數(shù)控機(jī)床剎車電路故障分析與改進(jìn)

喻曉浩，劉萃倫,李曉彬

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

數(shù)控機(jī)床剎車電路故障分析與改進(jìn)

喻曉浩，劉萃倫,李曉彬

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

剎車系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床電氣控制的重要組成部分，通過機(jī)床剎車系統(tǒng)故障案例分析，針對(duì)故障原因采取相應(yīng)的處理措施并給出消除后期使用隱患的改進(jìn)措施。

數(shù)控機(jī)床；伺服電機(jī)；剎車電路梯形圖

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.32

1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸剎車工作原理

數(shù)控設(shè)備的使用過程中，為鎖定各進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)，防止垂直軸或傾斜軸因重力下滑，并保障大型設(shè)備進(jìn)給軸停止時(shí)的穩(wěn)定性，需要對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行剎車控制。常見的帶制動(dòng)器（剎車）伺服電機(jī)控制過程是：機(jī)床上電時(shí)，伺服準(zhǔn)備好，伺服電機(jī)剎車釋放，進(jìn)給軸可以正常運(yùn)行；機(jī)床斷電或伺服報(bào)警時(shí)，伺服電機(jī)剎車并保持住進(jìn)給軸。在機(jī)床上電、斷電、報(bào)警時(shí)，不允許任何進(jìn)給軸出現(xiàn)瞬時(shí)下滑的現(xiàn)象。這就要求做到，機(jī)床上電時(shí)，伺服電機(jī)得到使能信號(hào)，延時(shí)后再松開抱閘；運(yùn)行中報(bào)警或突然掉電時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的電機(jī)應(yīng)迅速減速（在高速下瞬間制動(dòng)，將會(huì)嚴(yán)重影響剎車線圈壽命，甚至?xí)碾姍C(jī)）后再抱緊剎車，延時(shí)后再關(guān)閉電機(jī)使能；機(jī)床下電時(shí)，先抱緊電機(jī)，由于剎車動(dòng)作需要時(shí)間，因此，必須延時(shí)后才能再關(guān)閉電機(jī)使能。

2 電機(jī)剎車工作原理

如圖1所示，帶剎車的伺服電機(jī)采用常閉型設(shè)計(jì)，即失電時(shí)剎車制動(dòng)，通電時(shí)剎車釋放。工作電源一般為DC 24 V，制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間＜500 ms。控制原理：當(dāng)電機(jī)剎車線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)使銜鐵盤吸向磁軛，銜鐵盤與制動(dòng)盤脫離；當(dāng)線圈斷電時(shí)，磁通消失，銜鐵盤被釋放，彈簧壓于銜鐵盤，將制動(dòng)盤壓緊，由摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩達(dá)到制動(dòng)的目的。

3 案例分析

3.1 案例1

圖1 伺服電機(jī)剎車示意圖

（1）故障現(xiàn)象。WHN-130型數(shù)控鏜銑床采用FANUC18i-MB數(shù)控系統(tǒng)，有X，Y，Z，W4個(gè)直線軸及B，C的2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在班前熱機(jī)過程中，Y軸出現(xiàn)異常響聲，無(wú)任何報(bào)警。

（2）故障分析。測(cè)試發(fā)現(xiàn)Y軸在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)負(fù)載過大。經(jīng)檢查，此故障是由于Y軸電機(jī)剎車未打開所致。異響發(fā)生時(shí)，Y軸電機(jī)剎車線圈已經(jīng)燒毀，電機(jī)軸承及定子磨損嚴(yán)重。在排查剎車電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)電氣柜內(nèi)一24 V空開Q91跳閘。最初跳閘的原因可能為電源電網(wǎng)波動(dòng)、空開本身問題或電機(jī)剎車線圈故障所致。但此空開跳閘沒有報(bào)警檢測(cè)，對(duì)于剎車系統(tǒng)是極大隱患。

