陳荷燕

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

主軸是機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，是機(jī)床的關(guān)鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)量。在實際加工過程中，對于不同的材料，為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉(zhuǎn)速。為了主軸具有較寬的變速范圍，并且盡可能地提高調(diào)速范圍內(nèi)的輸出功率，機(jī)床主軸變速方式常見的有使用齒輪變速箱，通過不同齒輪組的嚙合，在CNC上實現(xiàn)主軸不同擋位轉(zhuǎn)速的控制。本文以西門子808D數(shù)控系統(tǒng)控制主軸采用齒輪換擋來實現(xiàn)兩擋調(diào)速的例子來說明數(shù)控機(jī)床主軸速度控制的原理及方法。

1 主軸變速擋的選擇方式

SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)可以控制一個模擬量主軸，一個主軸可以設(shè)置五個變速擋，具體根據(jù)主軸箱變速機(jī)構(gòu)而定。本文主軸換擋時采用液壓撥叉的變速機(jī)構(gòu)帶動滑移齒輪的移動實現(xiàn)主軸的兩擋變速。變速擋的預(yù)置可以由以下兩種方法進(jìn)行，一是通過零件程序M41到M45強(qiáng)制指定目標(biāo)擋位，二是通過編程的主軸速度S自動進(jìn)行（M40）目標(biāo)擋位的確定。要完成機(jī)床主軸換擋調(diào)速功能，PLC需要通過用戶接口（即數(shù)據(jù)區(qū)）與數(shù)控系統(tǒng)、MCP、HMI完成工作方式、M代碼、S代碼、報警號顯示等信號的交互，接口地址中的主軸軸號設(shè)為3。

1.1 通過編程的主軸速度（S功能）自動確定目標(biāo)擋位（M 40）

系統(tǒng)默認(rèn)的是自動確定目標(biāo)擋位，自動確定目標(biāo)擋位必須在主軸速度連續(xù)運(yùn)行方式下，且有主軸轉(zhuǎn)速指令的前提下，需要機(jī)床參數(shù)MD35100、MD35110[n]、MD35120[n]、MD35130[n]、MD35140[n]（見圖1所示）來指定自動齒輪換擋時各擋主軸的轉(zhuǎn)速范圍及激發(fā)換擋的臨界速度，n取值為1～2，分別對應(yīng)第一擋和第二擋。當(dāng)使用指令M40 Sxxxx進(jìn)行換擋、轉(zhuǎn)速高于參數(shù)MD35110設(shè)置值時，激發(fā)齒輪擋向高擋位進(jìn)行換擋；同樣當(dāng)轉(zhuǎn)速低于MD35120參數(shù)設(shè)置值時，激發(fā)齒輪擋向低擋位進(jìn)行換擋。

圖1 自動換擋時轉(zhuǎn)速范圍說明（M 40）

1.2 通過零件程序M 41、M 42指令指定固定的目標(biāo)擋位

機(jī)床操作者可以在零件程序中用M41、M42指令對應(yīng)第一擋到第二擋，即指定固定的目標(biāo)擋位進(jìn)行強(qiáng)制換擋。換擋時目標(biāo)擋位的獲得方式即NCK與PLC之間的信號交互有兩種方式實現(xiàn)：一是NCK發(fā)送給PLC的接口信號“給定變速擋A到C”（DB3903.DBX2000.0～DB3903.DBX2000.2）；二是直接讀取M功能代碼編碼值DB2500.DBD3000。換擋命令與PLC接口信號對應(yīng)表如表1所示，主軸每擋的速度范圍由圖1中所示的數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床參數(shù)設(shè)定。

表1 換擋命令與PLC接口信號對應(yīng)表

2 主軸換擋時序

不管是通過M40和S指令自動確定目標(biāo)擋位，還是通過M41、M42強(qiáng)制指定目標(biāo)擋位，808D數(shù)控系統(tǒng)只有在主軸停止時才能切換新的變速擋位，即數(shù)控系統(tǒng)接收到主軸變速換擋的要求時，先停止主軸，再進(jìn)行擋位的切換。

當(dāng)有換擋要求時，NCK設(shè)置DB3903.DBX2000.3接口信號“齒輪換擋”向PLC發(fā)出換擋請求。PLC接收到需換擋的要求后，設(shè)置DB3803.DBX4.3停止主軸，設(shè)置DB3200.DBX6.0禁止進(jìn)給，設(shè)置DB3200.DBX6.1讀入禁止，NC加工程序暫停，NCK等待主軸換擋完成再往下執(zhí)行加工程序。當(dāng)主軸停止時，接口信號“主軸停止”DB3903.DBX0001.4有效，PLC置位接口信號“擺動速度”DB3803.DBX2002.5啟動主軸擺動，主軸擺動運(yùn)行方式有利于主軸換擋時變速箱中齒輪的嚙合。當(dāng)PLC檢測到目標(biāo)擋位的檢測開關(guān)時，PLC置位DB3803.DBX2000.3“變速箱已換擋”接口信號，使NCK獲悉此次換擋結(jié)束，另外PLC還復(fù)位DB3803.DBX2002.5“擺動速度”，主軸擺動運(yùn)行方式結(jié)束，主軸恢復(fù)到換擋前的運(yùn)行方式，將按照新的主軸速度指令運(yùn)行；同時，PLC設(shè)置接口信號“實際齒輪 級 ”DB3803.DBX2000.0 ～DB3803.DBX2000.2，由PLC通知NCK當(dāng)前實際擋位。NCK獲悉此次換擋結(jié)束后，自動復(fù)位DB3903.DBX2000.3，確認(rèn)換擋完成，零件程序中的下一個程序段可以開始運(yùn)行。典型的變速換擋的時序過程如圖2所示。

