基于西門子808D數控系統的主軸調速控制

陳荷燕

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

主軸是機床高速旋轉的運動機構，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質量。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速。為了主軸具有較寬的變速范圍，并且盡可能地提高調速范圍內的輸出功率，機床主軸變速方式常見的有使用齒輪變速箱，通過不同齒輪組的嚙合，在CNC上實現主軸不同擋位轉速的控制。本文以西門子808D數控系統控制主軸采用齒輪換擋來實現兩擋調速的例子來說明數控機床主軸速度控制的原理及方法。

1 主軸變速擋的選擇方式

SINUMERIK 808D數控系統可以控制一個模擬量主軸，一個主軸可以設置五個變速擋，具體根據主軸箱變速機構而定。本文主軸換擋時采用液壓撥叉的變速機構帶動滑移齒輪的移動實現主軸的兩擋變速。變速擋的預置可以由以下兩種方法進行，一是通過零件程序M41到M45強制指定目標擋位，二是通過編程的主軸速度S自動進行（M40）目標擋位的確定。要完成機床主軸換擋調速功能，PLC需要通過用戶接口（即數據區）與數控系統、MCP、HMI完成工作方式、M代碼、S代碼、報警號顯示等信號的交互，接口地址中的主軸軸號設為3。

1.1 通過編程的主軸速度（S功能）自動確定目標擋位（M 40）

系統默認的是自動確定目標擋位，自動確定目標擋位必須在主軸速度連續運行方式下，且有主軸轉速指令的前提下，需要機床參數MD35100、MD35110[n]、MD35120[n]、MD35130[n]、MD35140[n]（見圖1所示）來指定自動齒輪換擋時各擋主軸的轉速范圍及激發換擋的臨界速度，n取值為1～2，分別對應第一擋和第二擋。當使用指令M40 Sxxxx進行換擋、轉速高于參數MD35110設置值時，激發齒輪擋向高擋位進行換擋；同樣當轉速低于MD35120參數設置值時，激發齒輪擋向低擋位進行換擋。

圖1 自動換擋時轉速范圍說明（M 40）

1.2 通過零件程序M 41、M 42指令指定固定的目標擋位

機床操作者可以在零件程序中用M41、M42指令對應第一擋到第二擋，即指定固定的目標擋位進行強制換擋。換擋時目標擋位的獲得方式即NCK與PLC之間的信號交互有兩種方式實現：一是NCK發送給PLC的接口信號“給定變速擋A到C”（DB3903.DBX2000.0～DB3903.DBX2000.2）；二是直接讀取M功能代碼編碼值DB2500.DBD3000。換擋命令與PLC接口信號對應表如表1所示，主軸每擋的速度范圍由圖1中所示的數控系統機床參數設定。

表1 換擋命令與PLC接口信號對應表

2 主軸換擋時序

不管是通過M40和S指令自動確定目標擋位，還是通過M41、M42強制指定目標擋位，808D數控系統只有在主軸停止時才能切換新的變速擋位，即數控系統接收到主軸變速換擋的要求時，先停止主軸，再進行擋位的切換。

當有換擋要求時，NCK設置DB3903.DBX2000.3接口信號“齒輪換擋”向PLC發出換擋請求。PLC接收到需換擋的要求后，設置DB3803.DBX4.3停止主軸，設置DB3200.DBX6.0禁止進給，設置DB3200.DBX6.1讀入禁止，NC加工程序暫停，NCK等待主軸換擋完成再往下執行加工程序。當主軸停止時，接口信號“主軸停止”DB3903.DBX0001.4有效，PLC置位接口信號“擺動速度”DB3803.DBX2002.5啟動主軸擺動，主軸擺動運行方式有利于主軸換擋時變速箱中齒輪的嚙合。當PLC檢測到目標擋位的檢測開關時，PLC置位DB3803.DBX2000.3“變速箱已換擋”接口信號，使NCK獲悉此次換擋結束，另外PLC還復位DB3803.DBX2002.5“擺動速度”，主軸擺動運行方式結束，主軸恢復到換擋前的運行方式，將按照新的主軸速度指令運行；同時，PLC設置接口信號“實際齒輪 級 ”DB3803.DBX2000.0 ～DB3803.DBX2000.2，由PLC通知NCK當前實際擋位。NCK獲悉此次換擋結束后，自動復位DB3903.DBX2000.3，確認換擋完成，零件程序中的下一個程序段可以開始運行。典型的變速換擋的時序過程如圖2所示。