如機(jī)床電路圖（圖2）所示，QF91空開（C65N-C16A 1P）上端從DC24 V電源引出，下端通過KA103機(jī)床硬限位保護(hù)回路和KA105機(jī)床急停開關(guān)回路，分別與X，Y，Z，W軸伺服電機(jī)KA11，KA12，KA13，KA14回路連接。KA11至KA14分別控制X，Y，Z，W等4個(gè)直線軸伺服電機(jī)（型號(hào)：FANUC αiF 40B/3000）的剎車電路。將Y軸剎車線路單獨(dú)去掉，再次閉合QF91空開，分別測(cè)量X，Z，W剎車回路的電流，發(fā)現(xiàn)Z軸剎車電流為14 A左右，大大超出了電機(jī)剎車正常的工作電流，可見Z軸電機(jī)剎車線圈也即將燒損。

圖2 電機(jī)剎車回路電路

從故障情況分析，該機(jī)床之所以出現(xiàn)剎車線圈及電機(jī)繞組燒壞現(xiàn)象，主要原因在于廠家在設(shè)計(jì)各伺服軸剎車電路時(shí)，未考慮到電機(jī)剎車線圈工作狀態(tài)下電流值的大小，隨意選用大電流空開導(dǎo)致。在正常狀態(tài)下，測(cè)量電機(jī)剎車線圈電阻，阻值在24 Ω左右，運(yùn)行時(shí)剎車線圈電壓為直流24 V，可算出剎車線圈工作時(shí)的電流值在1 A左右。該機(jī)床4個(gè)直線軸電機(jī)均為相同型號(hào)，剎車線圈工作電流基本一致。因此該剎車電路總電流基本在4 A左右。而廠家選用的16 A的空開，大大超出剎車電路的電流上限。因此，即便伺服電機(jī)剎車線圈老化，電流增大，此空開也無(wú)法起到保護(hù)作用，導(dǎo)致剎車線圈長(zhǎng)時(shí)間受到大電流沖擊而燒壞。

此外，廠家對(duì)剎車電路未設(shè)置斷路報(bào)警提示，一旦任意一個(gè)直線軸電機(jī)剎車線圈燒壞，空開跳閘，整條剎車電路斷電，對(duì)應(yīng)的X，Y，Z，W等4個(gè)直線軸伺服電機(jī)剎車全部無(wú)法打開，所有伺服軸都將在剎車未打開的狀態(tài)下工作，而且廠家選取的伺服電機(jī)扭矩較大，即使剎車未打開，在非滿負(fù)荷工況下，電機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)過流報(bào)警，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載及電流增大，發(fā)熱嚴(yán)重，最終發(fā)生電機(jī)剎車線圈、電機(jī)繞組燒壞的情況。

該數(shù)控鏜銑床在出現(xiàn)故障時(shí)，工件只需要Y軸和Z軸參與加工，其中Y軸是大范圍移動(dòng)，Z軸只有短距離移動(dòng)，這也解釋了為何只有Y和Z2個(gè)軸的電機(jī)受損比較嚴(yán)重，而另外2個(gè)直線軸X和W軸電機(jī)未受過多影響的原因。

（3）改進(jìn)措施。故障排除后，需要改進(jìn)原剎車電路，消除機(jī)床后期使用過程的故障隱患。①剎車電路增加4個(gè)2 A帶輔助常閉觸點(diǎn)的空開，分別控制X，Y，Z，W軸剎車線圈。②在PMC中分別將來自4個(gè)輔助觸點(diǎn)信號(hào)設(shè)置為X4.0，X4.1，X4.2，X4.3用做報(bào)警信號(hào)，如圖3所示。③增加對(duì)應(yīng)PLC程序段（圖4），圖4中粗體程序段為新增部分。電路改進(jìn)后增加了相應(yīng)報(bào)警文本。以X軸為例，當(dāng)X軸剎車空開跳閘，面板會(huì)顯示A50.0的內(nèi)容“X軸電機(jī)剎車線圈電源空開跳閘”，此時(shí)機(jī)床進(jìn)入急停狀態(tài)，最大程度地保護(hù)設(shè)備。

