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數控機床垂直軸防下落分析與設計
發布時間:2016-03-02
  在數控機床上,由于滾珠絲杠螺母副有運動的可逆性,不能實現自鎖。機床不用或突然斷電時,對于垂直傳動(重力軸,如立式加工中心的Z軸、臥式加工中心的Y軸)或水平放置的高速大慣量傳動,為防止由于主軸箱重力引起絲杠旋轉而產生主軸箱下滑,必須裝有制動裝置。否則會造成機床損壞或零件加工的報廢。
  

 
  傳統的數控機床采用重錘平衡(用于立式機床)或液壓平衡(用于臥式機床)(counterbalance),減少電機正反向負載差,同時減少加在絲杠上的軸向重力。但是今天許多國內外機床廠家為了簡化機床結構,去掉液壓平衡裝置,采用伺服電動機自帶的制動裝置(built-in brake)鎖住滾珠絲杠的轉動。
  
  1電機內置制動器工作原理
  

  
  圖1電磁制動器抱閘
  
  1-主軸箱 2-電磁制動器 3-伺服電動機 4-配重 5-立柱 6-轉子 7-電動機定子機殼 8-制動盤 9-銜鐵 10-電磁鐵心 11-制動器線圈 12-彈簧
  
  如圖1所示,制動盤與轉子用花鍵連接,隨轉子一起轉動,并可軸向移動。電動機正常運行時,電磁制動器線圈得電,銜鐵在電磁力的作用下克服彈簧力與鐵芯吸合,制動盤松開,電動機處于放松狀態;制動時,電磁制動器線圈失電,電磁力消失,銜鐵在彈簧的作用下快速軸向移動并推動制動盤,使制動盤被緊緊壓在銜鐵和電動機端蓋之間,于是,通過制動盤產生的摩擦力矩將電動機轉子鎖緊,從而產生制動效果。
  
  圖2所示為帶有制動器的FANUC伺服電動機,左邊第一個插座連接的就是制動器的電源。電機通電,制動器松開;反之,電機斷電,制動器抱緊電機轉軸。
  


  圖2帶制動器的伺服電動機
  
  注意:電機內置制動器用于伺服斷電時防止垂直軸下落,只在緊停或突然斷電時起作用,不能用于正常(電機處于勵磁狀態)減速剎車,否則電機將過熱。
  
  2制動器電源配置
  
  伺服電機內置制動器本質上是直流電磁鐵,上電釋放。FANUC βis系列伺服電機的制動器使用直流24V電源,通過變壓器、二極管全波整流器獲得,如圖3所示。對于全波整流,考慮整流器或電纜中的電壓降,變壓器的次級電壓大約應為交流29V(Urms),故調整初級輸入抽頭的位置,如100-110-120VAC還是200-220-240VAC。全波整流輸出電壓有效值Uorms=0.9Urms,最終檢查制動器的電源電壓在±10%范圍內波動。
  


  圖3制動器直流24V電源回路
  
  制動器線圈失電時產生的浪涌電壓,將縮短繼電器觸點的壽命,因此選擇足夠容量的觸點,并且總是使用滅弧器(spark killer)和浪涌吸收器(surge absorber)來保護觸點。
  
  設計過程中,不要與CNC、SV所用的24V電源共用,否則CNC或SV放大器會有故障。這是因為斷電時要求CNC電源保持時間越長越好,而對于制動器來說,其斷電反應越迅速越好,這樣可以快速制動。因此圖2中并不含濾波電容,即使有也不能太大。但制動器電源可以與其他繼電器或線圈共用24V,注意電源容量即可。

  FANUC早期的伺服電機內置制動器的電源不一定是DC24V,請看下面視頻。
  

 
  視頻中的電機型號為FANUC 10S,制動器插座未連接電源時,轉軸轉不動。當通電電壓和電流達到一定數值時,轉軸可以轉動。
  
  3制動器上電與下電的時序
  
  垂直軸的制動鎖緊有兩條路:有電時伺服電機勵磁鎖緊,沒電時機械制動盤鎖緊。在有電與無電狀態之間變化(緊停、斷電或電機勵磁期間CNC電源丟失)時,如果兩種制動動作時間上銜接不好,垂直軸會產生下落。因此,必須考慮制動器(垂直軸)松開與伺服ON(電機勵磁)的時序問題。同樣,必須考慮制動器生效(即抱閘)與伺服OFF的時序問題。如圖4,5所示。
  


