通过西门子S7-200设计机床主轴自动换档功能

摘要：本文理论联系实际，从全面、系统的角度阐述如何利用PLC可编程控制器设计SIEMENS 828D数控系统对一台三坐标立式铣床的主轴换档功能进行设计调试。

关键词：数控系统，电路设计，可编程逻辑控制（器）。本文通过西门子S7-200 控制PLC软件，结合数控系统的特点及机床的主轴换档结构，设计主轴自动换挡功能。 [正文]

主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几档不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。

1、主轴换档机构

选用的三坐标立式铣床机床的主轴换档机构由一个双向电磁阀(YV1～YV2)控制两个油缸推动齿轮组上下移动，一组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生3档转速（其中检测开关在中间位置时为空档）。在主轴箱内安装了3个档位检测开关(SW1～SW3)。压力继电器(PS1)检测换档液压压力。 2、控制系统的信号与数据接口

控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换档的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8档转速控制。该机床采用了其中3档，相邻档位间可以存在转速的交叉。

为实现主轴的自动换档，在机床数据中预先设置了主轴3个换档转速范围。NC控制系统依据不同的档位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。

输入信号：档位检测信号SW1～SW3，换档液压压力PS1，主轴电机停转Nmin，主轴电机实际转速Nact；

输出信号：换档电磁阀YV1～YV2，电机驱动指令电压Vist。

系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换档范围、当前档位、换档命令、目标档位、换档结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。系统可采用SW1～SW2检测开关的状态组合编码作为当前主轴档位的标志。

（主轴换档子程序功能块） 3、主轴自动换档的PLC设计

主轴换档的控制过程是在PLC程序控制中实现的。当PLC接受到NCK发出的换档命令，首先检查主轴电机是否处于停转状态，如果条件不满足，PLC向主轴发出“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标档位，

给相应的换档液压油缸(SOL1～SOL2)发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时启动主轴摆动模式，设置摆动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时时间到达以后，PLC检测相应的档位开关是否生效，如果生效，说明换档齿轮啮合到位，同时反馈NCK换档生效信号，并向数据块填写“当前档位”。此时，主轴自动进入下一档转速，否则PLC进行错误报警处理。

在PLC程序设计中，必须注意，为了使主轴换档不致于混乱，在PLC程序的初始化模块中，系统一通电就扫描机床档位检测开关，在数据块中设置“当前档位”，对系统状态进行初始化。设计PLC中需要注意的是1.必须把主轴的转速降为零后，才能对运行中的主轴换档，否则会造成齿轮碰坏。2.在主轴转入下一档转速前，相应的换档油缸必须移动到位，使相应的齿轮啮合。3.为了更好地啮合，油缸在移动过程中，控制主轴作轻微的来回摆动，这样可缩短换档时间，同时也避免齿轮硬顶造成撞伤和精度破坏。

（主轴换档启动准备条件） 4、PLC设计中换档条件：

1.N_4_DRV_EN 驱动使能生效信号 2.P_4_G_CHG 换档齿轮界面信号 3.P_4_SP_N_AX 主轴和坐标停止信号 4.P_N_EMG_ACT 急停信号常1 5、PLC换档信号输出：

1.N_C_READDIS NC读入禁止信号

2.M100.6 换档开始读取信号继电器 3.M102.0 换档结束反馈信号继电器 6、结论

这次根据用户生产的需求，结合机床改造过程，对由SINUMERIK 828D如何设计主轴换档进行了分析、设计及实施。利用SIEMENS 828D接口及机床换档机构的特点，采用机电一体化，通过PLC程序的设计，实现了在数控程编中只要写上主轴转速，数控系统将自动实现换档。改造后的主轴，换档自如，运行可靠。对换档过程中出现的油缸行程不到位、换档压力不够都有及时的报警提示与错误处理。机床主轴的自我保护功能是设计者必须注意的问题。在换档中可能会出现液压方面的问题，如换档压力不够、液压电磁阀失灵造成油缸不到位。换档超时时，系统要提出明确的报警，禁止主轴换档，以保护主轴。在换档过程中，巧妙地利用主轴的摆动模式可实现柔性换档。同时应利用定时器，对输出命令的响应作出定时检查。设备经过改造后，主轴转速高，分为三档，功率、扭矩分配适当，比起原来响应缓慢，换档不准确，换档故障不明等问题得到了很大的改善，已完全适用于大部分航空类零部件的加工与制造。由此，其所产生的经济效益巨大。 参考文献

〖1〗王润孝.《机床数控原理与系统》.西安：西北工业大学出版社 2001 〖2〗SINUMERIK 828D明调试指南

〖3〗828D_PLC_Library_Description_CH 2016