主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几挡不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。
今年初，我们成功地完成了一台五坐标数控龙门铣床的技术改造。其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK 840C数控系统 ，坐标及主轴驱动采用西门子SIMODRIVER 611A。根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过内置式PLC控制程序，对主轴换挡进行了自动控制处理。
1、主轴换挡机构
该机床的主轴换挡机构由两个双向电磁阀（SOL1～SOL4）控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4挡转速。在主轴箱内安装了4个挡位检测开关（SW1～SW4）。压力继电器（PS1）检测换挡液压压力。
2、控制系统的信号与数据接口
控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换挡的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8挡转速控制。该机床采用了其中4挡，相邻挡位间可以存在转速的交叉。
为实现主轴的自动换挡，在机床数据中预先设置了主轴4个换挡转速范围。NC控制系统依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。
输入信号：挡位检测信号SW1～SW4，换挡液压压力PS1，主轴电机停转Nmin，主轴电机实际转速Nact；
输出信号：换挡电磁阀SOL1～SOL4，电机驱动指令电压Vist。
系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前挡位、换挡命令、目标挡位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。
系统可采用SW1～SW4检测开关的状态组合编码作为当前主轴挡位的标志。电磁阀及检测开关状态见表1。
3、主轴自动换挡的PLC实现
主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到NCK发出的换挡命令，先检查主轴电机是否处于停转状态，如果未停，PLC向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸（SOL1～SOL4）发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴摆动模式，设置摆动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，同时上报NCK换挡生效，并向数据块填写“当前挡位”。此时，主轴自动进入下一挡转速。否则，PLC进行错误报警处理。 在PLC设计中，必须注意的是：
为了使主轴换挡不致于混乱，在PLC程序的初始化模块中，系统一通电就扫描机床挡位检测开关，在数据块中设置“当前挡位”，对系统状态进行初始化。
必须把主轴的转速降为零后，才能对运行中的主轴换挡，否则会造成齿轮碰坏。
在主轴转入下一挡转速前，相应的换挡油缸必须移动到位，使相应的齿轮啮合。
为了更好地啮合，油缸在移动过程中，控制主轴作轻微的来回摆动，这样可缩短换挡时间，同时也避免齿轮硬顶造?撞伤和精度破坏。
4、结束语
当前，国内广泛开展的机床改造翻新将涉及到主轴换挡的问题。主轴换挡控制处理得当，不仅可以提高机床的加工精度，而且可以延长主轴的使用寿命。
针对SIEMENS 840C控制数据接口及机床换挡机构的特点，采用机电一体化，通过PLC程序的设计，实现了在数控程编中只要写上主轴转速，数控系统将自动实现换挡。改造后的主轴，换挡自如，运行可靠。对换挡过程中出现的油缸行程不到位、换挡压力不够都有及时的报警提示与错误处理。机床主轴的自我保护功能是设计者必须注意的问题。在换挡中可能会出现液压方面的问题，如换挡压力不够、液压电磁阀失灵造成油缸不到位。换挡超时时，系统要提出明确的报警，禁止主轴换挡，以保护主轴。在换挡过程中，巧妙地利用主轴的摆动模式可实现柔性换挡。同时应利用定时器，对输出命令的响应作出定时检查。
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