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数控机床垂直轴防下落分析与设计

在数控机床上,由于滚珠丝杠螺母副有运动的可逆性,不能实现自锁。机床不用或突然断电时,对于垂直传动(重力轴,如立式加工中心的Z轴、卧式加工中心的Y轴)或水平放置的高速大惯量传动,为防止由于主轴箱重力引起丝杠旋转而产生主轴箱下滑,必须装有制动装置。否则会造成机床损坏或零件加工的报废。

 

传统的数控机床采用重锤平衡(用于立式机床)或液压平衡(用于卧式机床)(counterbalance),减少电机正反向负载差,同时减少加在丝杠上的轴向重力。但是今天许多国内外机床厂家为了简化机床结构,去掉液压平衡装置,采用伺服电动机自带的制动装置(built-in brake)锁住滚珠丝杠的转动。

 

1 电机内置制动器工作原理

图1为制动器抱闸示意和电磁制动器内部结构。

1 电磁制动器抱闸

1-主轴箱 2-电磁制动器 3-伺服电动机 4-配重 5-立柱 6-转子 7-电动机定子机壳 8-制动盘 9-衔铁 10-电磁铁心 11-制动器线圈 12-弹簧

 

如图1所示,制动盘与转子用花键连接,随转子一起转动,并可轴向移动。电动机正常运行时,电磁制动器线圈得电,衔铁在电磁力的作用下克服弹簧力与铁芯吸合,制动盘松开,电动机处于放松状态;制动时,电磁制动器线圈失电,电磁力消失,衔铁在弹簧的作用下快速轴向移动并推动制动盘,使制动盘被紧紧压在衔铁和电动机端盖之间,于是,通过制动盘产生的摩擦力矩将电动机转子锁紧,从而产生制动效果。

 

图2所示为带有制动器的FANUC伺服电动机,左边第一个插座连接的就是制动器的电源。电机通电,制动器松开;反之,电机断电,制动器抱紧电机转轴。


图2 带制动器的伺服电动机

 

注意:电机内置制动器用于伺服断电时防止垂直轴下落,只在紧停或突然断电时起作用,不能用于正常(电机处于励磁状态)减速刹车,否则电机将过热。

 

2 制动器电源配置

伺服电机内置制动器本质上是直流电磁铁,上电释放。FANUC βis系列伺服电机的制动器使用直流24V电源,通过变压器、二极管全波整流器获得,如图3所示。对于全波整流,考虑整流器或电缆中的电压降,变压器的次级电压大约应为交流29V(Urms),故调整初级输入抽头的位置,如100-110-120VAC 还是200-220-240VAC。全波整流输出电压有效值Uorms=0.9Urms,最终检查制动器的电源电压在±10%范围内波动。


3 制动器直流24V电源回路

 

制动器线圈失电时产生的浪涌电压,将缩短继电器触点的寿命,因此选择足够容量的触点,并且总是使用灭弧器(spark killer)和浪涌吸收器(surge absorber)来保护触点。

 

设计过程中,不要与CNC、SV所用的24V电源共用,否则CNC或SV放大器会有故障。这是因为断电时要求CNC电源保持时间越长越好,而对于制动器来说,其断电反应越迅速越好,这样可以快速制动。因此图2中并不含滤波电容,即使有也不能太大。但制动器电源可以与其他继电器或线圈共用24V,注意电源容量即可。

 

FANUC早期的伺服电机内置制动器的电源不一定是DC24V,请看下面视频。

 

FANUC交流伺服电机制动器测试

 

视频中的电机型号为FANUC 10S,制动器插座未连接电源时,转轴转不动。当通电电压(左边显示)和电流(右边显示)达到一定数值时,转轴可以转动。

 

3 制动器上电与下电的时序

垂直轴的制动锁紧有两条路:有电时伺服电机励磁锁紧,没电时机械制动盘锁紧。在有电与无电状态之间变化(紧停、断电或电机励磁期间CNC电源丢失)时,如果两种制动动作时间上衔接不好,垂直轴会产生下落。因此,必须考虑制动器(垂直轴)松开与伺服ON(电机励磁)的时序问题。同样,必须考虑制动器生效(即抱闸)与伺服OFF的时序问题。如图4,5所示。


图4 伺服与制动器动作时序图


图5 断电时伺服与制动器动作时序图

 