  圖4伺服與制動器動作時序圖


  
  圖5斷電時伺服與制動器動作時序圖
  
  伺服電動機要起動運行時,首先接通伺服驅動(伺服ON),使電動機建立起保持力矩,延時一段時間t1后,電磁制動器線圈得電,制動解除,伺服電機開始運行;制動時,電磁制動器線圈先失電,制動器產生制動力矩,為保證制動的可靠性,伺服ON繼續接通,使伺服電機繼續有保持力矩存在,伺服ON在延時一段時間t2后消失。即在檢測到斷電后制動器盡快動作,在關斷電機的勵磁前使用制動器抱住電機軸(如圖4所示)。
  
  4減少垂直軸下落量的措施
  
  (1)制動器必須立刻工作,將下落量減到最小。
  
  為使制動器迅速生效,控制制動器通斷的開關和繼電器必須設計在DC側。如果安裝在AC側(如變壓器次級和整流器之間),由于電流回到整流器二極管需要時間,制動器工作會被延遲。
  
  (2)控制制動器通斷的開關和繼電器在突然斷電時必須迅速動作,以減小下落量。
  
  為此,選擇動作時間短(如10ms)的繼電器,并從主電源回路提供繼電器用的驅動電源(電壓較高,如200V),如圖6所示。
  


  圖6控制制動器通斷的繼電器線圈電源
  
  (3)保持CNC和放大器控制電源(DC24V)的維持時間
  
  這個時間應長于制動器的動作時間。必要時(如控制電源負載很大),可以使用UPS延長NC和放大器的控制電源維持時間。CNC上電選用ON/OFF回路A的目的也就是斷電時能保持維持DC24V的維持時間,如圖7所示。
  

  
圖7CNC電源與制動器動作時間關系
  
  (4)伺服軟件的“制動器功能”
  
  由于制動器的動作滯后而產生的軸的下落,有時可通過FANUC伺服軟件的“制動器功能”參數調整來避免。該功能使電機在制動器動作前以參數設定的時間繼續勵磁,如圖8所示。
  


  圖8伺服軟件中的“制動器功能”
  
  可以在一定的范圍內延時控制MCC斷電的時間,另外,還可以延時緊停起作用時間。設一般制動器動作的時間為t1,選擇MCC延時斷電時間t2大于t1,急停起作用時間為t3,t3>t2,就可以達到控制主軸箱下滑目的。比如,選擇t1=50~100ms,t2=200ms,t3=400ms。
  
  設定如下:
  
  P2005#6=1,制動器功能有效
  
  P2083設定延時時間(ms)t2,一般設定200左右,假設機械夾緊時間t1約為50-100ms,具體要看機械重力的多少。
  
  P2210 bits 6 and 5,設定緊停延時時間t3,比2083中設定的時間長,如表1所示。
  
 

 
  
  (5)FANUC 0i Mate-D的新設計
  
  在FANUC 0i Mate-D配置的伺服驅動裝置內部作了抱閘處理,CX38端子接3相AC200V,CX36端子串入緊停控制回路。
  
  (6)緊停時重力軸抬升功能
  
  即使有效地采取了重力軸防下落措施,由于制動器存在機械間隙,重力軸仍會掉落一定距離(10mm/轉時為20μm),這時可以采取“緊停時重力軸抬升功能”,在斷電時將重力軸抬升一定距離后再抱緊軸以抵消制動器間隙的影響。
  
  如,森精機公司為避免突然停電時重力軸下落而損傷高價模具,設計了“防止Z軸下落”功能:停電時主軸稍微抬升以避免損傷工件。如圖9所示。
  


  圖9森精機的防止Z軸下落功能
  
  5設計案例
  
  立加VMC 750制動器控制回路如圖10所示,其中,KA11是斷電檢測繼電器,安裝在制動器控制回路DC側,可以在檢測到斷電時制動器迅速動作,該繼電器使用輸入電源AC110V驅動,減少下落量。KA12是制動器松開繼電器,PMC輸出“伺服準備好信號(SA)”為“1”時接通。
  


圖10VMC 750制動器控制回路
  
  6結語
  
  其實,很多數控機床都設置成開機回機床零位,就是消除因斷電造成的垂直軸下落影響。有經驗的操作者在機床緊停之后,也會做回參考點操作。
  
  設計時應考慮降低生產成本,但有的數控機床生產廠家一味為了節約成本,對電氣控制系統的設計往往只能保證實現最基本的動作,忽略了一些安全保護設計。這并不可取,應嚴格按規定執行。

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