程雪峰

摘 要：本文以運用西門子802Dsl實現(xiàn)MCP-1000D數(shù)控機床主軸換擋功能為例，說明了換擋機構(gòu)的組成，換擋的工作原理，并給出了詳盡的PLC程序用來描述主軸換擋的整個過程，對換擋過程中的可能出現(xiàn)的脫擋問題，給出了解決方法。

關(guān)鍵詞：主軸換擋；擺動運行；脫擋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.007

0 引言

對于零件加工，無論是對同一零件不同工序，還是對同類零件不同材料，為實現(xiàn)良好的零件加工光度，從工藝上對機床主軸有一定的切削扭矩和轉(zhuǎn)速要求。機床主軸電機受制于機床大小，工作在恒功率區(qū)間或恒扭矩區(qū)間的電機狀態(tài)往往并不能直接滿足零件的加工要求，這時就需要在主軸電機和機床主軸之間加入換擋機構(gòu)實現(xiàn)對機床主軸進(jìn)行調(diào)速。本文通過對運用西門子802Dsl實現(xiàn)MCP-1000D機械主軸換擋功能為例進(jìn)行說明，來闡述數(shù)控機床換擋的工作原理和調(diào)試方法。

1 主軸變速箱換擋機構(gòu)

MCP-1000D機械主軸變速箱有兩個擋位。液壓缸活塞帶動撥叉使一組滑移齒輪上下移動，不同的滑動齒輪分別與和主軸同軸的大小齒輪完成其中一組嚙合，從而達(dá)到齒輪比切換的目的。換擋指示桿在這一過程中處于不同的位置，通過接近開關(guān)識別，指示當(dāng)前齒輪箱是處于高擋還是低擋[1]。

2 主軸的換擋指令

在西門子802Dsl數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)主軸換擋可以通過兩種指令方式來實施：（1）通過M40Sxxx完成。系統(tǒng)可將S指令之后的主軸轉(zhuǎn)速值與內(nèi)部的擋位轉(zhuǎn)速表進(jìn)行比較，判斷主軸轉(zhuǎn)速輸出是否適合變速箱當(dāng)前擋位，如果當(dāng)前擋位不合適，機床會自動完成換擋。（2）通過M41等完成。M41～M45分別是對應(yīng)主軸變速箱5個擋位的NC指令。系統(tǒng)會根據(jù)操作者的指令意圖直接完成換擋。還有一種方式，直接輸入M03Sxxx，機床會根據(jù)S指令之后的主軸轉(zhuǎn)速值完成換擋，并最終達(dá)到要求的主軸轉(zhuǎn)速。

3 機床參數(shù)

數(shù)控機床MCP-1000D要完成對主軸高低換擋控制，在西門子802Dsl系統(tǒng)中需設(shè)置的主要參數(shù)見表1，換擋轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定含義圖1。

4 換擋PLC程序

MCP-1000D主軸換擋的PLC梯形圖如下：

換擋PLC梯形圖中的主要信號說明見表2。

對于數(shù)控機床最重要的是要處理好兩類信號。一類是PLC至NC的信號，這類信號是要通過PLC編程置位NC的接口。比如V380x2002.5，含義為“擺動速度”，只有通過PLC編程置位該信號，數(shù)控系統(tǒng)才能使機床主軸從控制方式轉(zhuǎn)入擺動方式，擺動方式是主軸完成自動換擋的重要步驟。另一類是NC至PLC的信號，這類信號是數(shù)控系統(tǒng)將自身的命令或者狀態(tài)通過接口傳遞給PLC，再由PLC通過其程序進(jìn)行邏輯處理，或直接激活輸出讓外部執(zhí)行器件動作。比如V390x2000.3，含義為“齒輪級需要改變”，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)M41至M45，或S指令后的轉(zhuǎn)速值判斷需要改變當(dāng)前齒輪級，隨即激活該信號。PLC程序可利用該信號去激活“擺動速度”V380x2002.5，或去命令換擋油缸動作。信號中的“x”代表軸代碼，一般X坐標(biāo)為0，主軸為3。

