數(shù)控智能車床主軸液壓變擋控制及典型故障分析

張秀印

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

為了滿足數(shù)控車床主軸切削時低速大轉(zhuǎn)矩與高速大功率的要求，中大型數(shù)控臥式車床主軸通常采用兩級或三級齒輪傳動變速機(jī)構(gòu)。主軸變擋方式分為手動變擋和自動變擋。隨著科技的快速發(fā)展和自動化程度的不斷提高，主軸自動變擋的應(yīng)用越來越普及。目前，數(shù)控臥式車床主軸自動變擋的控制方式主要包括電磁離合器控制、液壓撥叉控制及液壓缸控制，也有部分?jǐn)?shù)控臥式車床采用氣缸控制或電動機(jī)控制。

數(shù)控臥式車床主軸采用液壓缸控制的自動變擋時，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)主軸指令、轉(zhuǎn)速，通過比較判斷，自動更換主軸擋位，自動化程度高。一旦出現(xiàn)故障，涉及數(shù)控系統(tǒng)、主軸驅(qū)動器、機(jī)械、液壓和電氣等多方面因素，故障診斷十分復(fù)雜。為了更加方便快捷地處理這些故障，減少設(shè)備安裝調(diào)試的時間，提高設(shè)備的使用效率，以沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一臺數(shù)控臥式車床（配置GJ430數(shù)控系統(tǒng)和CTB主軸驅(qū)動器）為例，分別介紹數(shù)控臥式車床主軸齒輪變擋的傳動結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、主軸驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置、自動變擋流程、PLC控制程序及典型故障分析與處理方法。

圖1 液壓變速主軸箱主傳動系統(tǒng)示意

2 主軸齒輪通過液壓缸實(shí)現(xiàn)變速的傳動結(jié)構(gòu)

該數(shù)控臥式車床是通過液壓缸來實(shí)現(xiàn)變速的，主傳動系統(tǒng)如圖1所示。主傳動使用的是超同步主電動機(jī)。液壓變速主軸箱齒輪參數(shù)見表1。

表1 液壓變速主軸箱齒輪參數(shù)

機(jī)床的主傳動由主電動機(jī)經(jīng)1∶2.5的帶輪傳至主軸箱Ⅰ軸，Ⅰ軸經(jīng)過多級齒輪將動力傳至主軸Ⅳ；Ⅱ軸上裝有三聯(lián)滑移齒輪，齒輪在Ⅱ軸上的移動是由四位變速液壓缸推動的。每個位置有對應(yīng)的行程開關(guān)，用來觸發(fā)擋位信號。液壓缸的位置變化由電磁換向閥控制。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M41指令，主軸低速旋轉(zhuǎn)，延時后YV22電磁閥帶電，擋位開關(guān)GR1工作，主軸停止旋轉(zhuǎn)，變擋完成；數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M42指令，主軸低速旋轉(zhuǎn)，延時后YV23電磁閥帶電，擋位開關(guān)G R2工作，主軸停止旋轉(zhuǎn)，變擋完成；數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M43指令，主軸低速旋轉(zhuǎn)，延時后YV20、YV23電磁閥帶電，擋位開關(guān)GR3工作，主軸停止旋轉(zhuǎn)，變擋完成；數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M40指令，主軸低速旋轉(zhuǎn)，延時后YV21、YV23電磁閥帶電，擋位開關(guān)GR0工作，主軸停止旋轉(zhuǎn)，變擋完成。液壓變擋電氣組合見表2。

表2 液壓變擋電氣組合

主電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍是300～4500r/min，其中1500r/min為額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)圖1中的主傳動關(guān)系和表1中的具體齒輪參數(shù)，結(jié)合表2，可以計(jì)算出每個擋位的最低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。

1）當(dāng)液壓缸在最左端時，齒輪7與齒輪8相嚙合，主軸處于M41即低速擋位。主軸的最低轉(zhuǎn)速為5r/min，額定轉(zhuǎn)速為29r/min，最高轉(zhuǎn)速為87r/min，轉(zhuǎn)速范圍為5～87r/min。

2）當(dāng)液壓缸在最右端時，齒輪3與齒輪4相嚙合，主軸處于M42即中速擋位。主軸的最低轉(zhuǎn)速為15r/min，額定轉(zhuǎn)速為77r/min，最高轉(zhuǎn)速為230r/min，轉(zhuǎn)速范圍為15～230r/min。

