利用西门子 828D系统实现机床主轴电动换挡功能

刘宁

（沈阳机床股份有限公司沈一车床厂，辽宁沈阳 110142）

【摘要】：本文阐述了利用西门子828D系统对机床电动主轴箱的换挡控制，并介绍其中的设置技巧。

【关键词】自动换挡主轴箱 系统的连接 换挡信号 PLC控制

1引言

数控机床加工越来越方便，其中主轴箱部件有很多种，有单主轴的主轴箱，也有多主轴的主轴箱，有手动去换挡的主轴箱，也有电动去换挡的主轴箱，电动换挡的主轴箱自动化控制方面很高效，本文主要介绍利用西门子828D系统对机床电动主轴箱进行电动换挡的控制方法，以及一些控制中的设置技巧。

2机床主轴箱

机床在进行加工时，需要主轴进行旋转控制，主轴的旋转是靠主轴电机来带动皮带旋转，皮带转动后，主轴箱内齿轮进行旋转，在多主轴的主轴箱内，齿轮数会有很多，有的是4,5个以上，有的是7,8个以上，不同齿轮进行咬合后，输出的传动比不一样，有的传动比大，有的传动比小，有的是大齿轮带动小齿轮进行旋转，有的是小齿轮带动大齿轮进行旋转，齿轮的模数要保持一致，齿轮的精度也要达到要求，如果精度达不到要求，那么齿轮在旋转时主轴箱会有很大的噪音，在现场比较安静时，噪音会显得更高，所以齿轮在加工后精度一定要达到设计要求。主轴箱箱体有很多个面，每个面的加工需要铣削端面操作，通过铣削端面操作把外端面加工平整，有的面上要安装一些零件如标牌，有的面要安装主轴，挡圈等，主轴箱内除了几个位置需要加工外，其余位置可以不加工，齿轮安装上后，主轴及轴承也要按精度要求安装在主轴箱内，电动主轴箱是在主轴箱内安装电气控制元件，通过电气控制原来来带动拨叉来移动，当拨叉移动后会带动相应的齿轮进行移动，齿轮在移动后，移动到相应的另一个齿轮上，这里移动时，不能在齿轮静止的状态下移动，要让齿轮在旋转状态下进行移动，因为齿轮在静止状态下移动时，两个齿轮的齿会发生碰撞，当碰撞比较大的时候，两个齿轮的碰撞会发出很大的响声，为了防止碰撞后产生响声，或者产生碰撞使齿轮发生损坏的情况，我们在进行对两个齿轮咬合的时候，要保证两个齿轮在运动的状态下进行咬合，也就是两个齿轮要发生旋转，这里就要在拨叉进行拨动的时候，主轴电机要进行旋转，主轴电机旋转后通过皮带进行连接一个主轴，被连接的主轴在皮带的带动下进行旋转，主轴上的齿轮在主轴的旋转后也进行旋转运行，这时，拨叉带动一个齿轮向另一个齿轮移动进行咬合时，当两个齿轮在靠近时，齿轮的齿会在齿轮旋转过一个合适的角度后，两个齿进行咬合操作，这个时候，两个齿轮就能够很好的进行咬合，不同的大小的齿轮咬合后，会组成不同的传动比，不同的传动比会组成不同的档位，比如大齿轮带动一个小齿轮再带动一个小齿轮后，输出的传动比是2:1，那么这个齿轮传动链就构成了一个主轴档位，相应的一个小齿轮带动一个大齿轮，再带动一个大齿轮后组成的传动比是1:2，那么这个传动链就组成了另一个主轴档位，如果主轴箱内有两个这样的传动链，这个主轴箱就有两个主轴档位，如果有三个这样的传动链，主轴箱就有三个主轴档位，主轴箱的档位多少根据加工要求来进行设定。在不同的传动链进行切换时，也就是主轴箱的换挡控制，主轴箱的换挡操作就是把不同的齿轮安装设计好的传动链进行咬合，不同的齿轮进行咬合切换是换挡控制的要求，换挡当中还伴随主轴旋转，信号收集等操作，需要系统配合才能对主轴箱的档位进行自动切换控制。