圖2 主軸變速換擋時序圖

3 主軸換擋的PLC實現方案

3.1 主軸換擋的硬件控制線路

數控機床主軸換擋系統與數控系統內置PLC之間的I/O信號主要包括兩類，一類是輸入信號，對兩擋位的擋位檢測開關信號進行檢測，以確定目前主軸實際所處擋位；另一類是輸出信號，通過電磁閥線圈的通斷電改變不同的通油方式，從而控制液壓撥叉不同位置的移動，實現不同擋位的切換，各擋位的LED指示燈讓操作人員能即時確定當前擋位或換擋情況。綜上所述，主軸換擋系統的輸入和輸出信號地址分配如表2所示，主軸換擋的PLCI/O控制電路如圖3所示：

表2 主軸換擋的I/O地址分配表

圖3 主軸換擋的PLCI/O控制電路

3.2 主軸換擋的PLC程序流程圖

PLC程序通過2級擋位檢測信號實現模擬量主軸的2擋自動換擋功能，從而根據指令要求實現主軸速度控制的目的。對于主軸換擋過程中出現的異常情況，PLC能夠產生相應的用戶報警，以便于診斷和維修。

本文執行的主軸換擋首先檢測擋位開關信號，與加工程序中給定的變速擋位進行比較，如一致，則不發出換擋請求，如不一致，則發出換擋請求。換擋過程中，主軸進入擺動運行方式，以易于齒輪組的嚙合，換擋控制包含了換擋到位的時間監控，監控是否能在規定的時間內檢測到目標擋位的檢測開關信號，檢測到，則結束換擋，如不能則換擋機構重復換擋動作，直至換擋到位。其PLC程序流程圖如圖4所示。

圖4 主軸換擋程序控制流程圖

西門子808D數控系統控制主軸正常工作需要對DB3803.DBX4001.7脈沖使能信號和DB3803.DBX2.1調節器使能信號進行設置。

換擋開始后，監控整個換擋過程的時間T22，如在規定的時間內沒有換擋到位，則設置DB1600.DBX1.6接口信號，即激活700014換擋超時報警，顯示在HMI上；如在換擋時間范圍內，發生了擋位位置錯誤，則設置DB1600.DBX1.7接口信號，即700015擋位位置錯誤報警。當按下并松開操作面板上的機床復位鍵時，700014報警立即去除，而700015報警必須是系統檢測到擋位位置無錯時才會去除。

在主軸停止滿T23定時的時間后，換擋機構根據機構的需要在換擋前先延時T24定時時間，然后PLC控制換擋電磁閥動作進行換擋，并設置換擋到位的時間監控，由T25完成。如在規定的T25定時時間內檢測到了目標擋位的檢測開關，即完成此次主軸換擋；如在規定的T25定時時間內得不到換擋到位信號，PLC控制換擋撥叉回退，延時T24設定的時間后，再次換擋，帶動變速箱齒輪嚙合，并再次啟動T25時間監控。

4 結束語

很多具有特殊用途的車床、銑床和加工中心，在主軸變速箱中常采用不同齒輪組嚙合的方式，實現主軸較寬的調速范圍，獲得不同的切削力，同時充分利用了主軸電機的功率。經機床改造試用，本文討論的基于西門子808D數控系統的主軸變速換擋PLC實現方案能自如地根據加工程序中的換擋指令實現主軸的換擋變速，并具有報警和保護環節，運行可靠。