數控機床垂向滾珠絲杠制動裝置

黨金行

（山東威達重工股份有限公司，山東滕州 277500）

數控機床的軸向運動，主要是用滾珠絲杠副進行驅動的。通常鉛垂使用的滾珠絲杠副承受著牽引力和部件重力的合力作用。由于滾珠絲杠副不能自鎖，所以，在停機狀態下，鉛垂軸部件會自然下滑。目前解決方案有兩種形式：增加平衡錘或采用平衡油缸。這兩種方法均有缺點：增加平衡錘，即增加了運動部件的質量，運動慣量加大，加速度降低，使快速移動速度下降；而采用平衡油缸，則需增加一套液壓附件，使機床結構更加復雜，制造成本增加。為了更好地解決這個問題，在這里介紹一種失電制動機構：數控機床垂向滾珠絲杠制動裝置，簡稱絲杠制動裝置。

1 構成及安裝

該絲杠制動裝置主要由外置失電制動器、內置失電制動器、接近開關和電氣等構成。圖1是垂向滾珠絲杠副上部剖視圖，滾珠絲杠副17、軸承1、套2、軸承蓋3和螺母裝在絲杠座15上，絲杠座15固裝在機床軀體16上，皮帶輪7裝在絲杠上端。其特點是：在軸承蓋3和皮帶輪7之間，裝有外置失電制動器5。外置失電制動器5的基體固定安裝在制動座6上，制動座6固定安裝在絲杠座15上，外置失電制動器5帶有動片4，動片4固定安裝在滾珠絲杠副17上。設有內置失電制動器14的伺服電動機12，同裝在絲杠座15上，伺服電動機12通過皮帶輪13、7和皮帶11與滾珠絲杠副17上端相連。另有一接近開關8，也固定安裝在絲杠座15上，控制接近開關8的彎片9，固定安裝在皮帶輪7上。

2 工作原理

當數控機床工作時，垂向伺服電動機、內置失電制動器、外置失電制動器也都在工作，此時的內置失電制動器和外置失電制動器都處于通電狀態，沒有制動作用；當機床處于非工作狀態或出現故障，特別是皮帶11斷裂或伺服電動機12失控斷電時，內置失電制動器和外置失電制動器也都隨之斷電，并及時轉向制動狀態，從而使滾珠絲杠副無法動作，即遏制了數控機床鉛垂軸部件的下滑，保證了機床的正常工作。

該絲杠制動裝置的控制原理（見圖2），控制控系統是由兩個閉環控制系統組成：一個是數控系統、驅動器、伺服電動機及伺服電動機尾部的反饋信號構成的閉環控制系統。其中內置失電制動器通過中間繼電器1接受數控系統的控制，數控系統通過反饋信號對伺服電動機的運動時時進行監測，并隨時控制內置失電制動器的工作狀態。當伺服電動機出現問題時，內置失電制動器就會及時實施制動。第二個閉環控制系統由數控系統、驅動器、伺服電動機、皮帶組件、滾珠絲杠及接近開關的反饋信號構成。其中外置失電制動器通過中間繼電器2接受數控系統的控制，數控系統通過接近開關的反饋信號對滾珠絲杠的運動時時進行監測，并隨時控制外置失電制動器的工作狀態。當皮帶斷裂或閉環內某個部位出現故障時，鉛垂軸部件就會自然下滑，并且反過來驅動滾珠絲杠旋轉。此時，接近開關將得到一個不正常的信號，數控系統收到反饋信號后就立即控制外置失電制動器實施制動。

從以上可以看出：第一個閉環控制系統包含在第二個閉環控制系統中，因此，本絲杠制動裝置具有兩級安全功能。

3 注意事項

在設計和使用該絲杠制動裝置時，應考慮以下幾點：①外置失電制動器的額定轉矩一般比伺服電動機的額定轉矩要大1.2～1.5倍；②外置失電制動器最好選用專業廠家的配套產品，不需自行設計；③電氣控制示意圖及原理，應事先與數控系統供應商協商；④本制動裝置也可以用于伺服電動機與滾珠絲杠直接聯結機構。

4 結語

本絲杠制動裝置在XH2412龍門式加工中心和XH1105立式加工中心上已經使用2年多，并逐步批量生產。經分析對比可以得出如下結論：

（1）由于數控機床每次重新啟動時都要回一次參考點，所以使用該裝置不影響機床精度；

（2）使用該裝置的成本僅是平衡油缸成本的1/8-1/10；

（3）結構緊湊，節省空間，不污染環境；

（4）外置失電制動器有專業廠家生產，不需自行設計；

（5）安全可靠，幾乎不用日常維護。

1 成大先.機械設計手冊.北京：化學工業出版社，2002.

2 機床設計手冊編寫組.機床設計手冊.北京：機械工業出版社，1979.