关于机床结构的论文

主轴是机床的高速旋转运动机构，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、形位公差和切削力，需要有不同的主轴转速。主轴的变速一般通过电控或变速箱来实现。电控主轴直接利用变频系统控制主轴的转速，而主轴变速箱利用不同的齿轮组合实现几个档位不同转速的控制。许多机床采用主轴齿轮箱的形式。主轴速度和输出功率必须匹配。如果采用单一传动比，可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的速度和功率，必须采用不同的齿轮组合。

今年年初，我们成功完成了一台五轴数控龙门铣床的技术改造。其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK 840C数控系统，坐标和主轴驱动为西门子SIMODRIVER 611A。根据机床主轴移位结构和控制系统的特点，通过内置的PLC控制程序自动控制主轴移位。

1主轴变速机构

该机床的主轴变速机构由两个双向电磁阀(SOL1 ~ SOL4)控制，分别驱动两个齿轮组上下运动。每个齿轮组有两个位置，改变齿轮比产生四速旋转。四个档位检测开关(SW1 ~ SW4)安装在主轴箱内。压力继电器(PS1)检测换档液压。其档位结构见图1。

2控制系统的信号和数据接口

控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间通过数据块传输信息。机床的输入输出点连接到PLC的输入输出模块。数控系统向主轴发送速度指令电压。系统的主轴数据块存储了主轴移位的相关数据，这些数据可以通过PLC程序实时操作。该系统可以有8速控制。机床采用四个档位，相邻档位之间可以有转速交叉。

为了实现主轴的自动换档，在机床数据中预设了主轴的四个换档速度范围。NC控制系统根据不同的档位向主轴驱动装置发送不同的指令电压，对应主轴电机的不同转速。

输入信号:档位检测信号SW 1 ~ SW4，换挡液压PS1，主轴电机停止Nmin，实际主轴电机转速Nact；

输出信号:换档电磁阀SOL1 ~ SOL4，电机驱动指令电压Vist。

系统的主轴数据块包括摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前档位、换挡命令、目标档位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止、主轴PLC控制等数据。控制系统的信号流如图2所示。

系统可以使用SW1 ~ SW4检测开关的状态组合码作为当前主轴档位的标志。电磁阀和检测开关的状态见表1。

表1主轴移位状态移位号sol 1 sol 2 sol 3 sol 4 SW 1 sw2 SW 3 SW 4

一档101010100

二档0 1 1 000 1 1 0。

三档10011001

四档0 1 1 1 1。

3号主轴自动换挡的PLC实现

主轴变速的控制过程在PLC中实现。PLC收到NCK发出的移位命令后，首先检查主轴电机是否处于停止状态。如果未停止，PLC会向主轴发送“主轴禁止”命令，以停止主轴。PLC设置特定的定时器，根据目标档位，向相应的换挡液压缸(SOL1 ~ SOL4)发出输出命令，驱动相应的档位移动。同时启动主轴摆动模式，设定摆动频率，在运动过程中使齿轮啮合。定时器到时后，PLC检测相应档位开关是否有效。如果有效，则表示换挡档位接合到位，向NCK报告换挡有效，并在数据块中填写“当前档位”。此时，主轴自动进入下一个速度。否则，PLC进行错误报警处理。主轴变速控制流程如图3所示。

在PLC的设计中，必须注意:

为了避免主轴移位的混乱，在PLC程序的初始化模块中，系统一上电就扫描机床的档位检测开关，在数据块中设置“当前档位”来初始化系统状态。

在移动运转的主轴之前，必须将主轴的转速降至零，否则会损坏齿轮。

在主轴转到下一个速度之前，相应的换档油缸必须移动到正确的位置，以接合相应的齿轮。

为了更好的啮合，油缸控制主轴在运动过程中轻微前后摆动，可以缩短换挡时间，避免齿轮硬顶带来的冲击和精度损伤。

4结论

目前国内机床的大范围改造都会涉及到主轴移位的问题。适当控制主轴偏移，不仅可以提高机床的加工精度，还可以延长主轴的使用寿命。

根据西门子840C控制数据接口和机床换挡机构的特点，采用机电一体化，通过PLC程序的设计，实现了只要在数控编程中写入主轴转速，数控系统就会自动换挡。改造后的主轴换挡自如，运行可靠。对换挡过程中油缸行程不到位、换挡压力不够有及时的报警提示和错误处理。机床主轴的自我保护功能是设计者必须注意的问题。换挡可能存在液压问题，比如换挡压力不足，液压电磁阀故障，导致油缸不到位。当班超时时，系统应给出明确的报警，禁止主轴换挡，以保护主轴。在换挡过程中，巧妙利用主轴的摆动方式，可以实现灵活换挡。同时，应使用定时器定期检查输出命令的响应。