高檔（dàng）機床主軸自動換擋PLC控製及實現
2017-11-13 來源：中航（háng）工業沈陽飛機公司技術中心 數控加工廠 作者：劉本剛 劉天冬 王碧（bì）玲
【摘要（yào）】通過修改數（shù）控係統機床參數與PLC編程，實（shí）現了配套（tào）國（guó）產高檔數控係統的大型五坐標雙（shuāng）龍門銑床的自動換擋。執行換擋（dǎng）過程中控製主軸電機來回擺動，換擋衝擊小，易於液壓撥叉推動齒（chǐ）輪實現穩定配合，可靠（kào）性高，提高了國產數控（kòng）係統在航空領域的應用水平。
關鍵詞：國產高檔數控係統；主軸；自動換擋；PLC編程；ASSEM模塊（kuài）
高性能電主軸的不斷應用，不但提供了很寬的變速範圍，實現無極變速，而且易於實現高速、高精傳動與（yǔ）定位，大幅提高了高端數控機床的切削性能，並簡化了機床主（zhǔ）軸傳動係統。但是，由於其結構複雜、維護困（kùn）難，尤其是提供大功率時，成本更高、係統更複雜，在強力切（qiē）削、難加工材料（liào）(如鈦合金)加工等對機（jī）床主軸（zhóu）功率要求高的特殊應（yīng）用場合中，傳統機械式主軸(齒輪（lún）變速箱變速)仍在廣泛應用。
機械主（zhǔ）軸變（biàn）速箱不但可以使主軸獲得低速（sù）大扭矩，滿足強力切削的（de）要求，還可以（yǐ）通過換擋改變傳動比滿足不同工序對主軸切削性能的要求，充分發揮主軸電動機（jī）的性能。目前機械主軸換擋方式，主要有（yǒu）手動控製、半自動與自動換擋方式。手動方式主要用於普通機床的主軸換擋中（zhōng），先進數控機床一般采用全自動換擋方式，該方（fāng）式簡單、可靠。自動換擋是（shì）指數控係統通（tōng）過PLC執行（háng）相關指令，控製換擋機構改（gǎi）變變速器傳動比，滿足轉速指令要求並使主軸電機工作在最佳狀態。由於涉及到數控係統與PLC係統之間的通信
以（yǐ）及換擋時可能出現頂齒等造成齒輪無法齧合（hé），導致換擋失敗，甚至破壞齒輪傳動係統。
因此（cǐ），要想（xiǎng）提高國產數控（kòng）係統（tǒng）在航空領域的應用水平，應實現主軸平穩地自（zì）動換擋。陳年華（huá） 描述了自（zì）動換擋係（xì）統工作原理及係統參數調試過程，但未（wèi）分析控製方法和換擋實現過程。潘（pān）月鬥等口1針對主軸（zhóu）電機換擋過程中易出現（xiàn）頂齒現象，提出了換擋時主軸電機采用步進控製的策略（luè），但換檔過程（chéng）中（zhōng），主軸易出現明顯（xiǎn）振動。鄒方【31在西門（mén）子840C係統中通過PLC控製（zhì）主軸擺動實現了自動換擋功能。目（mù）前，包括國產數控機床在內，航空企（qǐ）業的高檔五軸數控機（jī）床（chuáng）全部配套國（guó）外主流數控係統，為實（shí）現（xiàn）國產高檔數控係統在航空領域的突破，充分體現國產五軸（zhóu）數控係統的功能和性能，以正在（zài）現場進行國產數控係統改造的大型五坐標龍門銑床為（wéi）例，在華中848C數控係統中，通（tōng）過合理設計控製流程和PLC程序（xù），實（shí）現了主軸的自動換擋功能。
1 、自動換擋結（jié）構及方式
