數控機床剎車電路故障分析與改進

喻曉浩，劉萃倫,李曉彬

（首都航天機械公司，北京 100076）

數控機床剎車電路故障分析與改進

喻曉浩，劉萃倫,李曉彬

（首都航天機械公司，北京 100076）

剎車系統是數控機床電氣控制的重要組成部分，通過機床剎車系統故障案例分析，針對故障原因采取相應的處理措施并給出消除后期使用隱患的改進措施。

數控機床；伺服電機；剎車電路梯形圖

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.32

1 數控機床進給軸剎車工作原理

數控設備的使用過程中，為鎖定各進給軸運動，防止垂直軸或傾斜軸因重力下滑，并保障大型設備進給軸停止時的穩定性，需要對伺服電機進行剎車控制。常見的帶制動器（剎車）伺服電機控制過程是：機床上電時，伺服準備好，伺服電機剎車釋放，進給軸可以正常運行；機床斷電或伺服報警時，伺服電機剎車并保持住進給軸。在機床上電、斷電、報警時，不允許任何進給軸出現瞬時下滑的現象。這就要求做到，機床上電時，伺服電機得到使能信號，延時后再松開抱閘；運行中報警或突然掉電時，高速運轉下的電機應迅速減速（在高速下瞬間制動，將會嚴重影響剎車線圈壽命，甚至會毀壞電機）后再抱緊剎車，延時后再關閉電機使能；機床下電時，先抱緊電機，由于剎車動作需要時間，因此，必須延時后才能再關閉電機使能。

2 電機剎車工作原理

如圖1所示，帶剎車的伺服電機采用常閉型設計，即失電時剎車制動，通電時剎車釋放。工作電源一般為DC 24 V，制動動作時間＜500 ms。控制原理：當電機剎車線圈通電時，線圈產生磁場使銜鐵盤吸向磁軛，銜鐵盤與制動盤脫離；當線圈斷電時，磁通消失，銜鐵盤被釋放，彈簧壓于銜鐵盤，將制動盤壓緊，由摩擦產生制動力矩達到制動的目的。

3 案例分析

3.1 案例1

圖1 伺服電機剎車示意圖

（1）故障現象。WHN-130型數控鏜銑床采用FANUC18i-MB數控系統，有X，Y，Z，W4個直線軸及B，C的2個旋轉軸。在班前熱機過程中，Y軸出現異常響聲，無任何報警。

（2）故障分析。測試發現Y軸在上下運動時，電機負載過大。經檢查，此故障是由于Y軸電機剎車未打開所致。異響發生時，Y軸電機剎車線圈已經燒毀，電機軸承及定子磨損嚴重。在排查剎車電路時，發現電氣柜內一24 V空開Q91跳閘。最初跳閘的原因可能為電源電網波動、空開本身問題或電機剎車線圈故障所致。但此空開跳閘沒有報警檢測，對于剎車系統是極大隱患。

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

圖2 電機剎車回路電路

從故障情況分析，該機床之所以出現剎車線圈及電機繞組燒壞現象，主要原因在于廠家在設計各伺服軸剎車電路時，未考慮到電機剎車線圈工作狀態下電流值的大小，隨意選用大電流空開導致。在正常狀態下，測量電機剎車線圈電阻，阻值在24 Ω左右，運行時剎車線圈電壓為直流24 V，可算出剎車線圈工作時的電流值在1 A左右。該機床4個直線軸電機均為相同型號，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，即便伺服電機剎車線圈老化，電流增大，此空開也無法起到保護作用，導致剎車線圈長時間受到大電流沖擊而燒壞。

此外，廠家對剎車電路未設置斷路報警提示，一旦任意一個直線軸電機剎車線圈燒壞，空開跳閘，整條剎車電路斷電，對應的X，Y，Z，W等4個直線軸伺服電機剎車全部無法打開，所有伺服軸都將在剎車未打開的狀態下工作，而且廠家選取的伺服電機扭矩較大，即使剎車未打開，在非滿負荷工況下，電機也不會出現過流報警，導致電機負載及電流增大，發熱嚴重，最終發生電機剎車線圈、電機繞組燒壞的情況。

