第六节 数控机床主轴变速及操纵机构

一、数控机床主轴变速及控制方法

数控机床主轴变速有有级变速、无级变速及分段无级变速三种形式。

有级变速适用于经济型数控机床，只有若干个档位可选，通常有以下几种形式：①滑移齿轮手动变档；②手动变档+电磁离合器自动变档；③电磁离合器与双速电动机的联合自动变档；④手动变档+电磁离合器与双速电动机的自动变档。主轴电动机为普通异步交流电动机。

无级变速适用于主轴转速范围要求不太宽的数控机床，通常有以下几种形式：①交流或直流伺服电动机经带传动带动主轴实现无级变速；②伺服电动机与主轴直联；③电动机与主轴做成一体称为电主轴；④普通电动机（或专用变频电动机）+变频器调速。

分段无级变速适用于主轴转速范围要求较宽的数控机床，通常有以下几种变档形式：①液压操纵滑移齿轮自动换档；②电磁离合器自动换档；③上述两种并用。所用电动机为伺服电动机或普通电动机+变频器调速。

1.有级变速

现以CAK6150型数控车床主轴变速系统为例说明主轴变速原理。

CAK6150型数控车床主轴有级变速传动系统如图3-14所示。

该机床属于经济型数控车床，主轴传动系统为12级有级传动，采用双速电动机和两套电磁离合器完成4种自动变速，采用三联滑移齿轮手动变速，这样主轴可以得到12种转速。

主轴各级转速计算如下：

电动机转速为1460r/min或2880r/min，则

为了均衡转速损失和记忆方便，各级相邻速比近似为。

主轴在各级转速时，电动机、离合器和变速手柄的工作状态见表3-7。

若要完成主轴换档，应先将变速手柄扳到所在的档位位置上，然后在程序中输入M代码M41、M42、M43和M44中的与转速相对应的代码。例如，加工程序要求主轴的转速为250r/min，应首先将变速手柄扳到 “Ⅱ”的 位置（程序中应有M00代码，以便于手动变档），然后在程序中输入M42代码就可以获得主轴250r/min的转速。

2.分段无级变速

分段无级变速是指有级变速与无级变速相结合，以扩大变速范围。有级变速通常采用液压操纵滑移齿轮自动变速或电磁离合器变速，如果采用液压操纵三联滑移齿轮变速，为了简化液压系统，可用三位液压缸带动拨叉实现变速。如图3-15所示，改变不同的通油方式可使三联齿轮获得3个不同的变速位置。该机构除液压缸和活塞外，增加了套筒4。当液压缸1通入液压油，液压缸5回油时，三联齿轮处于左端；当液压缸1和5同时通入液压油时，三联齿轮处于中间位置；当液压缸5通入液压油，液压缸1回油时，三联齿轮处于右端。三个位置都设有变速结束开关，以发出变速完成信号。

为了实现三联滑移齿轮的三个移动位置，可用中间机能为“P”型PAB连接的三位四通电磁阀控制。两个电磁铁都不通电时，三联齿轮处于中间位置。

齿轮变速时，为了避免“顶齿”现象，主电动机在设定的低转速下运行（或者抖动运行），以实现齿轮的顺利啮合。

3.分段无级变速的控制过程

数控系统接收到主轴速度指令后，首先判断是否需要变档，若需要变档则进入自动换档模块，若不需要换档则电动机变速（通过对应电压变速），然后检测转速，若未达到设定速度则反馈并调节转速，若达到设定速度则变速结束。

自动换档模块的工作流程：当判断需要换档时，电动机开始降速，若未降至换档时的设定转速（一般低于8r/min）则继续降速，若降至设定转速则给PLC发出换档指令。经延时，变速电磁阀动作并进行换档，经过延时后若检测到到位信号则结束自动换档，进行下一流程；若未检测到到位信号，此时电动机应冲动再延时一段时间，如果检测到到位信号则结束自动换档进行下一流程，如果仍未检测到到位信号则发出报警信号。

图3-16所示为CAK6150Di型数控车床分段无级变速主轴箱传动系统示意图。该机床采用Fanuc0i系统。主轴电动机用普通电动机+变频器调速，通过加工程序指令自动换档。

