主軸是機床高速旋轉的運動機構，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質量。在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉速。主軸的變速一般采用電控或變速箱來實現。電控主軸直接采用變頻系統控制主軸的轉速，而主軸變速箱則采用不同的齒輪組合實現幾擋不同轉速的控制。許多機床采用主軸變速箱形式。主軸的轉速與輸出功率必須配套，如果用單一的齒輪比，雖然可以改變主軸轉速，但不可能充分利用主軸電機的功率。為了兼顧主軸的轉速與功率，必須采用不同的齒輪組合。  
        今年初，我們成功地完成了一臺五坐標數控龍門銑床的技術改造。其主軸采用變速箱變速，控制系統為西門子SINUMERIK 840C數控系統 ，坐標及主軸驅動采用西門子SIMODRIVER 611A。根據該機床的主軸換擋結構，結合控制系統的特點，通過內置式PLC控制程序，對主軸換擋進行了自動控制處理。
        1  主軸換擋機構
        該機床的主軸換擋機構由兩個雙向電磁閥(SOL1～SOL4)控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產生4擋轉速。在主軸箱內安裝了4個擋位檢測開關(SW1～SW4)。壓力繼電器(PS1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結構見圖1。
        2   控制系統的信號與數據接口
        控制系統由NCK和PLC模塊組成，它們之間靠數據塊傳遞消息。機床的輸入輸出點接入PLC的輸入輸出模塊中。NC系統給主軸發出速度指令電壓。系統主軸數據塊中存放有主軸換擋的有關數據，通過PLC程序，對這些數據進行實時操作。系統可以有8擋轉速控制。該機床采用了其中4擋，相鄰擋位間可以存在轉速的交叉。
        為實現主軸的自動換擋，在機床數據中預先設置了主軸4個換擋轉速范圍。NC控制系統依據不同的擋位給主軸驅動裝置發出不同的指令電壓，對應主軸電機不同的轉速。
        輸入信號：擋位檢測信號SW1～SW4，換擋液壓壓力PS1，主軸電機停轉Nmin，主軸電機實際轉速Nact；
        輸出信號：換擋電磁閥SOL1～SOL4，電機驅動指令電壓Vist。
        系統主軸數據塊包含擺動速度、擺動頻率、內置換擋范圍、當前擋位、換擋命令、目標擋位、換擋結束標志、主軸電機運行狀態、主軸禁止和主軸PLC控制等數據。控制系統的信號流見圖2。
        系統可采用SW1～SW4檢測開關的狀態組合編碼作為當前主軸擋位的標志。電磁閥及檢測開關狀態見表1。
        表1 主軸換擋狀態 換擋號 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4