目前，在強（qiáng）力切削、難加工材料等數控加（jiā）工設（shè）備中，為充分發揮主軸（zhóu）性能，實現高性能加工，往往使用機械主軸，以滿足（zú）大變速範圍和低速大扭（niǔ）矩等加工特（tè）性。圖1所示為大型雙龍門銑床機械（xiè）主軸的機械（xiè）特性（xìng）。在數控設備（bèi）中，機械主（zhǔ）軸變速器換擋一般采用自（zì）動換擋方式，通（tōng）過（guò）PLC控製液壓撥叉（chā）或離合器自動完成檔位切換。其中，以液壓撥叉（chā）控製方式最為常見，其原理如圖2所示。PLC根據當前加工程序中主（zhǔ）軸指（zhǐ）令轉（zhuǎn）速與（yǔ）換擋比（bǐ）較值判斷所（suǒ）需檔位，並控製（zhì）液壓閥撥叉推動（dòng）齒輪（lún）移（yí）動。同時，主軸電機按照指定控（kòng）製策略帶動變速器輸入端（duān）齒輪運動，直到檔位到達（dá）。
圖1 大（dà）型雙龍門銑床機械主軸的機械特性圖
圖2 液（yè）壓撥叉結構不意圖
根據PLC指令實現形式，自動換擋可分為讀M指令和s指令兩（liǎng）種方式。讀M指令方式是指在PLC中首（shǒu）先定義換擋的M指令，並在數（shù）控程序中的換擋位置添（tiān）加相應的M換擋指令（lìng），數控係統在執行加工程序過程（chéng）中PLC就會同其他M代碼一樣，執行該代碼，完（wán）成換擋。該方（fāng）法需要工藝員在零件加工編程或後處理中確定檔位，節省了加工時係（xì）統判斷檔位的時間（jiān），但是增加（jiā）了工作量，要（yào）求工藝員熟悉具體機床（chuáng）主軸換擋的功能和（hé）特點，並占用輔助代碼。讀S指（zhǐ）令方式是指在數控加工過程中，PLC通過數（shù）控係統獲（huò）取當前加工程序中轉速S指令值（zhí），根據換擋比較值實時判斷當前所需檔位，自動完成換擋。此（cǐ）時，工藝員不需關注檔位，隻需（xū）在加工程序中指（zhǐ）定主軸轉速即可，由PLC自動判斷實現（xiàn）換（huàn）擋，簡單可靠。因此，本文選擇讀s指令實（shí）現大型雙龍門銑床主軸自動換擋功能。
2、自動（dòng）換擋控製與編程
在換擋時，齒輪齧（niè）合可能出現頂齒的現象，導致換擋超時報警，甚至破壞齒輪（lún）傳動機構，因此在換擋過程中需要對變速箱輸入端齒輪的運動進行控製[4-51。比如在換擋時允許主軸低速運動實現變速器齒輪的配（pèi）合，該方式簡單，但齒輪副（fù）間軸向運（yùn）動過程（chéng）中（zhōng）產生摩擦，在齧合過程中輸出端齒輪一直承受低速負載，尤其是在（zài）剛開始齧合時，兩（liǎng）齒輪輪（lún）齒接觸麵積小，衝擊明（míng）顯，易導致齒輪加速疲勞（láo），甚至導致齒根斷裂。本方案所采用的策（cè）略是在換（huàn）擋過程中控製主軸電機低速擺（bǎi）動帶動變速箱輸入端齒（chǐ）輪來回擺動，擺動幅度為大於齒距的整數倍，避免了頂齒現象，克服了主軸電機低速轉動的不足。
2．1 自動換擋控製策略
大型五坐標雙龍門銑（xǐ）床主（zhǔ）軸的變速箱結構，如圖3所示（shì），具有2檔變速。
圖3 大型雙龍門銑床主軸（zhóu）變速箱示意圖
圖4為根據（jù）自動換擋結構及華中高檔848C數控係（xì）統（tǒng）控製特點，設計的主軸自動換擋控製流程圖。在加工（gōng）過程中，PLC首先（xiān）向CNC係統請求轉速s指（zhǐ）令值，獲得該值後，與（yǔ）係統用戶參數P中定義的檔位比較值對比，確（què）定當前轉速應需檔位後，檢查當前所在檔位並判斷是否需要換擋。