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PLC实现机床主轴自动换挡
2006年2月27日 14:55  

    主轴是机床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SINUMERIK 840C数控系统 ,坐标及主轴驱动采用西门子SIMODRIVER 611A。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NCK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  SOL1  SOL2  SOL3  SOL4  SW1  SW2  SW3  SW4   
    第一挡  1  0  1  0  1  0  1  0 
    第二挡  0  1  1  0  0  1  1  0 
    第三挡  1  0  0  1  1  0  0  1   
    第四挡  0  1  0  1  0  1  0  1   
 
   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。 
    为了更好地啮合,油缸在移动过程中,控制主轴作轻微的来回摆动,这样可缩短换挡时间,同时也避免齿轮硬顶造成撞伤和精度破坏。
    
    4 结束语
    
    当前,国内广泛开展的机床改造翻新将涉及到主轴换挡的问题。主轴换挡控制处理得当,不仅可以提高机床的加工精度,而且可以延长主轴的使用寿命。 
    
    本课题针对SIEMENS 840C控制数据接口及机床换挡机构的特点,采用机电一体化,通过PLC程序的设计,实现了在数控程编中只要写上主轴转速,数控系统将自动实现换挡。改造后的主轴,换挡自如,运行可靠。对换挡过程中出现的油缸行程不到位、换挡压力不够都有及时的报警提示与错误处理。机床主轴的自我保护功能是设计者必须注意的问题。在换挡中可能会出现液压方面的问题,如换挡压力不够、液压电磁阀失灵造成油缸不到位。换挡超时时,系统要提出明确的报警,禁止主轴换挡,以保护主轴。在换挡过程中,巧妙地利用主轴的摆动模式可实现柔性换挡。同时应利用定时器,对输出命令的响应作出定时检查。

 
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