該數控鏜銑床在出現故障時，工件只需要Y軸和Z軸參與加工，其中Y軸是大范圍移動，Z軸只有短距離移動，這也解釋了為何只有Y和Z2個軸的電機受損比較嚴重，而另外2個直線軸X和W軸電機未受過多影響的原因。

（3）改進措施。故障排除后，需要改進原剎車電路，消除機床后期使用過程的故障隱患。①剎車電路增加4個2 A帶輔助常閉觸點的空開，分別控制X，Y，Z，W軸剎車線圈。②在PMC中分別將來自4個輔助觸點信號設置為X4.0，X4.1，X4.2，X4.3用做報警信號，如圖3所示。③增加對應PLC程序段（圖4），圖4中粗體程序段為新增部分。電路改進后增加了相應報警文本。以X軸為例，當X軸剎車空開跳閘，面板會顯示A50.0的內容“X軸電機剎車線圈電源空開跳閘”，此時機床進入急停狀態，最大程度地保護設備。

圖3 改造后電機剎車回路

3.2 案例2

（1）故障現象。VMC2000數控加工中心，采用FANUC 18M系統，Z軸在加工中出現OVC過流報警，無法移動，表現為機械負載大。

圖4 改進后的剎車電路梯形圖

（2）故障分析。造成Z軸OVC過流報警有可能是機械過載、導軌潤滑不良、伺服單元故障、電機故障等原因。采用“機電分開”的維修方式，把Z軸電機與機械傳動部件脫離后分別檢查。關閉機床，由于Z軸是重力軸，首先要對其進行安全有效的支撐，防止主軸箱和Z軸掉落，造成對設備及人員的傷害。將伺服電機和傳動皮帶脫開后，本著“先機械后電氣”的維修原則，先對機械傳動部分進行檢查。手動轉絲杠，預緊力適中，表明機械負載問題不大，絲杠絲母及兩端軸承正常。拆開護罩檢查，導軌潤滑正常。

檢查電氣部分，機床上電后，在手輪方式下，按0.01 mm/min的轉速緩慢進給Z軸，出現OVC過流報警，說明故障點在電氣部分。拆下伺服電機剎車接頭，測量剎車線圈電壓為96 V，實際應為110 V，電壓表面看起來基本正常。懷疑是電機三相繞組絕緣不良所產生的過流報警。由于Z軸電機所裝部位空間狹小，不利于操作測量，將其拆下運回維修間進一步檢查。使用搖表測量顯示電機三相之間和對地絕緣良好，上操作臺測試電機，并使用110 V穩壓交流電源給電機剎車線圈，剎車能夠正常打開閉合，電機能夠運轉正常。說明故障點在機床控制剎車電路部分。之前所測量出的剎車線圈電壓為感應電，無電流，無法帶動實際負載。檢查PLC I/O控制板，110 V電源側連接有潤滑泵、各類電磁閥、Z軸剎車以及電器柜風扇。經過逐步排除，最終確定故障點為電器柜散熱風扇損壞，致使共用變壓器過熱（但還沒有燒毀），帶載能力下降，Z軸剎車無法打開，在移動中導致Z軸負載過大出現OVC報警。更換電器柜風扇后，故障排除。

（3）改進措施。購置新的變壓器，將Z軸剎車線圈電源獨立出來，檢測并在空開跳閘時進行報警。

4 結語

剎車電路控制直接關系到人身與設備安全，是數控機床維護人員必須要重點關注的，對于剎車控制電路，設計人員和維修人員應該重點注意：（1）無論剎車線圈是24 V還是110 V，應做到獨立供電，消除其他部件損壞帶來的影響。（2）剎車控制電路故障，必須要有報警提示，提示操作者及時停止機床運行。（3）日常巡檢到位，發現設備異響或負載異常，應及時處理。

TG659

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〔編輯 李 波〕