数控铣床主轴自动换挡控制及常见故障诊断

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为了提高主轴低速时的输出转矩，满足主轴低速大转矩的切削要求，在大中型数控机床中，主轴通常采用2级或 3级齿轮换挡传动。相对于数控车床而言，数控铣床 (加工中心)主轴换挡是系统 自动根据主轴指令转速判别和更换挡位的，自动化程度更高，-旦出现故障，则可能涉及数控系统、机械、电气、液压等多方面原因，故障诊断更复杂。要解决好此类故障，维修人员必须掌握数控铣床 (加工中心)主轴换挡的控制原理、常见故障的诊断方法及实际处理过程。下面以台湾协宏机床厂-龙门铣床 (配置FANUC 0iMB数控系统)为例，介绍数控铣床 (加工中心)主轴齿轮换挡切换传动原理、主轴换挡的系统参数设定、自动换挡 PMC控制以及典型故障的分析和诊断方法。

1 数控铣床主轴齿轮换挡切换传动原理1-主轴2-主轴上的大齿轮3- 中间轴4-滑移齿轮上的小齿轮 8号-滑移齿轮上的大齿轮电动机轴7- 电机上的齿轮8-主轴电机9-滑移齿轮轴承套lO-主轴上的小齿轮9/ l0图 1为台湾协宏机床厂某型龙门铣床的主轴自动换挡结构简图。该机床主轴为2级齿轮换挡传动：主轴电动机8与主轴箱的电动机轴6连接，通过电动机轴上的齿轮与滑移齿轮的大齿轮5啮合，把主轴电动机转速传到主轴箱，再通过主轴箱的中间轴上的滑移齿轮的大齿轮5与主轴上的小齿轮 10啮合，实现主轴高速挡控制；滑移齿轮上的小齿轮4与主轴上的大齿轮2啮合，实现主轴的低速挡控制。

图1 龙门数控铣床主轴自动换挡结构简图 图2 主轴自动换挡液压拨叉控制结构简图收稿 日期：2011-10-20作者简介：黄登红 (1974-)，硕士，副教授，主要从事数控加工和维修。E-mail：hdh1974106###126.corn。

· 128· 机床与液压 第41卷主轴高速和低速挡位的切换控制采用液压拨叉来实现自动控制，具体结构如图2所示。图中为空挡状态。当主轴速度要切换到高速时，液压缸4高速口进油，液压缸活塞杆5上移，通过换挡带动环3带动液压拨叉传动轴9移动，从而带动滑移齿轮2上移，滑移齿轮上的大齿轮与主轴上的小齿轮啮合，实现高速控制，同时高速挡到位开关6接通，向系统发出高速挡到位信号，完成主轴高速挡切换控制。当主轴速度要切换到低速时，液压缸4低速口进油，液压缸活塞杆5下移，通过换挡带动环3带动液压拨叉传动轴9移动，从而带动滑移齿轮2下移，滑移齿轮上的小齿轮与主轴上的大齿轮啮合，实现主轴低速控制，同时低速挡到位开关 8接通，向系统发出低速挡到位信号，完成主轴低速挡切换控制。

2 数控铣床主轴齿轮自动换挡相关系统参数设定数控铣床 (加工中心)主轴换挡切换-般采用M型换挡 (系统参数 3706#40)，即数控系统依据s指令和各挡位切换参数，确定主轴挡位，并将挡位信号送到PMC，由PMC控制换挡机构进行换挡。因此，为确保换挡正常，应首先根据机床设计要求正确设定相关挡位切换参数。

该数控铣床主轴电动机为 a12/6000i，电机最高转速为6 000 r/min。高速挡主轴与主轴电动机之间的齿轮传动比为 1：1；低速挡主轴与主轴电动机之问齿轮传动 比为 l：4.95。

机床主轴设计转速为20基 Ⅱ～ 5 000 r/min，低速挡 量 谴fl速度范围为10 899喜r/min，高速挡速度范围霜为900～5 000 r/ n。主 3 741 3 742轴采用 M型换挡的换挡 主轴速度指令( 码输出)方式B(系统参数3705 图3 主轴齿轮换挡系统21)，相关换挡系统参 参数 (2级换挡)数设定内容如图 3所示。

系统参数4 020设定主轴电动机的最高转速，电机最高转速为6 000 r/min，则该参数设为6 000。

系统参数3 741、3 742分别设定主轴电机最高转速时 1挡和2挡 (低速挡和高速挡)的主轴转速。

因电机最高转速为 6 000 r/min，低速挡传动比为1：4.95，高速挡传动比为 1：1，则参数 3 741设定值 6 000×1/4.951 212，参数 3 742设定值 ：6 000×1/16 000。

