基于802Dsl的主軸換擋設計

程雪峰

摘 要：本文以運用西門子802Dsl實現MCP-1000D數控機床主軸換擋功能為例，說明了換擋機構的組成，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的脫擋問題，給出了解決方法。

關鍵詞：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速要求。機床主軸電機受制于機床大小，工作在恒功率區間或恒扭矩區間的電機狀態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實現對機床主軸進行調速。本文通過對運用西門子802Dsl實現MCP-1000D機械主軸換擋功能為例進行說明，來闡述數控機床換擋的工作原理和調試方法。

1 主軸變速箱換擋機構

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，通過接近開關識別，指示當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數控系統中實現主軸換擋可以通過兩種指令方式來實施：（1）通過M40Sxxx完成。系統可將S指令之后的主軸轉速值與內部的擋位轉速表進行比較，判斷主軸轉速輸出是否適合變速箱當前擋位，如果當前擋位不合適，機床會自動完成換擋。（2）通過M41等完成。M41～M45分別是對應主軸變速箱5個擋位的NC指令。系統會根據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S指令之后的主軸轉速值完成換擋，并最終達到要求的主軸轉速。

3 機床參數

數控機床MCP-1000D要完成對主軸高低換擋控制，在西門子802Dsl系統中需設置的主要參數見表1，換擋轉速參數設定含義圖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，數控系統才能使機床主軸從控制方式轉入擺動方式，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，這類信號是數控系統將自身的命令或者狀態通過接口傳遞給PLC，再由PLC通過其程序進行邏輯處理，或直接激活輸出讓外部執行器件動作。比如V390x2000.3，含義為“齒輪級需要改變”，數控系統根據M41至M45，或S指令后的轉速值判斷需要改變當前齒輪級，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坐標為0，主軸為3。

由Network8，當數控系統確定需要變換齒輪級時激活V39032000.3，主軸降速至0或主軸是停止狀態，通過上升沿置位V38032002.5。V39032000.2，V39032000.1，V39032000.0組成二進制碼目標齒輪級，Network1中為001代表低擋，對應M41指令；Network2中為010代表高擋，對應M42指令[2]。在Network1和Network2，分別由V38032002.5通過目標齒輪級激活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分別對應換擋油缸兩個閥體的動作，當Q9.0和Q9.1同時為1時，換擋油缸驅動撥叉使齒輪箱處于低擋狀態；當僅Q9.1為1時，換擋油缸驅動撥叉使齒輪箱處于高擋狀態。V26000000.1為急停信號，當急停信號觸發時，主軸不能換擋。Network5和Network6中，I9.7和I10.3分別是擋位狀態的檢測信號，來源于檢測換擋指示桿位置的接近開關，I9.7置0表明主軸當前處于低擋狀態，I10.3置0表明主軸當前處于高擋狀態；V38032000.2，V38032000.1，V38032000.0組成二進制實際齒輪級，激活實際齒輪級對應狀態參數。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換。

實際換擋過程中可能出現這樣一種情況，如執行M42，主軸由低擋向高擋變換過程中，一直處于擺動狀態，指示桿位于低擋和高擋檢測開關的中間，換擋不成功，造成脫擋。這時需要終止擺動。設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中設計置位V32000006.1的程序段是為了防止在換擋不成功狀態下執行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進行觸碰，使系統認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，使I10.3為0，系統誤認主軸箱已處于高擋，再執行M41，主軸將回到低擋狀態。以上故障的解決方法并不是一個很好的解決措施，檢測開關位于主軸箱的頂端，觸碰檢測開關必須爬上機床，很不方便，而且具有一定危險性。我們為之又設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

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判斷目標擋位，3主軸進入擺動運行方式，4換擋完成，恢復控制方式，5執行之后程序。了解主軸換擋過程和執行原理，對換擋程序設計和換擋故障的排除是非常有益的。

參考文獻：

[1]化春雷，張明，洋劉春時.基于西門子840Dsl實現數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數控系統的主軸調速控制[J].裝備制造技術，2015（11）：202-204.

[3]Siemens.西門子802Dsl功能手冊[Z].2009（06）.