针对数控机床垂直轴电磁制动器控制的优化设计

程亮亮 王 虎

中车集团戚机公司

本文针对TK6916/L80 型数控落地镗铣床Y 轴电磁制动系统的控制方法进行优化设计，完善了机床制动器异常时的自检测功能，有效提高了设备运行可靠性，对应用电磁制动器的装备具有很高的推广和应用价值。

国内某公司生产的TK6916/L80 数控落地镗铣床，控制系统采用西门子840D 数控系统，主要应用于大型内燃机车机体等箱体类产品加工。原设计其垂直方向Y轴配有重锤铅块作为平衡装置，为防止停机或故障异常导致主轴箱下坠危险，伺服电机配置有电磁制动器，制动器工作方式是在失电状态下要求有可靠的刹车性能；轴运行时要求处于释放状态，使伺服电机处于正常运转状态。

1 问题分析

2014 年夏季，设备偶尔发生Y 轴伺服过载报警疑难故障，根据信息提示，我们对Y 轴传动系统中的丝杠螺母副、导轨润滑系统、伺服电机、电磁制动器线圈等多方面进行检测分析，未见异常，通过对制动器电源进行在线实时监控，发现制动器电源电压偶尔向下波动，同时产生故障报警停机。由此确认因电压低于制动器允许最低电压时，制动器工作电流过小，电机处于制动状态造成过载运行。分析原制动器电气控制设计，发现其设计采用开环控制方式：继电器吸合后，控制系统不对制动器是否加载电压和通过电流进行检测。正是因为如此设计，导致故障分析十分困难，同时设备运行也存在安全风险。

2 解决方案

针对制动器应用工况分析，其故障主要分为两类：（1）线圈电压过低或失电。（2）线路、线圈开路或短路。为了避免上述故障，要求机床能在诊断系统异常时及时作出判断，并显示报警。目前大部分数控机床都没有详细设计这一功能，造成伺服故障维修过程漫长，排查较困难，严重时会使伺服电机损坏。本解决方案提出了制动器线圈电流闭环控制的解决方案：首先在刹车线圈回路上安装电流检测装置，测量线圈的实时电流，当电流波动超出设定的最小值时，通过继电器触点给出信号。然后在PLC 信号中编写相应轴的报警程序和报警文本信息，准确给出报警；如果发生线路、线圈短路，则由其电源短路保护装置（熔断器、断路器）进行保护。

3 硬件设计：（以Y 轴为例）

继电器选型

根据伺服电机参数表显示的制动器阻值、功率或电流参数，选择电流继电器，通常计算方法为：电流继电器量程取制动器额定电流的2.5～5 倍。

硬件为主的设计方案

对于不太熟悉840DPLC 编程调试或者更改PLC 程序不太方便的情况，可以采用以下简易的方案：（以Y轴为例）通过电流继电器（KI2）驱动一个时间继电器（KT2），取KT2 的常闭触点接入Y 轴的正/负向限位PLC 输入点，这样既可以避免误动作，又可以保留报警记录，电路如图1。

当Y 轴在行程范围内出现限位报警时，即首先排查制动器。

图1

软、硬件结合的设计方案

在控制柜内找到制动器线圈的主回路，将控制继电器KY2 的输出端拆下，串入电流继电器KI2。取KI2 常开触点，接入PLC 输入点I32.0（搜索PLC 全部程序保证此输入点未使用）。

4 软件设计

报警号计算

PLC 报警信号和报警号是西门子定义的，DB2.DBX18a.b 对应700000 及以后的信号，报警号的计算公式为：

报警号=700000+8＊a+b+1。

程序编写

在PLC 中，选取DB2 中未使用的报警接口信号，如DB2.DBX189.2，对应的报警号为700075.编写如下PLC 用户程序：

其中，Y45.2 为Y 轴制动器输出信号，T2 为延时接通定时器，将其作为条件可避免系统误报警。接下来调用FC10 标准的子程序处理PLC 用户报警接口信号：

编写报警文本

选择SERVICE ▶ DATA SELECTION ▶MBDDEALARMTEXTS，光标定位到该目录，按DATA MANAGEMENT ▶NEW，输入报警文件名，如ybrake.com。然后按以下格式输入文本：

70007510 “700075 AXIS Y BRAKE CRUNT ERROR”

（依次表示：报警号，显示方式，是否有帮助文档，报警内容）。如果要编写中文的报警文本，则只能在计算机上编好后，下载传入PCU50。

电流继电器的调试

根据伺服电机参数表显示的制动器阻值或电流参数，计算出电磁阀正常工作电流I1，调整电流继电器的下限电流至0.8 倍I1 位置，然后打开制动器，降低制动器电压至0.8 倍额定电压，观察是否能够正常输出报警。如果未正常动作，则重新调整电流继电器直至符合要求。

5 结束语

本文针对齐二机床厂的数控落地镗铣床Y 轴制动器系统故障，提出了闭环控制的理念，并给出了具体实施方法，分别从硬件连接、软件设计、控制逻辑方面给予了简明分析。解决方案可应用于其他带有电磁制动器的控制装置中，通过灵活应用，配合不同机床的实际情况，可有效提高装备安全可靠性，迅速判断故障减少维修时间。本方案是结合现场案例得出，供大家参考，与读者朋友共勉。