系统参数3 751设定 1挡切换至2挡时的主轴电机速度，单位为脉冲，按下式设定：设定值 整 圭 皇 遭壁 主轴电机的最高转速 ×4 095因主轴第 1挡切换速度 (即图3中A)为 899r/min，传动比为4.95，则参数3 751设定值 ： (899×4.95/6 000) ×4 095：3 037。

参数3 735和3 736分别设定主轴电机下限速度和上限速度，单位为脉冲。该机床主轴最小转速为10 r/rain，最高转速为5 000 r/rain，则参数3 735设定值 (10×4.95/6 000) ×4 09534，参数 3 736设定值 (5 000×1/6 000) ×4 0953 412。

另外，系统在换挡时必须控制主轴电动机以低速的换挡速度进行旋转或正反摆动，以防止换挡时出现顶齿和打齿现象～系统参数 3705#1设置为 1”，则系统参数3 732设定换挡时的主轴电动机速度，单位为脉冲。对于串行主轴，该参数按下式设定：设定值 383假定主轴换挡时的电动机速度按电机下限速度计算，则参数 3 732设定值 (10×4.95/6 000)×16 383135。

3 数控铣床主轴自动换挡 PMC控制(1)主轴齿轮自动换挡控制流程①系统发出主轴挡位信号当系统读到加工程序中的主轴速度指令 (S码)时，则根据参数3 751设定的速度切换数值，发出相对应的挡位信号 (低速挡信号为 F34.0、高速挡信号为F34.1)。如图3所示，当主轴速度指令数值小于A范围内时，系统将 F34.0置 1，F34.1置0；当主轴速度指令数值大于等于 A时，系统将 F34.0置 0，F34.1置 1。

②通过实际挡位检测信号的判别，发出换挡请求指令PMC对挡位检测信号进行检测，并判断系统挡位信号与实际挡位检测信号是否-致，若不-致，则发出换挡请求指令，将主轴停止信号 SSTP(即将G29.6置0)送至CNC，并发出SOR信号 (将 G29.5置 1，请求主轴以换挡速度运转)。

③执行换挡控制系统接到PMC发出的SOR信号 (G29.5)，控制主轴电动机以换挡速度旋转或正反摆动，速度到达后发出检测到低速信号SDTA(F45.2)，PMC随之发出换挡控制信号，驱动相应的液压阀控制线圈动作，实现主轴挡位的切换。

④主轴换挡切换完成当主轴挡位信号与实际挡位检测信号-致时，PMC输出辅助功能代码完成信号 FIN (G4.3)，液压阀控制线圈断电，系统依据新挡位驱动主轴电动机，实现主轴的速度控制。

(2)主轴齿轮自动换挡控制 PMC程序主轴齿轮 自动换挡控制 PMC程序如图4所示第 2期 黄登红：数控铣床主轴自动换挡控制及常见故障诊断 ·129·(程序做了简化处理)。F7.2为 s功能选通信号，X11.2、X11.0分别为低速挡、高速挡挡位检测信号，Y6.2、Y6.3分别为低速挡、高速挡电磁阀驱动信号。

执行 s指令时 (F7.2置 1)，如果指令速度在低速挡内 (F34.0置 1，F34.1置0)、实际挡位却不在低速挡 (X11.2为0)，则需要换低速挡，G29.6失电为0，即禁止主轴以指令速度运转，G29.5置 1，即使主轴 以换挡速度运转，当速度达到换挡速度时(F45.2置1)，驱动低速挡电磁阀进行换挡动作，当到达低速挡位时 (X11.2为 1)，低速挡电磁阀失 电(Y6.2置0)，换挡完成 (G4.3置1)。同理可完成高速换挡控制，这里不再赘述。