圖3 改造后電機(jī)剎車回路

3.2 案例2

（1）故障現(xiàn)象。VMC2000數(shù)控加工中心，采用FANUC 18M系統(tǒng)，Z軸在加工中出現(xiàn)OVC過流報(bào)警，無(wú)法移動(dòng)，表現(xiàn)為機(jī)械負(fù)載大。

圖4 改進(jìn)后的剎車電路梯形圖

（2）故障分析。造成Z軸OVC過流報(bào)警有可能是機(jī)械過載、導(dǎo)軌潤(rùn)滑不良、伺服單元故障、電機(jī)故障等原因。采用“機(jī)電分開”的維修方式，把Z軸電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)部件脫離后分別檢查。關(guān)閉機(jī)床，由于Z軸是重力軸，首先要對(duì)其進(jìn)行安全有效的支撐，防止主軸箱和Z軸掉落，造成對(duì)設(shè)備及人員的傷害。將伺服電機(jī)和傳動(dòng)皮帶脫開后，本著“先機(jī)械后電氣”的維修原則，先對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行檢查。手動(dòng)轉(zhuǎn)絲杠，預(yù)緊力適中，表明機(jī)械負(fù)載問題不大，絲杠絲母及兩端軸承正常。拆開護(hù)罩檢查，導(dǎo)軌潤(rùn)滑正常。

檢查電氣部分，機(jī)床上電后，在手輪方式下，按0.01 mm/min的轉(zhuǎn)速緩慢進(jìn)給Z軸，出現(xiàn)OVC過流報(bào)警，說明故障點(diǎn)在電氣部分。拆下伺服電機(jī)剎車接頭，測(cè)量剎車線圈電壓為96 V，實(shí)際應(yīng)為110 V，電壓表面看起來基本正常。懷疑是電機(jī)三相繞組絕緣不良所產(chǎn)生的過流報(bào)警。由于Z軸電機(jī)所裝部位空間狹小，不利于操作測(cè)量，將其拆下運(yùn)回維修間進(jìn)一步檢查。使用搖表測(cè)量顯示電機(jī)三相之間和對(duì)地絕緣良好，上操作臺(tái)測(cè)試電機(jī)，并使用110 V穩(wěn)壓交流電源給電機(jī)剎車線圈，剎車能夠正常打開閉合，電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)正常。說明故障點(diǎn)在機(jī)床控制剎車電路部分。之前所測(cè)量出的剎車線圈電壓為感應(yīng)電，無(wú)電流，無(wú)法帶動(dòng)實(shí)際負(fù)載。檢查PLC I/O控制板，110 V電源側(cè)連接有潤(rùn)滑泵、各類電磁閥、Z軸剎車以及電器柜風(fēng)扇。經(jīng)過逐步排除，最終確定故障點(diǎn)為電器柜散熱風(fēng)扇損壞，致使共用變壓器過熱（但還沒有燒毀），帶載能力下降，Z軸剎車無(wú)法打開，在移動(dòng)中導(dǎo)致Z軸負(fù)載過大出現(xiàn)OVC報(bào)警。更換電器柜風(fēng)扇后，故障排除。

（3）改進(jìn)措施。購(gòu)置新的變壓器，將Z軸剎車線圈電源獨(dú)立出來，檢測(cè)并在空開跳閘時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

剎車電路控制直接關(guān)系到人身與設(shè)備安全，是數(shù)控機(jī)床維護(hù)人員必須要重點(diǎn)關(guān)注的，對(duì)于剎車控制電路，設(shè)計(jì)人員和維修人員應(yīng)該重點(diǎn)注意：（1）無(wú)論剎車線圈是24 V還是110 V，應(yīng)做到獨(dú)立供電，消除其他部件損壞帶來的影響。（2）剎車控制電路故障，必須要有報(bào)警提示，提示操作者及時(shí)停止機(jī)床運(yùn)行。（3）日常巡檢到位，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異響或負(fù)載異常，應(yīng)及時(shí)處理。

TG659

B

〔編輯 李 波〕