3西门子828D系统的连接

要想对机床主轴箱的换挡进行自动化控制，要用到数控系统，我们这里选择用西门子828D系统来进行控制，主轴箱的换挡中，主轴的旋转，拨叉的拨动，以及信号的收集，档位的设定，速度的输出都要用数控系统来控制。主轴的旋转需要数控系统的模拟主轴接口来控制，在西门子828D系统的后面有X252接线端子排，在这个接线端子排上有模拟电压的0到10V直流电压输出，这个直流电压输出大小与主轴每个档位的最高转速一一对应，0到10V电压输出的小时，每个档位的输出转速也相应的小，0到10V电压输出的大时，每个档位的输出转速也相应的大，输出转速是通过电缆线接到X252接线端子排的管脚上，模拟电压通过X252接口输送到电缆，电缆连接到变频器的模拟电压接口上，变频器接到模拟电压后会产生相应的频率输出，在系统输出正反转指令后，变频器上接到正反转信号后，变频器就会带动主轴电机进行旋转，主轴电机旋转后会带动皮带进行旋转，从而带动主轴和齿轮进行旋转。拨叉的移动是通过系统发出的拨叉移动信号来实现的，系统端的PN1口用总线连接PP72/48接口，通过数字输出点的导通带动继电器导通，从而带动拨叉的移动操作。信号的收集时，外部开关信号要通过电缆连接到PP72/48的通信接口上面，在连接时注意不要连接造成短路，主轴档位到位信号是指主轴换挡到指定位置时，外部位置开关会导通，信号返回后，系统会知道当前信号的状态，通过这个状态系统可以知道主轴当前的档位，这些信号开关可以按一定的组合规律来组成相应的主轴档位反馈信号，比如第一个和第三个开关信号导通后，表示主轴箱内档位正处于第一档位，比如第一个和第四个开关信号导通后，表示主轴箱内档位正处于第二档位，档位设定在系统内部完成，系统连接时还要注意系统供电电源的稳定性，保持系统安全工作。

4主轴换挡信号

系统换挡信号有输入信号和输出信号，输入信号是外部器件反馈给系统的信号，输出信号是系统输出给外部器件的指令信号。输出信号用来控制换挡当中的拨叉移动，在输出时要注意输出的可靠性，避免电磁干扰和电缆损坏的现象。输入信号是换挡完成后，外部开关送回到数控系统的档位信号，开关可以选择无触点开关，无触点开关可以在部件移动时不用碰撞就可以发出信号，减少了损坏的情况发生，对部件有很好的保护作用。无触点开关为光电开关，有高电平导通的，也有低电平导通的，在高电平到同时，信号会发出高电压进行导通，系统就能够收到高电平信号，得知主轴正处于哪个档位上。档位开关安装在主轴箱内，要用安装板安装在箱体的箱筋上，当齿轮咬合到位后，在拨叉上的档杆会与无触点开关相感应，使无触点开关导通，反馈给系统。无触点开关和拨叉上的档杆之间的距离要进行适当的调整，距离过于近的时候，有可能损坏无触点开关，距离太远时有可能无触点开关不能导通，系统接收不到无触点开关反馈回来的信号，所以在调整到对应位置时要适当调整档杆和无触点开关的位置和高度，保证档杆和无触点开关接触的合理性，保证档位开关信号能够反馈给系统，同时也要避免信号在返回时候遇到干扰，以免发生错误的动作输出，在干扰信号比较强烈的时候，把电缆线做成屏蔽信号电缆，提高信号的抗干扰性，保证信号的稳定传输。

5 PLC的控制

在用系统控制主轴箱换挡时，PLC要对主轴正反转信号进行处理，信号DB380X.DBX4.7是PLC发出的正向移动命令，信号DB380X.DBX4.6是PLC发出的负向移动命令，在换挡时要激活信号DB3200.DBX6.1，使通道处于读入禁止状态，等到主轴箱档位换到位后，再解除读入禁止信号，在档位换挡完成后，把对应的档位设置到系统当中，激活信号DB380X.DBB2000,使主轴箱对应的每个档位在系统中激活，在激活每个主轴档位后，在对应的档位参数35130中设置每个档位的主轴最高速度，然后系统输出指令后主轴可旋转。

6结论

通过对机床电动主轴箱的自动换挡控制后，主轴箱的几个档位能够在数控系统的控制下实现自动换挡，换挡时的速度大小可以调整，档位的输出速度可以用系统参数和变频器参数来控制，提高了加工的效率。

参考文献：

1．《自动控制原理》张冬妍 主编 机械工业出版社 2011-7-1

2．《SINUMERIK828D简明调试手册》系统资料系列 版本10.2015