3）當(dāng)液壓缸處于中間位置時，主軸處于M43即高速擋位。主軸的最低轉(zhuǎn)速為34r/min，額定轉(zhuǎn)速為169r/min，最高轉(zhuǎn)速為500r/min，轉(zhuǎn)速范圍為34～500r/min。

3 主軸液壓自動變擋的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

該數(shù)控臥式車床采用GJ430數(shù)控系統(tǒng)，主軸自動變擋的變擋動作既可以通過M代碼完成，也可以通過S指令完成（通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)414=1或0切換）。M代碼實(shí)現(xiàn)主軸變擋控制時，液壓電磁閥與擋位開關(guān)的組合見表2。S指令實(shí)現(xiàn)主軸變擋控制時，各個擋位的液壓電磁閥和擋位開關(guān)組合與M代碼控制方式相同。無論是S指令，還是M代碼，都是數(shù)控系統(tǒng)向內(nèi)置PLC輸出變擋位信號，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的具體擋位參數(shù)設(shè)置，由PLC邏輯判斷是否執(zhí)行主軸變擋動作。為了能正確地完成主軸自動變擋動作，需要根據(jù)主軸箱齒輪傳動鏈及主軸傳動帶的降速比設(shè)定正確的數(shù)控系統(tǒng)及主軸驅(qū)動參數(shù)。

該數(shù)控臥式車床采用超同步4030G H5B主軸驅(qū)動器和Z18系列主電動機(jī)，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，需要修改驅(qū)動器參數(shù)A3.23（驅(qū)動器輸入10V模擬電壓時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速）為4500r/min。

4 主軸液壓變擋控制流程與PLC程序

不同數(shù)控機(jī)床主軸變擋的控制流程都基本相同，PLC程序也大同小異。下面詳細(xì)介紹這臺數(shù)控臥式車床主軸液壓變擋的控制流程與PLC程序。

1）變擋指令信號輸出。數(shù)控系統(tǒng)在MDI方式或自動加工程序中執(zhí)行了主軸變擋指令，變擋信號就會輸出。變擋指令包括S指令和M代碼，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)No.405～No.407的設(shè)置，當(dāng)指令S≤87時，數(shù)控系統(tǒng)輸出主軸一擋信號F7.4，即F7.4=1；當(dāng)指令87＜S≤230時，數(shù)控系統(tǒng)輸出二擋信號F7.5，即F7.5=1；當(dāng)指令230＜S≤500時，數(shù)控系統(tǒng)輸出三擋信號F7.6，即F7.6=1。M41為主軸一擋指令，M42為主軸二擋指令，M43為主軸三擋指令，M40為主軸空擋指令。

2）PLC程序讀取變擋指令信號，判斷處理。

3）PLC程序執(zhí)行變擋控制。當(dāng)變擋指令與當(dāng)前實(shí)際擋位不一致時，P L C程序需要執(zhí)行變擋動作。變擋過程中，需要增加安全互鎖，如增加復(fù)位數(shù)控系統(tǒng)信號G3.1，即G3.1為0時，CNC（數(shù)控系統(tǒng)）不能傳送輔助功能碼等。PLC程序執(zhí)行變擋控制時，首先設(shè)定主軸變擋速度，接著起動主軸，延時后切換電磁閥。①主軸變擋速度設(shè)定。G5是數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)加給主軸的電壓信號，設(shè)定為1～2V即可。變擋時電動機(jī)轉(zhuǎn)速為450～900r/min。②主軸變擋正轉(zhuǎn)起動（見圖2）。主軸變擋起動信號R0193.5=1，經(jīng)過延時R0195.6=1，觸發(fā)R0192.5=1，即觸發(fā)Y0002.6=1，Y0002.6是主軸驅(qū)動器的使能信號。主軸驅(qū)動器設(shè)定為模擬量控制方式，接收到模擬電壓，同時觸發(fā)使能，主軸電動機(jī)就會起動旋轉(zhuǎn)。③切換液壓電磁閥。主軸起動旋轉(zhuǎn)后，延時起動液壓閥控制。為了使主軸擋位在斷電后能保持在正確位置，PLC中使用了可保持中間繼電器。實(shí)際應(yīng)用中使用三位電磁閥時，可忽略保持型中間繼電器K。

