程雪峰

摘 要：本文以運(yùn)用西門子802Dsl實(shí)現(xiàn)MCP-1000D數(shù)控機(jī)床主軸換擋功能為例，說(shuō)明了換擋機(jī)構(gòu)的組成，換擋的工作原理，并給出了詳盡的PLC程序用來(lái)描述主軸換擋的整個(gè)過(guò)程，對(duì)換擋過(guò)程中的可能出現(xiàn)的脫擋問(wèn)題，給出了解決方法。

關(guān)鍵詞：主軸換擋；擺動(dòng)運(yùn)行；脫擋

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

0 引言

對(duì)于零件加工，無(wú)論是對(duì)同一零件不同工序，還是對(duì)同類零件不同材料，為實(shí)現(xiàn)良好的零件加工光度，從工藝上對(duì)機(jī)床主軸有一定的切削扭矩和轉(zhuǎn)速要求。機(jī)床主軸電機(jī)受制于機(jī)床大小，工作在恒功率區(qū)間或恒扭矩區(qū)間的電機(jī)狀態(tài)往往并不能直接滿足零件的加工要求，這時(shí)就需要在主軸電機(jī)和機(jī)床主軸之間加入換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行調(diào)速。本文通過(guò)對(duì)運(yùn)用西門子802Dsl實(shí)現(xiàn)MCP-1000D機(jī)械主軸換擋功能為例進(jìn)行說(shuō)明，來(lái)闡述數(shù)控機(jī)床換擋的工作原理和調(diào)試方法。

1 主軸變速箱換擋機(jī)構(gòu)

MCP-1000D機(jī)械主軸變速箱有兩個(gè)擋位。液壓缸活塞帶動(dòng)撥叉使一組滑移齒輪上下移動(dòng)，不同的滑動(dòng)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(guò)程中處于不同的位置，通過(guò)接近開關(guān)識(shí)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(shí)現(xiàn)主軸換擋可以通過(guò)兩種指令方式來(lái)實(shí)施：（1）通過(guò)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(jī)床會(huì)自動(dòng)完成換擋。（2）通過(guò)M41等完成。M41～M45分別是對(duì)應(yīng)主軸變速箱5個(gè)擋位的NC指令。系統(tǒng)會(huì)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(jī)床會(huì)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(jī)床參數(shù)

數(shù)控機(jī)床MCP-1000D要完成對(duì)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(hào)說(shuō)明見表2。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床最重要的是要處理好兩類信號(hào)。一類是PLC至NC的信號(hào)，這類信號(hào)是要通過(guò)PLC編程置位NC的接口。比如V380x2002.5，含義為“擺動(dòng)速度”，只有通過(guò)PLC編程置位該信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)才能使機(jī)床主軸從控制方式轉(zhuǎn)入擺動(dòng)方式，擺動(dòng)方式是主軸完成自動(dòng)換擋的重要步驟。另一類是NC至PLC的信號(hào)，這類信號(hào)是數(shù)控系統(tǒng)將自身的命令或者狀態(tài)通過(guò)接口傳遞給PLC，再由PLC通過(guò)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(dòng)作。比如V390x2000.3，含義為“齒輪級(jí)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(jí)，隨即激活該信號(hào)。PLC程序可利用該信號(hào)去激活“擺動(dòng)速度”V380x2002.5，或去命令換擋油缸動(dòng)作。信號(hào)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(jí)時(shí)激活V39032000.3，主軸降速至0或主軸是停止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)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(jí)，Network1中為001代表低擋，對(duì)應(yīng)M41指令；Network2中為010代表高擋，對(duì)應(yīng)M42指令[2]。在Network1和Network2，分別由V38032002.5通過(guò)目標(biāo)齒輪級(jí)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(duì)應(yīng)換擋油缸兩個(gè)閥體的動(dòng)作，當(dāng)Q9.0和Q9.1同時(shí)為1時(shí)，換擋油缸驅(qū)動(dòng)撥叉使齒輪箱處于低擋狀態(tài)；當(dāng)僅Q9.1為1時(shí)，換擋油缸驅(qū)動(dòng)撥叉使齒輪箱處于高擋狀態(tài)。V26000000.1為急停信號(hào)，當(dāng)急停信號(hào)觸發(fā)時(shí)，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(cè)信號(hào)，來(lái)源于檢測(cè)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(shí)際齒輪級(jí)，激活實(shí)際齒輪級(jí)對(duì)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(shí)際換擋過(guò)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(guò)程中，一直處于擺動(dòng)狀態(tài)，指示桿位于低擋和高擋檢測(cè)開關(guān)的中間，換擋不成功，造成脫擋。這時(shí)需要終止擺動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)選取操作面板上的一個(gè)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(dòng)。Network11中設(shè)計(jì)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(gè)檢測(cè)開關(guān)進(jìn)行觸碰，使系統(tǒng)認(rèn)為主軸已處于一個(gè)擋位上，再輸入另一擋位的指令。如觸碰高擋檢測(cè)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(gè)很好的解決措施，檢測(cè)開關(guān)位于主軸箱的頂端，觸碰檢測(cè)開關(guān)必須爬上機(jī)床，很不方便，而且具有一定危險(xiǎn)性。我們?yōu)橹衷O(shè)計(jì)一個(gè)特殊狀況下的手動(dòng)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(gè)按鍵，功能分別為手動(dòng)低擋和手動(dòng)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(jī)釋放，確保安全的前提下，手動(dòng)低擋和手動(dòng)高擋兩個(gè)按鍵才能起作用。通過(guò)實(shí)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(wèn)題。

5 總結(jié)

通過(guò)以上MCP-1000D主軸換擋實(shí)例說(shuō)明，主軸換擋的過(guò)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(dòng)運(yùn)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(guò)程和執(zhí)行原理，對(duì)換擋程序設(shè)計(jì)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(shí).基于西門子840Dsl實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的主軸換擋控制[J].機(jī)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(cè)[Z].2009（06）.