若需換擋，則PLC向CNC係統發送（sòng）主軸停請求，並等待主（zhǔ）軸零（líng）速到達信號，若在指定時間內收到CNC係統主軸零速（sù）到達信號，則PLC向CNC係（xì）統發送主軸運動控製指令，要求主軸（zhóu）電機（jī）低速擺動，如此反複，直到（dào）檢測到檔位（wèi）接近開關的有效到達信號。與此同時，PLC輸出有效信號，啟動（dòng）液壓站（zhàn）電機，保持該（gāi）信號持續一定時間，防（fáng）止液（yè）壓（yā）電機頻繁啟動（dòng），影響電機使用壽命和係統電氣特性，並輸出有效信號打開液壓閥，使液壓撥叉推動滑動齒輪，直到PLC檢測到檔位（wèi）到位信號（hào），結束換擋。在執行換擋過程中，若超出定時器設定值，係統（tǒng）會發（fā）出相應的超時報警，如（rú）換擋超時、零速到達信號超時等。針對液（yè）壓電機、電磁閥等非正常工作狀態（tài），都會觸（chù）發係統報警，通過定義的複位可清除上述報警。
圖4 本方案主（zhǔ）軸自動換擋控製流程圖
2．2 ASSEM功（gōng）能模塊
在實現自動（dòng）換擋（dǎng）的過程中，PLC與CNC係統頻繁進行通信，PLC從CNC係統中獲取指令轉速、主軸（zhóu）狀態等信息，需要換擋時，PLC向CNC係統發（fā）送主軸電機（jī）運動控製指令（lìng）等。為（wéi）簡化PLC編程，華中848C係統的PLC提供了很（hěn）多（duō）專（zhuān）用功能模塊（kuài）。在自動換擋編程時，通過使用這部分功能模塊，可大大提高編程效率和減少程序量，其（qí）中本方案使用（yòng）的最主要（yào）的功能模塊就是ASSEM 模塊（kuài），其梯形圖如圖5所示。
圖5 ASSEM模塊梯（tī）形圖
ASSEM模塊的功能是PLC向CNC係統請求當前轉速（sù）s指令值及方向，並將該值複製到PLC內部（bù）寄存器中，以便在（zài）PLC中對（duì）其進行數據處理。該模塊在本方案（àn）中的應用是（shì）：請求（qiú）係統（tǒng）F2570一F2571共解決方（fāng）案總結如（rú）下：
(1)S指令數據獲取錯誤。根據ASSEM功（gōng）能模（mó）塊的功能和參數意義（yì），必須將參數l的（de）值設定（dìng）為2，即連續讀取F2570、F2571兩個字節中的值，才（cái）能正確獲取當前指令轉速s，包括方向和大（dà）小。否則，PLC讀到的（de）值不是（shì）加工程序中（zhōng）的s值，如調試時，發現D5中的數（shù）據與加工程（chéng）序中的指令轉速值（zhí）不一致，經（jīng）檢查，發現參數（shù）1被（bèi）設定為l，修改為2後問題解決。
(2)執行換擋（dǎng）過程中主軸電機不能實（shí）現低速正反擺動。必須合理（lǐ）設定定（dìng）時器或延時導通定時器的定時時間及單位，才能控製主軸電機正反擺動，實現平穩換擋，避免主軸出現較（jiào）大衝擊。
(3)出現換擋超時報警。換擋超時報警的意義，在（zài）於通過設定定時器，保護主（zhǔ）軸。根據（jù）電（diàn）氣原理圖及液壓流程圖分析，可能存在（zài）的問題：①液壓電機未啟動，應檢查（chá）液壓電（diàn）機控製繼電器是否得電；②液（yè）壓閥未打開，應（yīng）四字節中的數據（jù），通過計算將當前轉速s指（zhǐ）令值和轉動方向保存到內／Ⅲt參數／部雙字寄存器D5中，程序段如圖6麽型／所示。
圖6 PLC讀取指令轉速S程序段（duàn）
