数控机床主轴变速逻辑控制方法.pdf

一种数控机床主轴变速逻辑控制方法，包括下列步骤：读入新的主轴速度；检测并判断是否需换档，若否，主轴升速至新的转速；若是，主轴伺服电机停车降速；检测主轴速度是否低于程序确定的转速值，若否，继续延时降速；若是，PLC控制器发出换档指令，电磁铁顺序通电，分别控制低、高速级油缸驱动低、高速级齿轮级按顺序啮合；延时后，检测各齿轮级是否啮合到位，若是，主轴升速至新的转速；若否，主轴伺服电机开始摆动；重新检测各齿轮级是否啮合到位，若是，主轴升速至新的速度，换档完成；若一直为否，CNC命令控制单元产生故障报警，中断下一步程序执行。该方法利用主轴侧惯性实现自动变速，减少了能耗，节省了换档时间，延长了机床使用寿命，有效避免了主轴变速时出现的“顶齿”现象，自诊断能力强，安全可靠。

1、  一种数控机床主轴变速逻辑控制方法，在主轴尾端装有检测主轴转速的编码器，每个滑移齿轮的移动位置处设置实时监控变速齿轮位置的检测开关，其特征在于该变速逻辑控制方法包括下列步骤：
(1)从加工程序中读入新的主轴速度；
(2)检测当前齿轮位置状态，判断新的转速是否符合当前齿轮级情况，若检测结果为是，则将主轴直接升速至新的速度，进入下一工序程序；
(3)若步骤(2)中检测的结果为否，则将主轴伺服电机停车降速；
(4)检测主轴速度是否低于程序确定的转速值，若检测的结果为否，延时降速；
(5)若步骤(4)中检测的结果为是，PLC控制器发出换档指令，按编制的逻辑顺序程序给电磁阀站，电磁铁通电，分别控制低速级油缸驱动低速级齿轮级按顺序啮合，控制高速级油缸驱动高速级齿轮级按顺序啮合；
(6)经过可编程序控制器PLC中预先设置好的时间延迟后，检测各齿轮级是否啮合到位，若检测的结果为是，主轴伺服电机按新的主轴转速运行；
(7)若步骤(6)中检测的结果为否，主轴伺服电机开始摆动；
(8)重新检测各齿轮级是否啮合到位，若检测的结果为是，主轴升速至新的速度，整个变速换档过程完成，开始启动下一步执行程序；
(9)若步骤(8)中检测的结果一直为否，计算机数控系统CNC命令控制单元产生故障报警，中断下一步程序执行，显示相应故障信息、维修信息。

