变频主轴通过电动推杆实现自动换档分段调速的一种方案

宋鹏飞

通用技术集团大连机床有限责任公司 辽宁 大连 116620

数控车床最经济的一种主轴配置方式是普通三相异步电动机配齿轮箱变速箱，实现有级调速，电动机始终工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合，也就无法满足客户对零件加工的需求。为了确保数控车床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控车床在交流变频电机或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，这就是数控机床的模拟主轴。为了在自动方式程序执行中就能够实现档位的变换，而不需要停止程序手动换档，机械上采用电动推杆自动换档来实现各个档位的转换。

一、电动推杆的结构

1线性电机M1

2档位开关SQ1

3档位开关SQ2

4和7推杆

5线性电机M2

6档位开关SQ3

8档位开关SQ4

9和11摇杆

10和12限位块(各两件)

二、电动推杆的动作

根据机械床头箱里齿轮的齿数变比，通过Ⅱ轴、Ⅲ轴降速传递，使主轴有三档速度转换(三个档位已满足主轴转速范围需求)，再通过数控系统改变变频器的0-10V的模拟量输入，实现主轴各档内无级调速。三档速度的转换，是通过两个线性电机驱动丝杆模块进行档位转换，当档位转到位时，电动推杆上对应的行程开关开点闭合，就表示自动换档成功。线性电机M1和M2都有正反转，当主轴的速度处于Ⅰ档时，由数控系统M辅助代码执行Ⅱ档或Ⅲ档，这时M1电机正转；当当前主轴的速度处于Ⅱ档或Ⅲ档时，由数控系统M辅助代码执行Ⅰ档，这时M1电机反转。当当前主轴的速度处于Ⅰ档或Ⅱ档时，由数控系统M辅助代码执行Ⅲ档，这时M2电机正转，反之，M2电机反转。在自动换档过程中，为了使齿轮更好的啮合，主轴电机带动的传动机构需要做低速正反转的摆动，摆动周期和电动推杆的用时相匹配，时间不宜过长。

三、电动推杆自动换挡实现分段无级调速

主轴三档自动转换由FANUC数控系统执行M辅助代码来完成，用M41表示Ⅰ档，用M42表示Ⅱ档，用M43表示Ⅲ档，PMC程序中用这三个辅助代码的信号地址根据电动推杆的动作来控制M1和M2电机的正反转。FANUC系统的齿轮档位信号为GR1(地址是G28.1)和GR2(地址是G28.2)，只有当电动推杆自动换档到档位上，即档位开关SQ1-SQ4的通断状态与主轴各档位相匹配，用这些状态来触发系统的不同档位的齿轮选择信号GR1和GR2，然后在每个档位对应的系统参数中设置每个档位最大的主轴转数，这样就实现主轴在各档内无级调速，即分段调速，段内无极变速。档位开关控制的齿轮选择信号的PMC程序见梯形图。4个档位开关与主轴各档位的对应关系见表，FANUC系统齿轮选择信号与主轴档位以及最大主轴转速参数对应关系见表。

在自动换档过程中，为了使齿轮更好的啮合，主轴电机带动的传动机构需要做低速正反转的摆动。摆动速度由FANUC主轴定向信号以及相对应参数来实现，主轴定向信号SOR地址是G29.5，这是主轴以一定速度旋转的信号。主轴定向信号对应的主轴转速参数No.3732，将参数里值设为1-6中的一个值，当系统执行M41-M43中的任一辅助代码自动换档时，主轴定向信号G29.5被置为1，主轴就会以参数No.3732里设的数值低速旋转。PMC程序见梯形图。

四、结语

用电动推杆实现自动换档，机械结构简单且可靠，操作也方便容易，提高了加工效率。主轴电机经过齿轮床头箱的变速和系统模拟量的控制，主轴的无级调速，实现分段调速、段内无级变速的功能，使数控车床在恒功率切削的转速范围成倍扩大，在低速时具有更大的扭矩和切削能力，以满足各种工况的切削，获得最合理的切削速度，从而保证加工精度、加工表面质量及高的生产效率。