浅谈SIEMENS 840D主轴速度控制

张红　王朋

摘要：本文研究SIEMENS 840D主轴速度控制中的无级变速，对其无级变速的换挡控制进行了详细的分析。

关键词：主轴换挡；PLC；参数

前言

主轴换挡的目的是为了主轴工作在低速时，仍能获得较大的功率，提供足够的切削动力。主轴的换挡操作可以在摆动控制方式下进行，也可以在定位控制方式下进行，取决于机床数据MD35010的设置。数控系统在执行主轴换挡指令时，自动进入摆动控制方式，主轴电机处于摆动状态，使主轴变速箱内的齿轮在摆动过程中容易啮合，便于主轴换挡。840D系统规定了最多5个档位级别，每个档位的最高速度和最低速度可通过机床数据设置。

1.主轴换挡的PLC控制

主轴的摆动控制方式用辅助功能代码M41、M42、M43、M44、M45激活，它们对应于主轴的第一挡到第五挡，也可用自动换挡指令M40激活，这时系统根据零件加工程序中的主轴速度指令S和机床数据中设置的每挡的速度范围，自动确定主轴的挡位。数控系统在执行换挡指令时，系统接口信号DB33.DBX84.6被置位，激活摆动控制方式，同时把挡位信息传送到DB33.DBB82的低3位中。PLC应用程序从接口中读出这些信息，控制主轴的换挡动作。

图1中给出了主轴在摆动控制方式下，主轴换挡的PLC控制程序。程序中假如数控机床只有两个挡位，Q41.6为第一挡，Q41.7为第二挡，进行换挡操作时，系统接口信号DB33.DBX18.5被置位，主轴电机开始以设置的摆动速度来回摆动，同时PLC程序控制液压系统驱动换挡拨叉进行换挡。为了监测换挡是否到位，在机床上安装有两个挡位状态开关，主轴在第一挡位上，第一挡位开关信号输入到接口I32.5；主轴在第二挡位上，第二挡位开关的信号输入到接口I32.6。一旦系统检测到实际擋位符合目标挡位，系统接口信号DB33.DBX16.3被置位，利用此信号使换挡操作信号Q41.6和Q41.7复位，换挡过程结束。

实际上主轴换挡过程有一定的时序要求，在设计PLC控制时序时，必须遵守主轴的换挡时序。数控系统在接收到零件程序中的换挡指令后，主轴首先减速到零，然后主轴由速度控制方式自动转为摆动控制方式，DB33.DBX84.6被置位，同时通过信号接口DB33.DBX82.3发出换挡要求，目标挡位信号送到接口DB33.DBX82.0—DB33.DBX82.2中， PLC程序在接到换挡请求信号后，检测主轴是否停止（DB33.DBX61.4）。当确认主轴停止后，通过接口信号DB33.DBX18.5启动主轴摆动。主轴摆动开始，经过T3延时后，控制换挡电磁阀动作，利用拨叉改变齿轮的位置，以达到目标挡位。T3的延时时间根据换挡机构的时间滞后特点设置。PLC程序检测到目标挡位到位信号后，需要将主轴的实际挡位信息通过信号接口DB33.DBX16.0—DB33.DBX16.2反馈给数控系统，并通过信号接口DB33.DBX16.3向数控系统发出换挡已经完成信号。系统接收到换挡完成信号，自动恢复主轴的速度控制方式，DB33.DBX84.7置位为1，DB33.DBX84.6复位。

为了使主轴的换挡安全可靠，关键是防止换挡齿轮损坏，要做到这一点，在发出换挡动作之前，主轴必须完全停止，然后进入摆动工作状态。主轴在换挡过程中有时检测不到挡位到位信号，数控系统就认为换挡过程没有完成，主轴将继续摆动，加工程序不能往下执行。其原因有两种可能：一是行程开关或限位挡块出现了故障，或者是产生了偏移，即使挡位已经到位，也不能向数控系统提供正确的挡位信号；二是两个换挡齿轮端面相碰，没啮合，挡位的确没有到位。针对第一种情况，换挡过程可能永远都不能完成解决这个问题的最好解决办法是在PLC控制程序中增加拨叉动作计数功能，如果的时间内系统接收不到换挡到位信号，可将换挡拨叉退回，经过延时再次启动拨叉使齿轮啮合，同时启动时间监控，如果数控系统仍然得不到换挡到位信号，重复上述动作，直到最终得到换挡到位信号。一般来说，只要换挡部件没有问题，经过几个换挡动作，是可以完成主轴换挡操作的。

2.结语

数控机床是综合应用机械发展的新成就，并运用现代电子、测量计算机等新技术，是机电一体化的结晶，目前已成为机械制造发展的重要方向。近年来， PLC 已具有强大的运算能力，良好的通讯功能，极高的处理速度，已获得广泛的应用。PLC技术具有成品组装，可靠性极强，安装、使用、维护、维修方便的特点。PLC在数控机床中的推广和使用必然使得数控机床的控制系统更加灵活、工作性能更加稳定、加工精度更高、速度更快、功能更趋向于齐全。

参考文献：

[1] SIEMENS SINUMERIK840D/810D简明调试指南，2006：207—255.

[2]SIEMNS SINUMERIK 840D/840Di/810D/FM-NC Description of Functions，Basic Machine

[3]王洪波.数控机床电气维修技术-SINUMERIK810D/840D系统.电子工业出版社，2007.

作者简介：

张红（1986—），女，汉族，广东中山市人，天津职业技术师范大学学士，助教，研究方向：数控机床故障诊断与维修技术。

王朋（1982—），男，汉族，广东佛山市人，天津职业技术师范大学学士，数控车技师，研究方向：数控机床故障诊断与维修技术。