2．3 PLC編程及實現過程按照模塊化編程思想，將（jiāng）設計的主軸自動換擋（dǎng）程序作為整個PLC程序的一個子程序，並通過用戶參數P50．1的值進行調用。經現場多次調試與優化後，剩餘自動換擋子程（chéng）序梯形圖如圖7一圖9所示。圖7中D5為保存CNC係統反饋的當前轉速指令S寄存器，F402．15為（wéi）係統主軸零速標誌位寄存器。圖（tú）中1427行作用（yòng）是將從係統獲得的S指令轉速值單位轉換為RPM。圖8中1429。1432行，用來（lái）控（kòng）製主軸（zhóu）電機來回擺動（dòng）。如圖9所示是液壓控製的（de）程序段，通過控製（zhì）液壓撥叉實現自動換擋。
圖7檔（dàng）位判斷程序段
圖8執行換檔及主軸（zhóu）電機擺動控製程序段
圖9自動換擋機構液壓控製程序段
3、常見問（wèn）題及解決方案
結合現（xiàn）場調（diào）試經驗，對（duì）主軸自動換擋實現過程中常遇到的問題及解決方案（àn）總結如下：
(1)S指令數（shù）據獲取錯誤。根據ASSEM功能模塊的功能和參數意義，必（bì）須將參數l的值設定為2，即連續讀取F2570、F2571兩個字（zì）節中（zhōng）的值，才能正確獲（huò）取當前（qián）指令轉速s，包（bāo）括（kuò）方（fāng）向和大小。否則，PLC讀（dú）到（dào）的值不是加工程（chéng）序中的s值，如調試時，發現D5中的數（shù）據與加工程序中的（de）指（zhǐ）令轉速（sù）值不一（yī）致，經檢查，發現參數1被設定為l，修（xiū）改為2後問題解決。
(2)執（zhí）行換擋過（guò）程中主軸電機不（bú）能實現低速正反（fǎn）擺動。必須合理設定定時（shí）器或延時導通定時器的（de）定時時間及單位，才能控製主軸電機正反擺動，實（shí）現平穩換（huàn）擋，避免主軸出現較大衝擊。
(3)出現換擋超時（shí）報警。換擋超時（shí）報警的意義，在於通過設（shè）定定時器，保護主軸。根據（jù）電氣原理圖及液壓流程圖分析，可能存在（zài）的問題：①液壓電機未啟動，應檢查液壓電機（jī）控製繼電器是否得電；②液壓閥（fá）未打開，應檢查控製繼電器是否得（dé）電、排查液壓閥本身故障；③主（zhǔ）軸零速到達信（xìn）號一直沒有，需檢（jiǎn）查電路；④排查檔位到達接近開關是否存在故障（zhàng）。
(4)液壓低報警。由於壓力不（bú）到，不能推動液壓撥叉撥動齒輪換擋，觸發報警。需排查液壓電機、液壓閥及（jí）控製線路是否發生（shēng）故障。
4、結論
通過在引進的法國FOREST—LINE大型雙動（dòng）龍門數控銑床上實施配套國產化數控係統，為提高國產數（shù）控係統（tǒng）功能與可靠性水平積累了大量經驗。通（tōng）過本方案，在國產高檔數控（kòng）係統中實現了主軸自動（dòng）換擋功能（néng），在執行換擋過程中，控製主軸電機低速擺動，易於液壓撥叉推動齒輪實（shí）現穩定配合。在換（huàn）擋時，機械衝擊小，可靠性高（gāo），消除了主軸低速（sù）運（yùn）動換擋不穩定、主軸振動（dòng）明顯，以及對傳動係統齒輪強度和使用壽命造成的不利影響，提升（shēng）了國產數控係（xì）統（tǒng）在航空領域的應用水平。最後，對主軸自動換擋過程中常見的問（wèn）題進行了分析和總結，為國產數控係統安裝調試與維護提供了（le）重要實踐經驗。
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