圖2 主軸變擋正轉(zhuǎn)起動

4）PLC主軸變擋執(zhí)行完成。PLC在執(zhí)行變擋過程中，實(shí)際擋位信號狀態(tài)與指令值相同時，換擋動作執(zhí)行完成。此時，反饋數(shù)控系統(tǒng)擋位確認(rèn)信號，PLC應(yīng)答，數(shù)碼管顯示當(dāng)前實(shí)際擋位。

5 主軸液壓自動變擋典型故障狀態(tài)及分析

數(shù)控機(jī)床主軸的變擋故障大體分為三種：一是執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸不轉(zhuǎn)，延時保護(hù)后報警停止；二是執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸低速轉(zhuǎn)、不停，延時保護(hù)后報警停止；三是執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸變擋完成，但擋位轉(zhuǎn)速指令值與實(shí)際值不一致。下面結(jié)合該數(shù)控臥式車床的參數(shù)設(shè)定、PLC程序與電路圖，逐個分析并解決這些故障。

1）執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸不轉(zhuǎn)，延時保護(hù)后報警停止。

分析主軸不轉(zhuǎn)的原因，主要包括：數(shù)控系統(tǒng)模擬電壓沒有輸出或者輸出值偏小；PLC輸出回路故障，如輸出口接線和繼電器接線有問題；主軸驅(qū)動器使能端子沒有電源。

對應(yīng)的解決方法如下：診斷數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)1123（數(shù)控系統(tǒng)輸出電壓值），主軸變擋時，主軸旋轉(zhuǎn)速度值由信號G5設(shè)定，如發(fā)現(xiàn)參數(shù)1123中的數(shù)值較小，可調(diào)整模擬電壓偏移參數(shù)413，切忌調(diào)整G5的設(shè)定值，避免設(shè)置過大，出現(xiàn)齒輪打齒情況；根據(jù)電路圖，檢查PLC輸出口管腳號、繼電器線圈極性和繼電器開閉點(diǎn)接線；主軸驅(qū)動器使能端子使用外部電源時，公共端也要接線，通過驅(qū)動器診斷參數(shù)U2.03可以診斷使能端子的工作狀態(tài)。

2）執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸低速轉(zhuǎn)、不停，延時保護(hù)后報警停止。

分析主軸低速轉(zhuǎn)、不停的原因，主要包括：主軸擋位開關(guān)沒有輸入信號；液壓缸沒有停在正確的位置。

根據(jù)分析出的原因，對應(yīng)的解決方法如下：復(fù)位主軸變擋指令，按壓擋位行程開關(guān)，診斷PLC輸入點(diǎn)信號，如果沒有信號則根據(jù)圖樣檢查接線，如果有信號則檢查機(jī)械安裝是否正確；檢查液壓變擋油箱的壓力、流量，拔掉閥頭，手動對閥，檢查液壓缸動作，即液、電分開檢查，按先液壓后電氣的順序進(jìn)行。

3）執(zhí)行主軸變擋指令后，主軸變擋完成，但擋位轉(zhuǎn)速指令值與實(shí)際值不一致。

分析擋位轉(zhuǎn)速指令值與實(shí)際值不一致的原因，主要包括：擋位開關(guān)與電磁閥同步錯誤；數(shù)控系統(tǒng)擋位參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；主軸驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；主軸編碼器線數(shù)設(shè)置不當(dāng)；編碼器硬件存在故障。

根據(jù)分析出的原因，對應(yīng)的解決方法如下：調(diào)整擋位開關(guān)和電磁閥到正確位置；檢查核對數(shù)控系統(tǒng)擋位參數(shù)No.405～No.407；檢查核對主驅(qū)動參數(shù)A3.23，根據(jù)實(shí)際需要正確設(shè)置；檢查核對數(shù)控系統(tǒng)No.403，根據(jù)編碼器型號正確設(shè)置；檢查并測量編碼器電纜及編碼器。

6 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床主軸自動變擋的應(yīng)用十分普遍，可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩與高速大功率車削。不論是設(shè)計(jì)調(diào)試人員，還是設(shè)備維修和維護(hù)人員，掌握主軸變擋的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制原理、參數(shù)設(shè)置、動作流程、故障分析及處理方法都是十分必要的。