針對數控機床垂直軸電磁制動器控制的優(yōu)化設計

程亮亮 王 虎

中車集團戚機公司

本文針對TK6916/L80 型數控落地鏜銑床Y 軸電磁制動系統(tǒng)的控制方法進行優(yōu)化設計，完善了機床制動器異常時的自檢測功能，有效提高了設備運行可靠性，對應用電磁制動器的裝備具有很高的推廣和應用價值。

國內某公司生產的TK6916/L80 數控落地鏜銑床，控制系統(tǒng)采用西門子840D 數控系統(tǒng)，主要應用于大型內燃機車機體等箱體類產品加工。原設計其垂直方向Y軸配有重錘鉛塊作為平衡裝置，為防止停機或故障異常導致主軸箱下墜危險，伺服電機配置有電磁制動器，制動器工作方式是在失電狀態(tài)下要求有可靠的剎車性能；軸運行時要求處于釋放狀態(tài)，使伺服電機處于正常運轉狀態(tài)。

1 問題分析

2014 年夏季，設備偶爾發(fā)生Y 軸伺服過載報警疑難故障，根據信息提示，我們對Y 軸傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母副、導軌潤滑系統(tǒng)、伺服電機、電磁制動器線圈等多方面進行檢測分析，未見異常，通過對制動器電源進行在線實時監(jiān)控，發(fā)現制動器電源電壓偶爾向下波動，同時產生故障報警停機。由此確認因電壓低于制動器允許最低電壓時，制動器工作電流過小，電機處于制動狀態(tài)造成過載運行。分析原制動器電氣控制設計，發(fā)現其設計采用開環(huán)控制方式：繼電器吸合后，控制系統(tǒng)不對制動器是否加載電壓和通過電流進行檢測。正是因為如此設計，導致故障分析十分困難，同時設備運行也存在安全風險。

2 解決方案

針對制動器應用工況分析，其故障主要分為兩類：（1）線圈電壓過低或失電。（2）線路、線圈開路或短路。為了避免上述故障，要求機床能在診斷系統(tǒng)異常時及時作出判斷，并顯示報警。目前大部分數控機床都沒有詳細設計這一功能，造成伺服故障維修過程漫長，排查較困難，嚴重時會使伺服電機損壞。本解決方案提出了制動器線圈電流閉環(huán)控制的解決方案：首先在剎車線圈回路上安裝電流檢測裝置，測量線圈的實時電流，當電流波動超出設定的最小值時，通過繼電器觸點給出信號。然后在PLC 信號中編寫相應軸的報警程序和報警文本信息，準確給出報警；如果發(fā)生線路、線圈短路，則由其電源短路保護裝置（熔斷器、斷路器）進行保護。

3 硬件設計：（以Y 軸為例）

繼電器選型

根據伺服電機參數表顯示的制動器阻值、功率或電流參數，選擇電流繼電器，通常計算方法為：電流繼電器量程取制動器額定電流的2.5～5 倍。

硬件為主的設計方案

對于不太熟悉840DPLC 編程調試或者更改PLC 程序不太方便的情況，可以采用以下簡易的方案：（以Y軸為例）通過電流繼電器（KI2）驅動一個時間繼電器（KT2），取KT2 的常閉觸點接入Y 軸的正/負向限位PLC 輸入點，這樣既可以避免誤動作，又可以保留報警記錄，電路如圖1。

當Y 軸在行程范圍內出現限位報警時，即首先排查制動器。

圖1

軟、硬件結合的設計方案

在控制柜內找到制動器線圈的主回路，將控制繼電器KY2 的輸出端拆下，串入電流繼電器KI2。取KI2 常開觸點，接入PLC 輸入點I32.0（搜索PLC 全部程序保證此輸入點未使用）。

4 軟件設計

報警號計算

PLC 報警信號和報警號是西門子定義的，DB2.DBX18a.b 對應700000 及以后的信號，報警號的計算公式為：

報警號=700000+8＊a+b+1。

程序編寫

在PLC 中，選取DB2 中未使用的報警接口信號，如DB2.DBX189.2，對應的報警號為700075.編寫如下PLC 用戶程序：

其中，Y45.2 為Y 軸制動器輸出信號，T2 為延時接通定時器，將其作為條件可避免系統(tǒng)誤報警。接下來調用FC10 標準的子程序處理PLC 用戶報警接口信號：

編寫報警文本

選擇SERVICE ? DATA SELECTION ?MBDDEALARMTEXTS，光標定位到該目錄，按DATA MANAGEMENT ?NEW，輸入報警文件名，如ybrake.com。然后按以下格式輸入文本：

70007510 “700075 AXIS Y BRAKE CRUNT ERROR”

（依次表示：報警號，顯示方式，是否有幫助文檔，報警內容）。如果要編寫中文的報警文本，則只能在計算機上編好后，下載傳入PCU50。

電流繼電器的調試

根據伺服電機參數表顯示的制動器阻值或電流參數，計算出電磁閥正常工作電流I1，調整電流繼電器的下限電流至0.8 倍I1 位置，然后打開制動器，降低制動器電壓至0.8 倍額定電壓，觀察是否能夠正常輸出報警。如果未正常動作，則重新調整電流繼電器直至符合要求。

5 結束語

本文針對齊二機床廠的數控落地鏜銑床Y 軸制動器系統(tǒng)故障，提出了閉環(huán)控制的理念，并給出了具體實施方法，分別從硬件連接、軟件設計、控制邏輯方面給予了簡明分析。解決方案可應用于其他帶有電磁制動器的控制裝置中，通過靈活應用，配合不同機床的實際情況，可有效提高裝備安全可靠性，迅速判斷故障減少維修時間。本方案是結合現場案例得出，供大家參考，與讀者朋友共勉。