基于 802Dsl 的主軸換擋設計
2020-6-5 來源： 中航飛機股份有限公司 作者：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
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。
表 1 主軸高低擋控制主要參數
圖 1 自動換擋時轉速范圍說明
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。
表 2 換擋信號說明表
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。
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