由Network8，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)確定需要變換齒輪級時激活V39032000.3，主軸降速至0或主軸是停止?fàn)顟B(tài)，通過上升沿置位V38032002.5。V39032000.2，V39032000.1，V39032000.0組成二進(jìn)制碼目標(biāo)齒輪級，Network1中為001代表低擋，對應(yīng)M41指令；Network2中為010代表高擋，對應(yīng)M42指令[2]。在Network1和Network2，分別由V38032002.5通過目標(biāo)齒輪級激活M50.0和M50.1。Network3和Network4中，M50.0控制Q9.1和Q9.0，M50.1控制Q9.1，Q9.1和Q9.0分別對應(yīng)換擋油缸兩個閥體的動作，當(dāng)Q9.0和Q9.1同時為1時，換擋油缸驅(qū)動撥叉使齒輪箱處于低擋狀態(tài)；當(dāng)僅Q9.1為1時，換擋油缸驅(qū)動撥叉使齒輪箱處于高擋狀態(tài)。V26000000.1為急停信號，當(dāng)急停信號觸發(fā)時，主軸不能換擋。Network5和Network6中，I9.7和I10.3分別是擋位狀態(tài)的檢測信號，來源于檢測換擋指示桿位置的接近開關(guān)，I9.7置0表明主軸當(dāng)前處于低擋狀態(tài)，I10.3置0表明主軸當(dāng)前處于高擋狀態(tài)；V38032000.2，V38032000.1，V38032000.0組成二進(jìn)制實際齒輪級，激活實際齒輪級對應(yīng)狀態(tài)參數(shù)。M80.0和M80.1在Network7中與V38032000.3相連，表明齒輪箱完成低擋或高擋的轉(zhuǎn)換。

實際換擋過程中可能出現(xiàn)這樣一種情況，如執(zhí)行M42，主軸由低擋向高擋變換過程中，一直處于擺動狀態(tài)，指示桿位于低擋和高擋檢測開關(guān)的中間，換擋不成功，造成脫擋。這時需要終止擺動。設(shè)計時選取操作面板上的一個按鈕，輸入地址為I1.2，在Network10使它與V38032002.2相連，用于刪除余程。按下該按鈕，可終止擺動。Network11中設(shè)計置位V32000006.1的程序段是為了防止在換擋不成功狀態(tài)下執(zhí)行NC程序[3]。

故障的解決方法是，用金屬任意選擇高低擋中一個檢測開關(guān)進(jìn)行觸碰，使系統(tǒng)認(rèn)為主軸已處于一個擋位上，再輸入另一擋位的指令。如觸碰高擋檢測開關(guān)，使I10.3為0，系統(tǒng)誤認(rèn)主軸箱已處于高擋，再執(zhí)行M41，主軸將回到低擋狀態(tài)。以上故障的解決方法并不是一個很好的解決措施，檢測開關(guān)位于主軸箱的頂端，觸碰檢測開關(guān)必須爬上機床，很不方便，而且具有一定危險性。我們?yōu)橹衷O(shè)計一個特殊狀況下的手動換擋方式。在Network3和Network4中，I2.2和I2.3是操作鍵盤上定義的兩個按鍵，功能分別為手動低擋和手動高擋。V38034001.7是主軸的脈沖式能。只有去掉主軸的脈沖使能，使伺服模塊下電，主軸電機釋放，確保安全的前提下，手動低擋和手動高擋兩個按鍵才能起作用。通過實踐，該措施有效解決了主軸在脫擋情況下變速齒輪的歸位問題。

5 總結(jié)

通過以上MCP-1000D主軸換擋實例說明，主軸換擋的過程是：1輸入指令程序，2判斷目標(biāo)擋位，3主軸進(jìn)入擺動運行方式，4換擋完成，恢復(fù)控制方式，5執(zhí)行之后程序。了解主軸換擋過程和執(zhí)行原理，對換擋程序設(shè)計和換擋故障的排除是非常有益的。

參考文獻(xiàn)：

[1]化春雷，張明，洋劉春時.基于西門子840Dsl實現(xiàn)數(shù)控機床的主軸換擋控制[J].機械制造，2011（06）：11-12.

[2]陳荷燕.基于西門子808D數(shù)控系統(tǒng)的主軸調(diào)速控制[J].裝備制造技術(shù)，2015（11）：202-204.

[3]Siemens.西門子802Dsl功能手冊[Z].2009（06）.