自动换档是由轴Ⅲ上的双联滑移齿轮3、4及与滑杆轴Ⅴ轴向一起移动的滑移齿轮5、7实现换档。

主轴各档的最高转速如下：

由于中档中的两档转速相近，故取消747r/min的档。

变档时，电动机以变档速度（由参数设定）慢速正转或反转以便于齿轮顺利啮合，控制轴Ⅱ也随之转动。电磁离合器接通时，通过丝杠螺母副带动滑移齿轮向左或向右移动，实现挂档。电磁离合器1或2的接通（或断开）与电动机的正转或反转带动控制轴正反转的不同组合，就可实现高、中、低、空各档位的变换。每个档在齿轮正确啮合位置时都有相应的到位开关发出到位信号。

假设装配时按高档装配，即齿轮1与3啮合，齿轮5与6啮合，现在我们用表3-8说明变档时，电动机的正反转与离合器的通断情况。

该机床主轴还有一个空档。当滑杆轴Ⅴ向左或右移动在中间位置时（此位置滑移齿轮5和7都与相啮合的齿轮脱开），空档开关接通，离合器2断电，完成空档控制，此时可用手扳动主轴转动，以便装卸或测量工件尺寸。

CAK6150Di数控车床变档控制机构为沈阳一机床的设计专利，它的优点：一是减少了变速电磁离合器的数量，如果用常规的电磁离合器变档需要五套离合器，而现在只用两套；二是电磁离合器（离合器的尺寸较小）不参与主传动的动力传递，而只是带动变档丝杠的转动，转矩很小，只有10N·m；三是与液压操纵滑移齿轮变档比较，不需要复杂的液压控制系统的支持，降低了成本。

这种离合器在不通电时应彻底脱开，所以离合器与吸盘间应保持0.3～0.5mm的间隙，用0.4mm的间隙隔套来保证。当间隙小于0.3mm时，容易出现自行换档现象，造成齿轮打齿。当间隙超过0.5mm时，离合器未完全接合，无法实现主轴变档。当丝杠螺母副过紧时，摩擦扭矩大于离合器转矩，也无法变档。

二、Fanuc0i系统换档的类型及相关参数

下面以Fanuc0i系统为例，阐述在分段无级变速情况下，电动机运行速度与主轴速度间的关系。

Fanuc0i系统的换档方式分为M型和T型两种，其中M型又分为A方式和B方式两种。M型A方式或B方式换档时序的过程如下：系统根据S代码的计算速度，当速度不在当前档位速度时发出换档指令，然后电动机被钳制在参数3732变档时的电动机速度转动（正转或反转），经延时后，发出指令进行换档动作（液压电磁阀或电磁离合器动作），换档完成后，接到换档到位信号时再经延时则换档结束，程序进入下一程序段。

T型换档需有程序指令M代码才能实现换档。由M41、M42、M43和M44代码指令哪个档位。

M型齿轮换档A方式（参数3705的2#=0）如图3-17所示。横坐标为主轴转速，纵坐标为主轴电动机转速。

参数3741～3743为主轴1～3档各档的最高转速（对于CAK6150Di型数控车床来说，分别为243r/min、715r/min、2198r/min）。

参数3735为主轴电动机最低钳制速度，设定值=×4095

参数3736为主轴电动机最高钳制速度，设定值=×4095

各档主轴的最高转速和电动机最高转速之比为各档的传动比，它的倒数即为各档的直线斜率。A方式换档时主轴电动机处在最高钳制速度。

M型齿轮换档B方式（参数3705的2#=1）如图3-18所示。这种方式在换档时，主轴电动机在特定的转速下进行，由参数3751和3752确定。

参数3751为从低档到中档转换时的主轴电动机界限转速。

参数3752为从中档到高档转换时的主轴电动机界限转速。

3751，3752的设定值=×4095

T型齿轮换档如图3-19所示，需要设定的参数为3741～3744（如CAK6150Di数控车床，3741=243r/min，3742=715r/min，3743=2198r/min）。

此时主轴电动机的设定值为4095。

M型齿轮换档编程时执行S指令（如M03S200），系统可自行判定在哪个档位自动换档。

T型齿轮换档编程时，如果只输入S指令，系统不能根据S指令自动输出档位信号，还应输入M代码选择齿轮档位，例如：M42；

M03S300;

这时齿轮挂在中档上，主轴转速为300r/min。

辅助功能：M40——空档，M41——低档，M42——中档，M43——高档，M44——最高档。

T型齿轮换档具有表面恒线速度切削功能，G代码为G96。

三、数控机床主轴变速的常见故障与排除方法（见表3-9）