传动级交换控制的实现方法

1.功能说明

传动级交换简称换档，这是一种用于主轴速度控制方式的附加功能，用于带机械变速装置的主传动系统。主轴换档功能可根据主电动机和主轴的实际传动比，自动调整主电动机转速，使主轴的转速和加工程序中的S代码指令保持一致。

在通用型数控车床、铣床及加工中心上，大直径工件的车削、大规格铣刀的铣削和攻螺纹等加工，均要求机床主轴具有低速大转矩输出特性。此外，由于金属切削机床单位时间能切除的材料体积和主轴功率成正比，为保证机床的加工效率，就要求主轴在不同转速下的输出功率能保持恒定，即具有恒功率输出特性。但是，由于主电动机的输出转矩受到结构和额定电流的制约，其额定转速以下的调速特性通常为恒转矩，在转速高于额定转速时，才能保证额定功率输出。因此，主轴需要通过图7.1-4所示的机械变速主轴箱，利用齿轮变速的方法，提高低速转矩和扩大恒功率调速范围。

图7.1-4 机械变速主轴箱

例如，对于额定输出为22kW/140N.m、额定转速为1500r/min、最高转速为6000r/min的主电动机，在额定转速以下区域的输出转矩为140N.m，实际的恒功率调速范围只有4倍（1500～6000r/min）。但如主轴采用1∶1和1∶4两级机械减速，便可获得图7.1-5所示的转矩和功率输出特性。

图7.1-5 主轴变速输出特性

主轴增加机械变速后，在375r/min以下区域的输出转矩可提高到560N.m，375～1500r/min区域的输出转矩也将显著提高；主轴的恒功率调速范围也将由4扩大到16（375～6000r/min）；而主轴最高转速仍可达到6000r/min不变。

以上带有机械变速装置的主传动系统，在不同的变速比下，同样的主轴转速要求主电动机有不同的转速。例如，对于图7.1-5所示的主轴传动系统，当主轴转速为1200r/min时，如机械传动比为1∶1，则主电动机转速同样应为1200r/min；当传动比变为1∶4时，则要求主电动机转速应为4800r/min等。为此，就要求CNC或主轴驱动系统具有根据实际机械传动比，自动改变主电动机转速的功能。

2.控制要求

为了便于编程，数控机床加工程序中的S代码所指定的转速应为主轴转速，而主轴驱动器的速度给定则来自CNC的主轴转速输出。因此，为了在同一S指令下，能够得到不同的主电动机转速，可采用两种方法：一是保持驱动器给定输入和电动机转速的对应关系不变，通过改变CNC的主轴转速输出改变电动机转速；二是保持CNC主轴转速输出不变，通过改变驱动器输出改变电动机转速。前者称CNC主轴换档功能，后者称驱动器换档功能。在使用主轴模拟量输出功能的CNC上，一般使用前者。(www.xing528.com)

在使用CNC主轴换档功能的机床上，驱动器的速度给定输入与主电动机转速存在线性关系，因此，变换传动级时，实际上只需要根据机械传动比，调整CNC的主轴转速模拟量输出值。例如，对于图7.1-6所示、10V模拟量对应电动机转速为6000r/min的驱动器，当传动比为1∶1时，指令S1200的CNC主轴模拟量输出应为10V×1200/6000=2V，主电动机转速为1200r/min；而在传动比为1∶4时，指令S1200所对应的CNC主轴模拟量输出应为2V×4=8V，主电动机转速为6000×8/10=4800r/min，从而保证主轴转速仍为1200r/min。

图7.1-6 传动级交换功能

图7.1-7 主轴换档抖动

3.换档抖动

数控机床的主轴机械变速通常利用滑移齿轮或电磁离合器实现，为了保证滑移齿轮或电磁离合器能可靠啮合，避免“顶齿”，传动级交换时主电动机一般需要进行图7.1-7所示的低速、间隙正反转的“换档抖动”动作。

控制主轴换档抖动的方法有多种。一般而言，对于采用DC0～10V单极性主轴模拟量输出的CNC，可按图7.1-7所示，通过主轴换档转速输出信号的控制，使CNC输出一个低速主轴模拟量输出电压；然后，利用PLC程序控制驱动器的转向信号，实现主电动机的间隙正/反转。对于采用DC-10～10V双极性主轴模拟量输出的CNC，则可通过CNC的主轴换档转速输出信号和转向控制信号，使CNC在换档时输出一个低速、极性自动变换的主轴模拟电压，控制主电动机的间隙正/反转。以上两种控制方式的主电动机间隙正/反转需要通过PLC程序进行控制，故称PLC控制抖动。

在802S/C/D上，为了方便用户使用，当主轴选择DC-10～10V双极性模拟量输出时，还可通过CNC参数的设定，自动产生极性自动变换的主轴模拟量输出，而无需PLC提供转向控制信号，这一功能称为CNC控制抖动。

换档抖动的目的是改变齿轮的啮合位置，无论采用何种抖动控制方式，抖动时的主电动机正转运行和反转运行时间应不同。因此，采用PLC控制抖动时，应通过PLC程序保证正转和反转控制信号有不同的保持时间；采用CNC控制抖动时，则应对正转和反转时间参数设定不同的值。