圖2 主軸變速換擋時序圖

3 主軸換擋的PLC實現(xiàn)方案

3.1 主軸換擋的硬件控制線路

數(shù)控機(jī)床主軸換擋系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC之間的I/O信號主要包括兩類，一類是輸入信號，對兩擋位的擋位檢測開關(guān)信號進(jìn)行檢測，以確定目前主軸實際所處擋位；另一類是輸出信號，通過電磁閥線圈的通斷電改變不同的通油方式，從而控制液壓撥叉不同位置的移動，實現(xiàn)不同擋位的切換，各擋位的LED指示燈讓操作人員能即時確定當(dāng)前擋位或換擋情況。綜上所述，主軸換擋系統(tǒng)的輸入和輸出信號地址分配如表2所示，主軸換擋的PLCI/O控制電路如圖3所示：

表2 主軸換擋的I/O地址分配表

圖3 主軸換擋的PLCI/O控制電路

3.2 主軸換擋的PLC程序流程圖

PLC程序通過2級擋位檢測信號實現(xiàn)模擬量主軸的2擋自動換擋功能，從而根據(jù)指令要求實現(xiàn)主軸速度控制的目的。對于主軸換擋過程中出現(xiàn)的異常情況，PLC能夠產(chǎn)生相應(yīng)的用戶報警，以便于診斷和維修。

本文執(zhí)行的主軸換擋首先檢測擋位開關(guān)信號，與加工程序中給定的變速擋位進(jìn)行比較，如一致，則不發(fā)出換擋請求，如不一致，則發(fā)出換擋請求。換擋過程中，主軸進(jìn)入擺動運(yùn)行方式，以易于齒輪組的嚙合，換擋控制包含了換擋到位的時間監(jiān)控，監(jiān)控是否能在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到目標(biāo)擋位的檢測開關(guān)信號，檢測到，則結(jié)束換擋，如不能則換擋機(jī)構(gòu)重復(fù)換擋動作，直至換擋到位。其PLC程序流程圖如圖4所示。

圖4 主軸換擋程序控制流程圖

西門子808D數(shù)控系統(tǒng)控制主軸正常工作需要對DB3803.DBX4001.7脈沖使能信號和DB3803.DBX2.1調(diào)節(jié)器使能信號進(jìn)行設(shè)置。

換擋開始后，監(jiān)控整個換擋過程的時間T22，如在規(guī)定的時間內(nèi)沒有換擋到位，則設(shè)置DB1600.DBX1.6接口信號，即激活700014換擋超時報警，顯示在HMI上；如在換擋時間范圍內(nèi)，發(fā)生了擋位位置錯誤，則設(shè)置DB1600.DBX1.7接口信號，即700015擋位位置錯誤報警。當(dāng)按下并松開操作面板上的機(jī)床復(fù)位鍵時，700014報警立即去除，而700015報警必須是系統(tǒng)檢測到擋位位置無錯時才會去除。

在主軸停止?jié)MT23定時的時間后，換擋機(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)構(gòu)的需要在換擋前先延時T24定時時間，然后PLC控制換擋電磁閥動作進(jìn)行換擋，并設(shè)置換擋到位的時間監(jiān)控，由T25完成。如在規(guī)定的T25定時時間內(nèi)檢測到了目標(biāo)擋位的檢測開關(guān)，即完成此次主軸換擋；如在規(guī)定的T25定時時間內(nèi)得不到換擋到位信號，PLC控制換擋撥叉回退，延時T24設(shè)定的時間后，再次換擋，帶動變速箱齒輪嚙合，并再次啟動T25時間監(jiān)控。

4 結(jié)束語

很多具有特殊用途的車床、銑床和加工中心，在主軸變速箱中常采用不同齒輪組嚙合的方式，實現(xiàn)主軸較寬的調(diào)速范圍，獲得不同的切削力，同時充分利用了主軸電機(jī)的功率。經(jīng)機(jī)床改造試用，本文討論的基于西門子808D數(shù)控系統(tǒng)的主軸變速換擋PLC實現(xiàn)方案能自如地根據(jù)加工程序中的換擋指令實現(xiàn)主軸的換擋變速，并具有報警和保護(hù)環(huán)節(jié)，運(yùn)行可靠。