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主軸是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，對於不同的材料為了保證零件的表麵粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉速。主軸的變速一般采控或變速箱來實現。電控主軸直接采用變頻係統控製主軸的轉速，而主軸變速箱則采用不同的組合實現幾擋不同轉速的控製。許多機床采用主軸變速箱形式。主軸的轉速與輸出功率必須配套，如果用單一的齒輪比，雖然可以改變主軸轉速，但不可能充分利用主軸的功率。為了兼顧主軸的轉速與功率，必須采用不同的齒輪組合。
今年初，我們成功地完成了一台五坐標數控龍門銑床的技術改造。其主軸采用變速箱變速，控製係統為SINUMERIK 840C數控係統 ，坐標及主軸驅動采用西門子SIMODRIVER 611A。根據該機床的主軸換擋結構，結合控製係統的特點，通過內置式PLC控製程序，對主軸換擋進行了自動控製處理。
1 主軸換擋機構
該機床的主軸換擋機構由兩個雙向電磁閥(SOL1～SOL4)控製兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產生4擋轉速。在主軸箱內安裝了4個擋位檢測開關(SW1～SW4)。壓力繼電器(PS1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結構見圖1。
2 控製係統的信號與數據接口
控製係統由NCK和PLC模塊組成，它們之間靠數據塊傳遞消息。機床的輸入輸出點接入PLC的輸入輸出模塊中。NC係統給主軸發出速度指令電壓。係統主軸數據塊中存放有主軸換擋的有關數據，通過PLC程序，對這些數據進行實時操作。係統可以有8擋轉速控製。該機床采用了其中4擋，相鄰擋位間可以存在轉速的交叉。
為實現主軸的自動換擋，在機床數據中預先設置了主軸4個換擋轉速範圍。NC控製係統依據不同的擋位給主軸驅動裝置發出不同的指令電壓，對應主軸電機不同的轉速。
輸入信號：擋位檢測信號SW1～SW4，換擋液壓壓力PS1，主軸電機停轉Nmin，主軸電機實際轉速Nact；
輸出信號：換擋電磁閥SOL1～SOL4，電機驅動指令電壓Vist。
係統主軸數據塊含擺動速度、擺動頻率、內置換擋範圍、當前擋位、換擋命令、目標擋位、換擋結束標誌、主軸電機運行狀態、主軸禁止和主軸PLC控製等數據。控製係統的信號流見圖2。
係統可采用SW1～SW4檢測開關的狀態組合編碼作為當前主軸擋位的標誌。電磁閥及檢測開關狀態見表1。
表1 主軸換擋狀態 換擋號 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4
第一擋 1 0 1 0 1 0 1 0
第二擋 0 1 1 0 0 1 1 0
第三擋 1 0 0 1 1 0 0 1
第四擋 0 1 0 1 0 1 0 1
3 主軸自動換擋的PLC實現
主軸換擋的控製過程是在PLC中實現的。PLC接受到NCK發出的換擋命令，先檢查主軸電機是否處於停轉狀態，如果未停，PLC向主軸發“主軸禁止”命令，使主軸停止。PLC設定一個特定定時器，根據目標擋位，給相應的換擋液壓油缸(SOL1～SOL4)發出輸出命令，推動相應的齒輪運動。同時，啟動主軸擺動模式，設置擺動頻率，使齒輪在移動中齧合。定時器定時到了以後，PLC檢測相應的擋位開關是否生效，如果生效，說明換擋齒輪齧合到位，同時上報NCK換擋生效，並向數據塊填寫“當前擋位”。此時，主軸自動進入下一擋轉速。否則，PLC進行錯誤報警處理。主軸換擋控製流程見圖3。
在PLC設計中，必須注意的是：
為了使主軸換擋不致於混亂，在PLC程序的初始化模塊中，係統一通電就掃描機床擋位檢測開關，在數據塊中設置“當前擋位”，對係統狀態進行初始化。
必須把主軸的轉速降為零後，才能對運行中的主軸換擋，否則會造成齒輪碰壞。
在主軸轉入下一擋轉速前，相應的換擋油缸必須移動到位，使相應的齒輪齧合。
為了更好地齧合，油缸在移動過程中，控製主軸作輕微的來回擺動，這樣可縮短換擋時間，同時也避免齒輪硬頂造成撞傷和精度破壞。
4 結束語
當前，國內廣泛開展的機床改造翻新將涉及到主軸換擋的問題。主軸換擋控製處理得當，不僅可以提高機床的加工精度，而且可以延長主軸的使用壽命。
本課題針對SIEMENS 840C控製數據接口及機床換擋機構的特點，采用一體化，通過PLC程序的設計，實現了在數控程編中隻要寫上主軸轉速，數控係統將自動實現換擋。改造後的主軸，換擋自如，運行可靠。對換擋過程中出現的油缸行程不到位、換擋壓力不夠都有及時的報警提示與錯誤處理。機床主軸的自我保護功能是設計者必須注意的問題。在換擋中可能會出現液壓方麵的問題，如換擋壓力不夠、液壓電磁閥失靈造成油缸不到位。換擋超時時，係統要提出明確的報警，禁止主軸換擋，以保護主軸。在換擋過程中，巧妙地利用主軸的擺動模式可實現柔性換擋。同時應利用定時器，對輸出命令的響應作出定時檢查。
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