2、  根据权利要求1所述数控机床主轴变速逻辑控制方法，其特征在于上述步骤(4)所述主轴速度低于程序确定的转速值为20rpm。

数控机床主轴变速逻辑控制方法
技术领域    本发明涉及数控机床主轴变速系统，具体涉及一种数控机床主轴变速逻辑控制方法。
背景技术    目前，大多数控机床主轴变速系统，是根据加工要求所需的主轴转速，首先将主轴电机停车降速，延时至主轴箱中的全部运动件处于一个静止状态时，再通过液压拨叉推动滑移变速齿轮与相对应的啮合齿轮啮合，主轴再升速至新的速度，完成变速过程。在上述变速过程中，主轴停车时拨动滑移变速齿轮与啮合齿轮啮合时，往往会产生“顶齿”现象。为避免“顶齿”，机床上一般设置“点动”按钮或增设一台微电机，使主轴电机瞬时冲动接通或经微电机在拨叉推动滑移变速齿轮的同时带动各种传动齿轮做低速回转，这样，滑移变速齿轮才能顺利进入啮合。而完成一个变速过程中有多个这样的啮合环节，能耗大、工作效率低。在点动主轴的过程中，推动滑移变速齿轮的油缸并没有卸载，发生“顶齿”的齿轮之间在滑动中磨损甚至打齿，影响机床的使用寿命。为了达到应有的变速要求，操作工劳动强度大，辅助工作时间长。另外，滑移变速齿轮没有到位检测元件，还容易产生齿轮啮合不到位，甚至脱档。
发明内容    本发明的目的在于提供一种利用主轴侧惯性实现自动变速、节省能源、提高工作效率、增加换档可靠性、增长机床使用寿命的数控机床主轴变速逻辑控制方法，以解决数控机床主轴变速时出现的“顶齿”、耗时长、能耗高、换档可靠性差这一技术问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种数控机床主轴变速逻辑控制方法，在主轴尾端设有一检测主轴转速的编码器，每个滑移齿轮的移动位置处设置实时监控变速齿轮位置的检测开关，变速逻辑控制方法包括下列步骤：(1)从加工程序中读入新的主轴速度；(2)检测当前齿轮位置状态，判断新的转速是否符合当前齿轮级情况，若检测结果为是，则将主轴直接升速至新的速度，进入下一工序程序；(3)若步骤(2)中检测的结果为否，则将主轴伺服电机停车降速；(4)检测主轴速度是否低于程序确定的转速值，若检测的结果为否，返回步骤(3)延时降速；(5)若步骤(4)中检测的结果为是，可编程序逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller，以下简称PLC控制器)发出换档指令，按编制的逻辑顺序程序给电磁阀站，电磁铁通电，分别控制低速级油缸驱动低速级齿轮级按顺序啮合，控制高速级油缸驱动高速级齿轮级按顺序啮合；(6)经过PLC中预先设置好的时间延迟后，检测各齿轮级是否啮合到位，若检测的结果为是，主轴伺服电机按新的主轴转速运行；(7)若步骤(6)中检测的结果为否，主轴伺服电机开始摆动；(8)重新检测各齿轮级是否啮合到位，若检测的结果为是，主轴升速至新的速度，整个变速换档过程完成，开始启动下一步执行程序；(9)若步骤(8)中检测的结果一直为否，计算机数控系统CNC(Computer Numerical Control，以下简称CNC)命令控制单元产生故障报警，中断下一步程序执行，显示相应故障信息、维修信息。
上述步骤(4)所述主轴速度低于程序确定的转速值为20rpm。
上述数控机床主轴变速逻辑控制方法，是通过PLC控制器实现主轴自动变速逻辑控制的。由于在主轴电机停止后，机床的运行系统依靠主轴侧惯性的运动呈现由高到低的递减现象，依靠这一惯性实现机床的自动变速，减少了能耗，节省了换档时间。在完成低速级齿轮变速后，再进行高速级齿轮变速时，由于荷载、速度降低，这时通过延时调整，油缸推移滑移变速齿轮实现变速，这种变速实现的可能性达90％；若出现换档不到位，再通过检测开关检测齿轮的位置，让主轴电机低速摆动，使滑移变速齿轮与主齿轮啮合，保证了换档变速的可靠性，彻底避免了“顶齿”现象，自诊断能力强。该方法不仅能够方便可靠地实现主轴的自动变速控制，满足数控机床高速、高效加工的要求，而且减轻了工人劳动强度，提高了工作效率以及可靠性，增长了机床使用寿命。
本发明将结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的、特征及优点进行更深入的理解。
附图说明    图1为主轴变速逻辑控制装置的结构示意图
            图2为主轴变速逻辑控制方法的流程图
            图3为实现本发明变速逻辑控制方法的实施例变速系统图
具体实施方式    如图1所示，变速逻辑控制装置包含一主轴箱组合体，其内有主轴单元101、高速齿轮级103(包含高速级滑移齿轮及与其啮合驱动主轴的相关齿轮)、低速齿轮级104(包含低速级滑移齿轮及与其啮合驱动主轴的相关齿轮)、驱动高速级滑移齿轮的高速级油缸105以及驱动低速级滑移齿轮的低速级油缸106。主轴箱上装有位置编码器100，用来实时监控主轴的转速，实时地反馈至CNC控制单元110，另外箱体外侧装有换挡到位检测开关102，能实时地检测各滑移齿轮的位置及时反馈其位置状态。PLC控制器108主要是连接CNC控制单元110及电磁阀站107、到位检测开关102的桥梁，通过内部总线电缆连接CNC控制单元110，把CNC控制单元110的信息及时读入PLC内部处理器，按事先输入的逻辑控制程序实时管理电磁阀站107各电磁铁通电状态，采集各滑移齿轮的状态位置，实时反馈给CNC控制单元110，经CNC内部中央处理器实时控制主轴伺服电机109的运行状况。
如图1、图2所示，步骤201为初始状态，CNC控制单元110在执行加工程序启动后，经步骤202从加工程序中读入新的主轴速度。在步骤203中，PLC控制器108采集当前齿轮到位检测开关102位置状态，执行PLC程序，判断新的转速是否符合当前齿轮级情况，如果符合当前齿轮级就经步骤212控制主轴直接升速至新的速度，进入下一工序程序；如果不符合当前的齿轮级情况，PLC控制器108把信息反馈至CNC控制单元110，经步骤204控制主轴伺服电机109停车降速，在步骤205中，与主轴连接的编码器100实时监测主轴速度是否低于20rpm，如果低于20rpm转速，经步骤206，PLC控制器108按编制的逻辑顺序程序给电磁阀站107，电磁铁通电，分别控制低速级油缸106驱动低速级齿轮级104按顺序啮合，控制高速级油缸105驱动高速级齿轮级103按顺序啮合，在步骤207中，经过PLC程序预先设置好的时间延迟后，PLC控制器108在步骤208中，实时读取到位检测开关102状态，判断各齿轮级是否啮合到位，如果啮合到位，则进入步骤212中，CNC控制单元110控制主轴伺服电机109按新的主轴转速运行；如果未啮合到位，则进入步骤209中，CNC控制单元110控制主轴伺服电机109开始摆动，直至在步骤210中，重新确认是否啮合到位，如果啮合到位进入步骤212，主轴升速至新地速度，整个变速换档过程完成，在步骤213中，PLC控制器108报告CNC控制单元110变速完成，开始启动下一步执行程序。如果啮合一直不能到位，从步骤210进入步骤211中，给CNC控制单元110产生故障报警，中断下一步程序执行，CNC控制单元110的人机界面上显示相应故障信息、维修信息。
如图3所示，以一个实施例变速系统的实现过程，来进一步说明本发明提供的主轴变速逻辑控制方法。该主轴变速传统系统的主轴箱内包括主轴伺服电机309、皮带及皮带轮301、302以及高速级齿轮303、304、305和低速级齿轮306、307、308。主轴在运转时接到变速指令后，主轴伺服电机309停车减速，当主轴速度低于程序确定20rpm时，电磁阀顺序断电，首先将低速滑移齿轮306脱开，再将高速级滑移齿轮305脱开，PLC控制器再按编制的逻辑顺序程序给电磁阀站，电磁铁顺序通电，分别控制低速级油缸驱动低速级滑移齿轮306与低速级齿轮307或308啮合到位，控制高速级油缸驱动高速级滑移齿轮305与高速级齿轮303或304啮合到位。如果检测元件检测换档未到位，通过PLC控制器控制主轴伺服电机309做间歇性摆动，重新确认换档已到位后，停止主轴伺服电机309的间歇性摆动，整个换档过程完成。如果啮合一直不能到位，给CNC控制单元产生故障报警，中断下一步程序执行，CNC控制单元的人机界面上显示相应故障信息、维修信息。