西门子840D SL 系统垂直轴抱闸的双路控制

中捷机床有限公司 (辽宁沈阳 110141)马俊杰

随着现代科技的迅猛发展，人们对设备安全的要求越来越高，在数控机床中应用更先进更安全的设计理念已经成为一种趋势。在数控机床的调试和应用过程中，垂直轴的抱闸控制一直是设计中安全性要求最高的部分。引入一种更加安全的设计思路当然也是刻不容缓。什么是抱闸控制?在数控机床中，为了锁住与伺服电动机相连的垂直轴的运动，防止机床垂直轴下滑，须对伺服电动机或减速机进行抱闸控制。本文将从多方面分析入手，介绍一种比较有效的控制方法，实现更安全可靠的抱闸控制。本文主要以我公司生产的重大型机床设备应用的西门子840D SL 系统为例予以说明，其他产品的抱闸控制方法可参考其进行。

抱闸的控制原理:当制动器线圈通电时，线圈产生磁场使衔铁盘吸向磁轭，衔铁盘与制动盘脱离;当线圈断电时，磁通消失，衔铁盘被释放，弹簧施压于衔铁盘，将制动盘压紧，由摩擦产生制动力矩达到制动的目的。

总体要求:机床上电后正常工作时，垂直轴抱闸释放;机床断电或伺服报警后，抱闸实现制动并保持垂直轴不下滑。而且，在机床上电时，要保证伺服电动机先使能，延时后再松开抱闸。机床报警或突然掉电时，高速运转下的电动机先减速后再抱紧电动机，延时后再关闭电动机使能。机床下电时，先抱紧电动机，由于制动器动作需要时间，因此，必须延时后才能再关闭电动机使能。

在数控机床设计中，关于垂直轴抱闸的控制部分，我们普遍应用的方式是通过驱动模块自带的抱闸点控制电动机抱闸或减速机抱闸。硬件的连接方式，如图1 所示。

当驱动模块检测到一切准备好，电动机有使能后，驱动模块会通过抱闸点输出24V 的高电平，控制电动机抱闸或减速机抱闸的松开。当电动机模块检测到报警或断开电动机使能的同时，电动机模块的抱闸输出点会自动断开。从而保证了电动机的垂直轴不会因为意外报警或电动机没使能导致垂直轴突然下滑。

图1

以上的设计能够满足简单的小型机床的垂直轴抱闸控制。但在重大型机床的设计中，对垂直轴抱闸控制的安全性要求就要非常严格。对复杂的抱闸进行控制设计以及减速机抱闸电流要求较大时，就需要更加完善的设计。而且毕竟上述方法是单路控制，如果该路控制逻辑出现了错误，后果就不可想象。为了进一步提升设备的安全性，我们对垂直轴的抱闸控制采用双路外接电源控制。这样就弥补了上述单路控制方式的缺陷，大幅度提高了机床的安全性能。

下面我们就以重大型机床中的垂直轴(Z 轴)的减速机抱闸控制为例来说明抱闸双路控制的实现方法。

1.硬件连接

(1)第一路通过伺服的抱闸控制点控制继电器K14。如图2 所示。

图2

(2)第二路通过NCU 快速I/O 点控制继电器K14A。如图3 所示。

(3)将两个继电器串联控制电动机减速箱抱闸松开的24V 端(也可以控制非24V 的D 电压电源端)。如图4 所示。

图3

2.具体控制方法

图4

(1)第一路控制 伺服抱闸控制需要在配置驱动时将该轴配置成有抱闸的电动机轴。配置完成后，当驱动模块检测到一切信号准备好，驱动轴有使能的同时，伺服的抱闸控制点会有高电平输出。如图2 所示，继电器K14 得电有动作。

(2)第二路控制 如图3 所示，我们需要将NCU 硬件X122 的11 脚配置成NC 程序中所用到的快速I/O，例如$A_ OUT ［1］。这样就可以通过NC程序编程来控制$A_ OUT ［1］的状态值，从而控制了NCU 硬件X122 的11 脚的输出状态。

如图5 中所示，在操作面板的参数界面中找到NCU 控制器参数，将其中的参数P728 的bit11 改写为1，以上操作是将X122 的11 脚设置为输出。

图5

通过图5 可以看出:将X122 的11 脚配置成输出后，该脚输出的源头为参数P0741。也就是说当P0741 为1 时，X122 的11 脚就会有高电平的输出。NC 变量$A_ OUT ［1］在NCU 控制器中与参数r2091.0 相关联。当NC 变量$A_ OUT ［1］的状态值变为1 时，参数r2091.0 的值就会变为1。在NCU控制器P 参数中将P0741 更改为r2091.0。参数r2091.0 的状态值就会传送给参数P0741。

经过以上配置，在NCU 的内部将形成一个BICO连接。$A_ OUT ［1］—＞r2091.0 —＞P0741 —＞X122 的11 脚。此时，只要NC 变量$A_ OUT ［1］有输出，在X122 的11 脚就会有高电平的输出。也就是说我们只要对NC 变量$A_ OUT ［1］进行编程控制，就可以控制NCU 硬件X122 的11 脚的输出。这个步骤我们会在下面的步骤(3)中应用到。

PLC 程序如下:

以上PLC 程序中可以看出，当Z 轴处于正常状态，没有轴禁止的报警并且确保关于Z 轴的一切信号正常时，M250.0=1，此时状态代表Z 轴可正常移动，抱闸可以打开。

通过FC21 功能的调用，将MB250 的整个字节状态位值与$A_ DBB ［1023］的整个字节状态相关联。在PLC 程序中只要有MB250 字节状态的改变，NC 变量$A_ DBB ［1023］的整个字节状态就会发生相应的变化。

在NC 同步子程序IDS.SPF 中编入以下程序段:

其中，$VA_DPE ［ZM］为驱动的脉冲使能，只要该驱动有脉冲使能，$VA_ DPE ［ZM］=1。当Z 轴处于正常状态，没有轴禁止的报警时，PLC变量M250.0=1，会引起NC 程序中($A_DBB［1023］B_AND 'B00000001')=1 的变化。

从以上子程序的执行过程中可以看出，当M250.0=1 并且$VA_DPE ［ZM］=1 时，$A_OUT ［1］=1，NCU 硬件X122 的8 脚就会有高电平的输出。继电器K14A 得电有动作。

通过以上两路的控制，只有在所有条件都满足的情况下，才可能使K14 和K14A 同时得电有动作，共同控制电动机减速机的抱闸打开。在这个过程中无论发生NC 错误、PLC 死机还是驱动失效都不会打开减速机的抱闸，从而实现了NC、PLC、驱动多路控制抱闸的功能，全方面保证了垂直轴的安全。