主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關(guān)鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)量。在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉(zhuǎn)速。主軸的變速一般采用電控或變速箱來實現(xiàn)。電控主軸直接采用變頻系統(tǒng)控制主軸的轉(zhuǎn)速，而主軸變速箱則采用不同的齒輪組合實現(xiàn)幾擋不同轉(zhuǎn)速的控制。許多機床采用主軸變速箱形式。主軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，但不可能充分利用主軸電機的功率。為了兼顧主軸的轉(zhuǎn)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臺五坐標數(shù)控龍門銑床的技術(shù)改造。其主軸采用變速箱變速，控制系統(tǒng)為西門子SINUMERIK 840C數(shù)控系統(tǒng) ，坐標及主軸驅(qū)動采用西門子SIMODRIVER 611A。根據(jù)該機床的主軸換擋結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，通過內(nèi)置式PLC控制程序，對主軸換擋進行了自動控制處理。
        1  主軸換擋機構(gòu)
        該機床的主軸換擋機構(gòu)由兩個雙向電磁閥(SOL1～SOL4)控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產(chǎn)生4擋轉(zhuǎn)速。在主軸箱內(nèi)安裝了4個擋位檢測開關(guān)(SW1～SW4)。壓力繼電器(PS1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結(jié)構(gòu)見圖1。
        2   控制系統(tǒng)的信號與數(shù)據(jù)接口
        控制系統(tǒng)由NCK和PLC模塊組成，它們之間靠數(shù)據(jù)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系統(tǒng)給主軸發(fā)出速度指令電壓。系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊中存放有主軸換擋的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過PLC程序，對這些數(shù)據(jù)進行實時操作。系統(tǒng)可以有8擋轉(zhuǎn)速控制。該機床采用了其中4擋，相鄰擋位間可以存在轉(zhuǎn)速的交叉。
        為實現(xiàn)主軸的自動換擋，在機床數(shù)據(jù)中預先設置了主軸4個換擋轉(zhuǎn)速范圍。NC控制系統(tǒng)依據(jù)不同的擋位給主軸驅(qū)動裝置發(fā)出不同的指令電壓，對應主軸電機不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)Nmin，主軸電機實際轉(zhuǎn)速Nact；
        輸出信號：換擋電磁閥SOL1～SOL4，電機驅(qū)動指令電壓Vist。
        系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊包含擺動速度、擺動頻率、內(nèi)置換擋范圍、當前擋位、換擋命令、目標擋位、換擋結(jié)束標志、主軸電機運行狀態(tài)、主軸禁止和主軸PLC控制等數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)的信號流見圖2。
        系統(tǒng)可采用SW1～SW4檢測開關(guān)的狀態(tài)組合編碼作為當前主軸擋位的標志。電磁閥及檢測開關(guān)狀態(tài)見表1。
        表1 主軸換擋狀態(tài) 換擋號 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4