数控机床垂直轴防下落分析与设计.doc

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1、数控机床垂直轴防下落分析与设计摘要：本文基于典型数控系统FANUC0i系列，从电源配置、通电时序、防止下落措施等方面详细分析了数控机床防止上垂直轴下落的问题，并给出了实际的设计应用案例。关键词：数控机床；FANUC；垂直轴；下落中图分类号：TG659文献标识码：B文章编号：1004-0420(2009)05-0024-03   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（如Z轴，断电时因重力作用而下落）或水平放置的高速大惯量传动，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。除了采用平衡锤，使用具有制动装置的伺服电动机是最简单的

2、方法。本文以FANUC系统中制动器的控制说明如何有效地防止垂直轴下落。                                                                   图1电磁制动器1制动器电源配置   制动器本质上是直流电磁铁，上电释放。FANUCβis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2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（Ursm），故调整初级输入抽头的位置，如AC100-110-120V还是AC200-220-240V。全波整流输出电压有效值Uorsm=0.

3、9Ursm，最终检查制动器的电源电压在±10%范围内波动。   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，并且使用灭弧器（sparkkiller）和浪涌吸收器（surgeabsorber）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线圈共用24V，注意电源容量即可。图2制动器直流24V电源回路2制动器上电与下电的时序   

4、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3、4所示。 图3伺服与制动器动作时序图图4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，

5、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3所示。3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。   3.1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；   3.2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

6、压较高，如200V），如图5；图5制动器驱动电源电路3.3保持CNC和放大器控制电源（DC24V）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证DC24V的维持时间，如图6。   3.4伺服软件的“制动器功能”。由于制动器的动作滞后而产生轴的下落，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7所示。图6CNC电源与制动器动作时间关系图7伺服软件中的“制动器功能”    可以在一定的范围内

7、延迟控制MCC断电的时间，另外，还可以延迟紧停起作用时间。设一般制动器动作的时间为t1，选择MCC延迟断电时间t2大于t1，紧停起作用时间为t3，t3>t2，就可以达到控制主轴箱下滑目的。比如，选择t1=50~100ms，t2=200ms，t3=400ms。设定如下：   P2005#6=1,制动器功能有效。P2083设定延时时间（ms）t2，一般设定200左右，假设机械夹紧时间t1约为50~100ms，具体要看机械重力