图4 数控铣床主轴齿轮换挡控制梯形图4 主轴自动换挡典型故障表现形式及其诊断(1)主轴在需要换挡时不执行换挡动作，电机- 直以较低速度旋转。

主要原因有：①换挡驱动控制电路故障，如 PMC输出接口损坏、控制电路的继电器、液压电磁阀线圈故障等。

②换挡的液压回路故障，如液压回路泄漏、液压元件不良等。

(2)主轴能执行换挡动作，换挡后仍以较低速度旋转，不能执行后续程序指令。

主要原因有：①系统挡位相关参数设定错误，如参数3 741、3 742等设定与实际机床传动比不符。

②系统主轴拈不良。主轴电动机参数初始化或更换主轴拈控制电路板。

③系统主板不良。根据主轴速度指令 S码和系统挡位参数，判断系统挡位信号 (低速挡信号为F34.0、高速挡信号为F34.1)是否-致，如果不-致则更换系统主板。

④主轴速度反馈装置不良。更换主轴速度检测装置 (如主轴编码器或主轴电机内置传感器)。

例 1：-台型号为 XK5038的数控铣床，操作工反映其主轴无法换到高速挡 (1 000 r/min以上)。从操作面板上看，高速挡不亮。

高速挡不亮说明换挡机构不能换挡到高速挡，或者PMC收不到高速挡在位感应器信号〖虑到听不见齿轮换挡声音，决定检查换挡机构。打开主轴箱盖，见换挡齿轮落在低速挡，手动方式执行 $1200指令，听见换挡电磁阀动作，而换挡齿轮不动，用手拨，拨不动，估计存在卡死现象～换挡摆动缸卸下，再拨动换挡齿轮，上下灵活。再拨动摆动缸轴端齿轮，无法拨动，打开检查发现其矩形密封断裂，造成泄漏，同时断裂密封卡在叶片与缸体之间，将其卡死。

卸下换挡摆动缸，更换矩形密封配件，重新装好，调好精度并试车，主轴换挡正常。

例2：-型号为 TH5840的立式加工中心在换挡变速时，换挡机构不执行换挡动作，主轴-直以较低速度旋转，不能执行后续程序指令。

该机床换挡机构由变速气缸驱动，观察发现，变速气缸在换挡变速时不动作。变速气缸不动作的原因有：气动压力太低或流量不足；气动换向阀未得电或换向阀有故障；变速气缸有故障。通过分析，首先检查气动系统的压力，压力表显示气压为0.6MPa，压力正常；检查换向阀电磁铁已带电，用手动换向阀，变速气缸动作，故判定气动换向阀有故障。拆下气动换向阀，检查发现有污物卡住阀芯，清洗后重新装好，试车后主轴变速正常。

例3：-龙门铣床 (配置 FANUC 0iMB数控系统)，其主轴在由低速挡切换到高速挡时运转不正常，也不能执行后续程序指令。

主轴由低速挡切换到高速挡时，能听见齿轮换挡(下转第 126页)· 126· 机床与液压 第41卷倾角的情况下，平台肯定会有-个最高点，在调平时保持最高点不动，其他支撑点向上运动与之对齐，当各点达到最高点位置时平台即处于水平状态。这种只升不降调平方法可以避免由于平台自重和负载过大，在下降过程中产生较大的惯性力，而使平台出现剧烈抖动，以致无法调平的现象。

最高点”调平法的具体实现方法是：根据倾角传感器的信号，确定平台的最高点，并将信号送给控制装 置 (单 片机)，z。

控制装置通过调平程序驱动各支腿液压缸，使较低的支腿上升，从而使各点处于同-个高度，平台达到水平状态。调平平台示意图如图 5所示。

图5 调平平台示意图图5中水平面坐标系为 Ox。Y。z。，与椰果采摘机平台固联的平台坐标系为 Ox Y 。Ot、 角为双轴倾角传感器所测得的俯仰角与横滚角。最高点的确定是：当Ol>0、卢>0时，3点为最高点；当Ol>0、卢<0时，4点为最高点；当ol<0、口>0时，2点为最高点；当Ot<0、卢<0时，l点为最高点。当Ol0、JB0时，平台达到水平状态。

Y启动智能调平模式实时读取并处理双轴倾角传感器参数/ 是否达到、N丫 Y水平提示灯亮工作 自动停止电越铁5DT通电，相应液压缸伸出7ⅡT通 ，葙应液压缸伸出电磁铁 3DT通电，相应液压缸伸出进入调平待机状态 -叫 出口图6 调平系统调平控制流程图3 结束语机械化椰果采收模式的出现，能解决传统的人工爬树采摘方式危险性大、采摘质量差及工效低的问题，必然会更加有力地推动 百万亩椰林工程”的建设，促进椰子产业化、商品化的发展。

新系统较原系统在许多方面作了改进，更合理，操作更轻松，特别是液压支腿智能调平系统将机电技术、液压传动与控制技术结合在-起，实现了平台的快速而精准的调平功能，提高了调平精度，缩短了调平的时间，扩大了智能调平系统的适用范围，具有很大的应用价值。