面的論述。

　　根據未來汽車行業對螺旋錐齒輪所提出的要求，中南大學齒輪研究所與某數控裝備有限公司共同確立了YK2560型數控螺旋錐齒輪研齒機的研制項目。本人全程參與了YK2560型數控螺旋錐齒輪研齒機的研制項目，是該項目組的成員。該研究在國內是首次研究應用于YK2560數控螺旋錐齒輪研齒機。

　　本研究基于S7—300可編程控制器PLC，結合氣液增壓傳動控制技術，實現對數控研齒機研齒循環的自動控制。達到提高數控研齒機的靈活性，縮短轉換時間，優化數控研齒機的加工性能，提高數控研齒機的工作效率和經濟效益的目的。

1 采用氣液增壓夾緊系統實現研齒加工工藝流程原理分析

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

圖1研齒循環框圖

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

　　在研齒循環框圖中，其中大輪、小輪夾緊(換向閥2YA斷電)，機床防護門閉合(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)，機床防護門打開(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完成。

　　該氣液增壓夾緊系統圖如圖2所示。該氣液增壓傳動系統的控制原理是：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，驅動力全部由彈簧提供。當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機床防護門的關閉，驅動夾緊力全部由彈簧提供。當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，從而打開機床防護門。雖然最終的動力仍是由液壓缸提供，但整個夾具系統都改變為氣動系統了。

圖2氣液增壓夾緊傳動系統原理圖

　　氣動動力源的傳動介質是空氣，空氣由空壓機壓縮獲取、使用過失去動力的空氣可以隨時排放，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，所以便于集中供應和遠距離傳送動力。氣動對環境普遍有很強的適應能力，工作溫度范圍大，即使是潮濕或者有灰塵的環境的污染。

2 采用PLC實現研齒加工

　　2.1 設計方法的選擇

　　PLC屬弱電系統，在弱電系統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，可自行恢復正確狀態。因此，在設計控制程序時，應該多用門電路，少用記憶電路，以提高系統可靠性，基于此，本研究按照工藝流程，在編寫程序時采用編碼順序控制的方法。數字門電路是為了實現模擬量信號的采集和轉換，編碼順序控制根據輸入的程序實現對研齒加工的順序控制。

　　2.2 PLC型號的選擇

　　PLC是一種以CPU為核心的工業控制專用計算機，其硬件結構與普通微機相同，具有編程簡單、可靠性高、通用性好及控制功能強等特點，主要是用于

　　完成較復雜的繼電器、接觸器控制系統的功能。在實際應用中，應根據設計要求、輸入／輸出點數以及所需繼電器數目來選擇型號。根據數控螺旋錐齒輪研齒機研齒循環的控制要求，該機床PLC的輸入信號為12個點，輸出信號為5個點。SIEMENs公司的S7—300的外形尺寸只有90 mm×8mm x62 mm，質量為270 g，功耗僅為4W。體積小、質量輕，可裝在控制柜內。因此本設計選用CPU315—2DP、IM360、SM323、DIl6／D016x24V／o．5A型S7—300PLC。

　　2．3 PLC程序設計

　　(1)I／O分配表(如表1所示)

　　(2)PLC與現場器件實際連接(如圖3所示)。

　　圖3所示的PLC接線圖表示PLC與現場器件的實際連接。在輸入元件中，按鈕SBl、行程開關SQ1～SQ11這12個點接入的是常開點；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與現場器件實際連接圖

(3)根據數控螺旋錐齒輪研齒機的研齒加工要求，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。每一程序段的標題注明了該程序段所實現的功能。S7—300的定時器采用接通延時定時器SD，其輸入端TV輸入格式為SST#S。當定時器定時時問到，輸出端置位為1，可實現集中控制。例如：程序段15，當z軸滑臺松開動作結束后，PLC指令把M11.1置位為1，同時把上一步M11．0復位為0．M11.1置位為1，緊接著PLC把Q0.0置位為1，執行大齒輪、小齒輪松開的動作。與此同時，定時器開始定時，2s后，PLC把MI0.0置位為1，同時把上一步M11.1復位為0。PLC結束程序段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試試驗

　　調試試驗是在YK2560數控螺旋錐齒輪研齒機上進行的。SINUMERIK840D的PLC部分使用的是SIMATIC S7—300。故而，PLC的調試軟件是STEP7。借助外部計算機或程編器(PG)來對PLC程序進行修改和傳輸。程序設計好后，可利用STEP 7將其傳送至系統，而這需在計算機與控制系統之間建立連接(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)是用于機床PLC輸A／輸出模塊。

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

　　最后本研究將設計的PLC程序應用于YK2560數控螺旋錐齒輪研齒機中，驗證程序的準確性及可靠性。(實驗數據見表2)

4 結束語

　　基于S7—300可編程控制器PLC，結合氣液增壓傳動控制技術，實現了對數控研齒機研齒加工的自動控制。實驗結果證明：完成整個研齒加工循環，除研磨加工外，只需llS就可全部完成循環工藝流程。程序結構緊湊、運行效率高，且可以很好的實現設計要求。此系統操作簡便，性價比高，充分發揮了S7—300 PLC控制系統運行可靠、接線簡單、使用靈活、維護方便和氣壓增壓傳動系統具有足夠的夾緊力、作用平穩、耗功少而成本低等優點。