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PLC实现机床主轴自动换挡

主轴是机床玩具乐器高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频目前市场很多大大型PE管道要求融指要低系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几挡不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。

今年初，我们成功地完成了一台五坐标数控龙门铣床的技术改造。其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK840C数控系统，坐标及主轴驱动采用西门子SIMODRIVER611A。根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过内置式PLC控制程序，对主轴换挡进行了自动控制处理。

1主轴换挡机构

该机床的主轴换挡机构由两个双向电磁阀(SOL1～SOL4)控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4挡转速。在主轴箱内安装了4个挡位检测开关(SW1～SW4)。压力继电器(PS1)检测换挡液压压力。其换挡结构见图1。

2控制系统的信号与数据接口

控制系统由NC可预留数据接口K和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换挡的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8挡转速控制。该机床采用了其中4挡，相邻挡位间可以存在转速的交叉。

为实现主轴的自动换挡，在机床数据中预先设置了主轴4个换挡转速范围。NC控制系统L值取试件两侧面丈量值的平均值依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。

输入信号：挡位检测信号SW1～SW4，换挡液压压力PS1，主轴电机停转Nmin，主轴电机实际转速Nact；

输出信号：换挡电磁阀SOL1～SOL4，电机驱动指令电压Vist。

系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前挡位、换挡命令、目标挡位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。控制系统的信号流见图2。

系统可采用SW1～SW4检测开关的状态组合编码作为当前主轴挡位的标志。电磁阀及检测开关状态见表1。

表1主轴换挡状态换挡号SOL1SOL2SOL3SOL4SW1SW2SW3SW4

第一挡

第二挡

第三挡

第四挡

3主轴自动换挡的PLC实现

主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到NCK发出的换挡命令，先检查主轴电机是否处于停转状态，如果未停，PLC向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸(SOL1～SOL4)发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴摆动模式，设置摆海口动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，同时上报NCK换挡生效，并向数据块填写“当前挡位”。此时，主轴自动进入下一挡转速。否则，PLC进行错误报警处理。主轴换挡控制流程见图3。

在PLC设计中，必须注意的是：

为了使主轴换挡不致于混乱，在PLC程序的初始化模块中，系统一通电就扫描机床挡位检测开关，在数据块中设置“当前挡位”，对系统状态进行初始化。

必须把主轴的转速降为零后，才能对运行中的主轴换挡，否则会造成齿轮碰坏。

在主轴转入下一挡转速前，相应的换挡油缸必须移动到位，使相应的齿轮啮合。

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