伺服电动机要起动运行时,首先接通伺服驱动(伺服ON),使电动机建立起保持力矩,延时一段时间t1后,电磁制动器线圈得电,制动解除,伺服电机开始运行;制动时,电磁制动器线圈先失电,制动器产生制动力矩,为保证制动的可靠性,伺服ON继续接通,使伺服电机继续有保持力矩存在,伺服ON在延时一段时间t2后消失。即在检测到断电后制动器尽快动作,在关断电机的励磁前使用制动器抱住电机轴(如图4所示)。

 

4 减少垂直轴下落量的措施

制动器必须立刻工作,将下落量减到最小。

(1)为使制动器迅速生效,控制制动器通断的开关和继电器必须设计在DC侧。如果安装在AC侧(如变压器次级和整流器之间),由于电流回到整流器二极管需要时间,制动器工作会被延迟。

(2)控制制动器通断的开关和继电器在突然断电时必须迅速动作,以减小下落量。为此,选择动作时间短(如10ms)的继电器,并从主电源回路提供继电器用的驱动电源(电压较高,如200V),如图6所示。


图6 控制制动器通断的继电器线圈电源

 

(3)保持CNC和放大器控制电源(DC 24V)的维持时间

这个时间应长于制动器的动作时间。必要时(如控制电源负载很大),可以使用UPS延长NC和放大器的控制电源维持时间。CNC上电选用ON/OFF回路A的目的也就是断电时能保持维持DC24V的维持时间,如图7所示。


图7 CNC电源与制动器动作时间关系


4)伺服软件的制动器功能

由于制动器的动作滞后而产生的轴的下落,有时可通过FANUC伺服软件的“制动器功能”参数调整来避免。该功能使电机在制动器动作前以参数设定的时间继续励磁,如图8所示。

图8 伺服软件中的“制动器功能”

可以在一定的范围内延时控制MCC断电的时间,另外,还可以延时紧停起作用时间。设一般制动器动作的时间为t1,选择MCC延时断电时间t2大于t1,急停起作用时间为t3t3>t2,就可以达到控制主轴箱下滑目的。比如,选择t1=50~100mst2=200 mst3=400ms

 

设定如下:

P2005#6=1,制动器功能有效

P2083 设定延时时间(mst2,一般设定200 左右,假设机械夹紧时间t1约为50-100 ms具体要看机械重力的多少。

P2210 bits 6 and 5 ,设定紧停延时时间t3,比2083中设定的时间长,如表1所示。

表1 紧停延迟时间设定

ESPTM1(bit6)

ESPTM0(bit5)

延迟时间

0

0

50ms(默认)

0

1

100ms

1

0

200ms

1

1

400ms

 

(5)FANUC 0i Mate-D的新设计

在FANUC 0i Mate-D配置的伺服驱动装置内部作了抱闸处理,CX38端子接3相AC200V,CX36端子串入紧停控制回路。

 

(6)紧停时重力轴抬升功能

即使有效地采取了重力轴防下落措施,由于制动器存在机械间隙,重力轴仍会掉落一定距离(10mm/转时为20μm),这时可以采取“紧停时重力轴抬升功能”,在断电时将重力轴抬升一定距离后再抱紧轴以抵消制动器间隙的影响。

 

如,森精机公司为避免突然停电时重力轴下落而损伤高价模具,设计了“防止Z轴下落”功能:停电时主轴稍微抬升以避免损伤工件。如图9所示。

图9 森精机的防止Z轴下落功能

 

 

5 设计案例

立加VMC 750制动器控制回路如图10所示,其中,KA11是断电检测继电器,安装在制动器控制回路DC侧,可以在检测到断电时制动器迅速动作,该继电器使用输入电源AC110V驱动,减少下落量。KA12是制动器松开继电器,PMC输出“伺服准备好信号(SA)”为“1”时接通。

图10 VMC 750制动器控制回路

 

6 结语

其实,很多数控机床都设置成开机回机床零位,就是消除因断电造成的垂直轴下落影响。有经验的操作者在机床紧停之后,也会做回参考点操作。

 

设计时应考虑降低生产成本,但有的数控机床生产厂家一味为了节约成本,对电气控制系统的设计往往只能保证实现最基本的动作,忽略了一些安全保护设计。这并不可取,应严格按规定执行。

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