主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關(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。主軸的變速一般采用電控或變速箱來實現(xiàn)。電控主軸直接采用變頻系統(tǒng)控制主軸的轉(zhuǎn)速，而主軸變速箱則采用不同的齒輪組合實現(xiàn)幾擋不同轉(zhuǎn)速的控制。許多機床采用主軸變速箱形式。主軸的轉(zhuǎn)速與輸出功率必須配套，如果用單一的齒輪比，雖然可以改變主軸轉(zhuǎn)速，但不可能充分利用主軸電機的功率。為了兼顧主軸的轉(zhuǎn)速與功率，必須采用不同的齒輪組合。  
        今年初，我們成功地完成了一臺五坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床的技術(shù)改造。其主軸采用變速箱變速，控制系統(tǒng)為西門子SINUMERIK 840C數(shù)控系統(tǒng) ，坐標(biāo)及主軸驅(qū)動采用西門子SIMODRIVER 611A。根據(jù)該機床的主軸換擋結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，通過內(nèi)置式PLC控制程序，對主軸換擋進行了自動控制處理。
        1  主軸換擋機構(gòu)
        該機床的主軸換擋機構(gòu)由兩個雙向電磁閥(SOL1～SOL4)控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產(chǎn)生4擋轉(zhuǎn)速。在主軸箱內(nèi)安裝了4個擋位檢測開關(guān)(SW1～SW4)。壓力繼電器(PS1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結(jié)構(gòu)見圖1。
        2   控制系統(tǒng)的信號與數(shù)據(jù)接口
        控制系統(tǒng)由NCK和PLC模塊組成，它們之間靠數(shù)據(jù)塊傳遞消息。機床的輸入輸出點接入PLC的輸入輸出模塊中。NC系統(tǒng)給主軸發(fā)出速度指令電壓。系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊中存放有主軸換擋的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過PLC程序，對這些數(shù)據(jù)進行實時操作。系統(tǒng)可以有8擋轉(zhuǎn)速控制。該機床采用了其中4擋，相鄰擋位間可以存在轉(zhuǎn)速的交叉。
        為實現(xiàn)主軸的自動換擋，在機床數(shù)據(jù)中預(yù)先設(shè)置了主軸4個換擋轉(zhuǎn)速范圍。NC控制系統(tǒng)依據(jù)不同的擋位給主軸驅(qū)動裝置發(fā)出不同的指令電壓，對應(yīng)主軸電機不同的轉(zhuǎn)速。
        輸入信號：擋位檢測信號SW1～SW4，換擋液壓壓力PS1，主軸電機停轉(zhuǎn)Nmin，主軸電機實際轉(zhuǎn)速Nact；
        輸出信號：換擋電磁閥SOL1～SOL4，電機驅(qū)動指令電壓Vist。
        系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊包含擺動速度、擺動頻率、內(nèi)置換擋范圍、當(dāng)前擋位、換擋命令、目標(biāo)擋位、換擋結(jié)束標(biāo)志、主軸電機運行狀態(tài)、主軸禁止和主軸PLC控制等數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)的信號流見圖2。
        系統(tǒng)可采用SW1～SW4檢測開關(guān)的狀態(tài)組合編碼作為當(dāng)前主軸擋位的標(biāo)志。電磁閥及檢測開關(guān)狀態(tài)見表1。
        表1 主軸換擋狀態(tài) 換擋號 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4

        第一擋 1 0 1 0 1 0 1 0

        第二擋 0 1 1 0 0 1 1 0

        第三擋 1 0 0 1 1 0 0 1

        第四擋 0 1 0 1 0 1 0 1
        3   主軸自動換擋的PLC實現(xiàn)
        主軸換擋的控制過程是在PLC中實現(xiàn)的。PLC接受到NCK發(fā)出的換擋命令，先檢查主軸電機是否處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果未停，PLC向主軸發(fā)“主軸禁止”命令，使主軸停止。PLC設(shè)定一個特定定時器，根據(jù)目標(biāo)擋位，給相應(yīng)的換擋液壓油缸(SOL1～SOL4)發(fā)出輸出命令，推動相應(yīng)的齒輪運動。同時，啟動主軸擺動模式，設(shè)置擺動頻率，使齒輪在移動中嚙合。定時器定時到了以后，PLC檢測相應(yīng)的擋位開關(guān)是否生效，如果生效，說明換擋齒輪嚙合到位，同時上報NCK換擋生效，并向數(shù)據(jù)塊填寫“當(dāng)前擋位”。此時，主軸自動進入下一擋轉(zhuǎn)速。否則，PLC進行錯誤報警處理。
        在PLC設(shè)計中，必須注意的是：
        為了使主軸換擋不致于混亂，在PLC程序的初始化模塊中，系統(tǒng)一通電就掃描機床擋位檢測開關(guān)，在數(shù)據(jù)塊中設(shè)置“當(dāng)前擋位”，對系統(tǒng)狀態(tài)進行初始化。
必須把主軸的轉(zhuǎn)速降為零后，才能對運行中的主軸換擋，否則會造成齒輪碰壞。
在主軸轉(zhuǎn)入下一擋轉(zhuǎn)速前，相應(yīng)的換擋油缸必須移動到位，使相應(yīng)的齒輪嚙合。
為了更好地嚙合，油缸在移動過程中，控制主軸作輕微的來回擺動，這樣可縮短換擋時間，同時也避免齒輪硬頂造成撞傷和精度破壞。
        4   結(jié)束語
        當(dāng)前，國內(nèi)廣泛開展的機床改造翻新將涉及到主軸換擋的問題。主軸換擋控制處理得當(dāng)，不僅可以提高機床的加工精度，而且可以延長主軸的使用壽命。
        本課題針對SIEMENS 840C控制數(shù)據(jù)接口及機床換擋機構(gòu)的特點，采用機電一體化，通過PLC程序的設(shè)計，實現(xiàn)了在數(shù)控程編中只要寫上主軸轉(zhuǎn)速，數(shù)控系統(tǒng)將自動實現(xiàn)換擋。改造后的主軸，換擋自如，運行可靠。對換擋過程中出現(xiàn)的油缸行程不到位、換擋壓力不夠都有及時的報警提示與錯誤處理。機床主軸的自我保護功能是設(shè)計者必須注意的問題。在換擋中可能會出現(xiàn)液壓方面的問題，如換擋壓力不夠、液壓電磁閥失靈造成油缸不到位。換擋超時時，系統(tǒng)要提出明確的報警，禁止主軸換擋，以保護主軸。在換擋過程中，巧妙地利用主軸的擺動模式可實現(xiàn)柔性換擋。同時應(yīng)利用定時器，對輸出命令的響應(yīng)作出定時檢查。