高可靠性失电制动进给箱设计

赵康原，李立强

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

1 引言

我国立式加工中心、数控立式车床、数控龙门镗铣床、数控龙门移动式镗铣床垂直刀架滑枕的Z 轴进给箱和横梁升降W 轴进给箱中，一般使用滚珠丝杠、齿轮齿条驱动滑枕、横梁作进给运动，由于滚珠丝杠、齿轮齿条传动结构不能自锁，滑枕、横梁在机器控制故障意外切断驱动电源或断电情况由于自身重力的作用下向下产生滑落，为了克服滑枕、横梁自身的重力，进给箱一般选用带抱闸型伺服电机进行制动，在机床断电时，带抱闸型的伺服电机制动滑枕、横梁，但是，当伺服电机发生故障时，将会导致滑枕、横梁滑落事故。

为了克服上述不足，研制了一种高可靠性失电制动进给箱，该进给箱具有制动扭矩大、可靠性高、安全性好的特点，在伺服电机发生故障时，该进给箱仍能安全、可靠地对垂直进给部件进行制动。

2 高可靠性失电制动进给箱结构介绍

高可靠性失电制动进给箱包括：伺服电机、失电制动保护器、电机轴齿轮、大齿轮、进给箱体、滚珠丝杠、横梁、滚珠丝杠螺母。其中伺服电机与电机轴齿轮通过键连接，电机轴齿轮与大齿轮降速啮合传动，大齿轮与滚珠丝杠通过键连接，整个传动机构通过进给箱体与立柱固定连接。

失电制动保护器选用意大利泰普利公司的KF8/D 型制动器，制动原理如下：

图1 失电制动保护器

如图1，失电制动器组件由固定螺丝9 把合安装在机床立柱顶面，花键套5 与横梁垂直进给滚珠丝杠通过单键连接。机床工作状态时，失电制动保护器通电，线圈7通电后伸长，电磁体1 与电枢端板2出现间隙，扭矩弹簧3 达到自由状态，当机床突然断电，线圈7 断电后缩短，扭矩弹簧3 压缩后产生弹力作用于电枢端板2 上，通过压力摩擦制动摩擦圆盘4 及花键套5，从而实现制动功能。

高可靠性失电制动进给箱在机床正常工作时，失电制动保护器不制动，伺服电机驱动电机轴齿轮转动，电机轴齿轮与大齿轮啮合传动，大齿轮转动带动滚珠丝杠转动，并带动滚珠丝杠螺母实现横梁上、下进给运动。

高可靠性失电制动进给箱在机床断电时，伺服电机和失电制动保护器同时制动横梁，一方面伺服电机制动，从而通过电机轴齿轮与大齿轮使滚珠丝杠制动，相应地使滚珠丝杠螺母、横梁制动；另一方面失电制动保护器断电制动，直接使滚珠丝杠制动，相应地使滚珠丝杠螺母、横梁制动。因此，在伺服电机发生故障的情况下，失电制动保护器能够独立制动横梁，有效地防止了横梁滑落事故的发生。

3 高可靠性失电制动进给箱制动扭矩校核

式中：M为制动器制动扭矩，Nm；F为制动负载重量，N；i为降速比；a为安全系数（大型机床a=1.2～1.3）；η为效率（直连传动方式可取η=0.9）。当横梁重量G1=7500kg，刀架重量G2=4500kg 时，F=G1g+G2g=7500×9.8+4500×9.8=117600。

本产品横梁进给采用双丝杠驱动，因此配有两套失电制动器。

单套制动器制动扭矩能力为300N·m，双套制动器制动扭矩共为300×2=600N·m，大于负载扭矩，因此满足横梁进给制动要求。

图2 高可靠性失电制动进给箱附图

4 高可靠性失电制动进给箱优点

如图2，高可靠性失电制动进给箱可在未安装电机的情况下，任意位置抱住轴，方便机床安装调试。即使在频繁紧急停机制动后仍可维持较长的使用寿命。密封的刹车壳体能有效防止冷却液和润滑液的渗透。反应时间短且制动性能高，可实现小距离的制动。

通过采用高可靠性失电制动进给箱避免了因机器控制故障意外切断驱动电源或断电情况下所导致的危险，提高了横梁垂直进给的可靠性，同时使所有工作模式下都可保护人员的安全。该可靠性失电制动进给箱结构已在国家数控重大专项产品高档立式铣车复合加工中心上投入使用，使用效果良好，经济效果显著。该高可靠性失电制动进给箱结构已获国家知识产权局专利授权，专利号：ZL201020669839.1。