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基於 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（huàn）擋的（de）工作原理，並給出了詳盡的PLC 程序用來描述主軸換擋的整個過程，對換（huàn）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（háng）；脫擋

0、引言

　　對於零件加工，無論是（shì）對同一零件不同工序，還（hái）是對同類零件不同材料（liào），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（jī）床（chuáng）主軸電機受製於機床大小，工作在恒功率區（qū）間或恒扭矩區間的電機狀態往往並不能直接滿足零件的加（jiā）工要求，這時就需要在主軸電機和機床主軸（zhóu）之間加入換擋機構實現對（duì）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（míng），來闡述數控機床（chuáng）換擋的工作原理（lǐ）和調試方法。

1、主軸（zhóu）變速（sù）箱（xiāng）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（yí）齒輪上下移動，不同的滑動（dòng）齒輪分別與和主（zhǔ）軸同軸的大小齒輪完（wán）成其中一組齧合，從（cóng）而達到齒輪比切換的目的。換擋指（zhǐ）示杆在這一過程中處於（yú）不同的位置，通過接近開關識別，指示當（dāng）前齒輪箱是處於高擋還是低擋（dǎng）[1]。

2　、主（zhǔ）軸（zhóu）的換擋指令

　　在西門子 802Dsl 數控係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（chéng）。係統可將 S 指令之後的主軸轉速值與內部的擋位轉速表進行比較（jiào），判斷主軸（zhóu）轉速輸出是否適合變（biàn）速箱當前擋位，如果當前（qián）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。係統會根據操作者的（de）指令意圖直接完成換擋。還有一種方（fāng）式（shì），直接輸入 M03Sxxx，機床會根據 S 指令之後的主軸轉速值完成（chéng）換擋，並最終達到（dào）要求的主軸轉（zhuǎn）速。

3、機床參數

　　數控機床 MCP-1000D 要完成對主軸高低換擋控製，在西門子802Dsl 係統中需設置的主（zhǔ）要參數見表 1，換擋轉速（sù）參數設定含義（yì）圖 1。

表 1　主軸高低擋控製主要參數

圖 1　自動換擋（dǎng）時轉速範圍（wéi）說（shuō）明

4　、換擋（dǎng） PLC 程序（xù）

　　MCP-1000D 主軸換擋的 PLC 梯形圖如下：

換擋 PLC 梯形圖中的（de）主要信（xìn）號說明見表 2。

表 2　換擋信號說明表

　　對於數控機床最重要的是（shì）要處理好兩類信號（hào）。一類是（shì） PLC 至（zhì）NC 的信（xìn）號，這類信號（hào）是要通過 PLC 編（biān）程置位 NC 的接口。比如V380x2002.5，含義為“擺動速度”，隻有通過 PLC 編程置位該（gāi）信號（hào），數控係統才能使機床主軸從控製方式轉入（rù）擺動方式，擺動方式是主（zhǔ）軸完成自動換擋的重要（yào）步驟。另一類是 NC 至 PLC 的信（xìn）號，這類信號是數控係統將（jiāng）自身的命令或者狀態通過接口（kǒu）傳遞給 PLC，再由 PLC 通過其程（chéng）序進行邏輯處理，或直接激（jī）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”，數控係統根據 M41 至M45，或 S 指令（lìng）後的（de）轉速值判斷需要改變當前齒輪（lún）級，隨（suí）即激活該信（xìn）號（hào）。

PLC 程（chéng）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（zuò）。信號中的“x”代表軸代碼，一般 X 坐標為 0，主（zhǔ）軸為 3。

由 Network8，當數控係統確定需（xū）要變換（huàn）齒輪級時激活V39032000.3，主（zhǔ）軸降速至 0 或主軸（zhóu）是停止狀態，通過上升（shēng）沿置位V38032002.5。V39032000.2，V39032000.1，V39032000.0 組成二進製碼目標齒輪級，Network1 中為 001 代表低擋，對應（yīng） M41 指令；Network2中為 010 代表高擋（dǎng），對應 M42 指令[2]。在 Network1 和（hé） Network2，分別由 V38032002.5 通過（guò）目（mù）標齒輪（lún）級激活 M50.0 和 M50.1。Network3 和Network4 中，M50.0 控製 Q9.1 和 Q9.0，M50.1 控（kòng）製 Q9.1，Q9.1 和Q9.0 分別（bié）對應換擋（dǎng）油（yóu）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（shǐ）齒輪箱處於低擋狀態；當僅 Q9.1 為 1 時，換擋油缸驅動撥叉使齒輪箱處於高擋狀態。V26000000.1 為急停信號，當（dāng）急停信號觸發時，主軸不能換擋（dǎng）。Network5 和 Network6 中，I9.7和 I10.3 分別是擋（dǎng）位狀態的（de）檢測信號，來源於檢測（cè）換擋指示杆位置的接近開關，I9.7 置 0 表明主軸（zhóu）當前處於低擋（dǎng）狀態，I10.3 置 0 表（biǎo）明（míng）主軸當前處於高擋狀（zhuàng）態；V38032000.2，V38032000.1，V38032000.0 組成二進製（zhì）實際齒（chǐ）輪（lún）級，激活實際齒輪級對（duì）應（yīng）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（zhōng）可能出（chū）現這樣一種情況，如執行 M42，主軸（zhóu）由低擋向高擋變換過程中，一直處於擺動狀態，指示杆（gǎn）位於低擋和高擋檢測開關的中間，換擋不成功（gōng），造成脫擋。這時需（xū）要終止（zhǐ）擺（bǎi）動。設計時選取操作麵板上的一個按鈕，輸入地址為 I1.2，在 Network10 使它與 V38032002.2 相連，用於刪除餘程。按下該按鈕，可終（zhōng）止擺動（dòng）。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（xià）執行 NC 程序[3]。

　　故障的解決方法是，用金屬任（rèn）意選擇高低擋中一（yī）個檢測（cè）開關進行觸碰，使係統認為主軸已處於一個（gè）擋位上，再輸入另一擋位的指令。如觸碰高擋檢（jiǎn）測（cè）開關，使 I10.3 為 0，係統誤認主（zhǔ）軸箱已處於高擋，再執行 M41，主軸（zhóu）將回到低擋狀態。以上故障的解決方法並不是一（yī）個很好的解決措施，檢測開（kāi）關位於主軸箱的頂（dǐng）端，觸碰檢測開關必須爬上機床，很不方便，而且（qiě）具有一定危險性。我們為之又設（shè）計一個特殊（shū）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（shàng）定義（yì）的兩個按鍵，功能分別為手動低擋和手動高擋。V38034001.7 是主軸（zhóu）的脈衝（chōng）式能。隻有去掉主軸的脈衝使能，使伺服模塊下電（diàn），主（zhǔ）軸電機釋放，確保（bǎo）安全的前提（tí）下，手動低擋和手動高（gāo）擋（dǎng）兩個按鍵才（cái）能起作用。通過實踐，該措施有效解決了主軸在脫擋情況下（xià）變速齒輪的歸位問題。

5、總（zǒng）結

　　通過以上 MCP-1000D 主軸換擋實例說（shuō）明，主軸換擋的過程是：1輸（shū）入指（zhǐ）令程序，2 判斷目（mù）標擋位，3 主軸進入擺動運行方式，4 換（huàn）擋完成，恢複控製方式，5 執行之後程序。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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