数控机床重力轴失电异常下坠问题改造

上海通用东岳动力总成有限公司 (264006)郭 兴

重力轴失电情况下异常下坠，指的是垂直轴的伺服系统急停或者异常掉电等情况发生时，由于自身重力和刹车响应等原因，垂直轴的位置会有一个下坠，异常情况下，这种下坠量甚至会超过3mm。

这种异常下坠的危害很大，例如，会导致断刀、机械磨损或者精度下降等。下面通过一个实际案例的介绍，阐述类似问题的危害以及根治措施。

1.典型案例

我们公司缸盖机加工生产线的一台加工中心，发生一起停机时间超过120h 的重大停机事故，下面对整个维修过程作简单的介绍。

(1)故障现象 维修人员接到生产线操作工的报警:机床正常加工换刀过程中异响。接到报警后，切断设备电源，检查换刀臂，发现换刀臂滑销脱落，如图1 所示。

(2)维修过程 图2 是整个故障的主要步骤罗列，在笔者的另外一篇文章里有详细的记录。此处不再详细复述。

图1

如图2 所示，正常换刀过程中，当刀具未完全插入主轴内部时，机床发生报警急停，由于设备本身设计缺陷，此时，主轴在设备发生急停的情况下，会有一个异常下坠(超过3mm)，由于此时刀具未完全脱开换刀臂，这样，换刀臂就受到了主轴下坠的外力下拉，导致换刀臂内部轴承异常磨损、主轴内锥孔磨损、换刀位置丢失等。

因为在当初处理故障的时候，这个设计缺陷，我们并不知晓，导致了后面走了很多弯路，粗略计算损失至少46h 停机。

设备发生故障，急停时的状态如图3 所示;Y 轴异常下坠，带动换刀臂错位，如图4 所示。

2.FANUC 防止重力轴异常下坠的原理

了解了垂直轴使能丢失后异常下坠问题的影响严重程度，我们来看一下为什么笔者称之为“机床设计缺陷”。

该设备使用的控制系统是FANUC 最新的16i 系统，FANUC 系统对重力轴异常下坠问题，有一整套的解决方案，按照经验，重力轴在使能丢失的情况下，允许的下坠量应控制在0.1mm 以内。下面详细介绍FANUC 防止重力轴异常下坠的原理以及改造过程。

图2

图3

图4

FANUC 系统对重力轴异常下坠的解决思路是:尽可能缩短刹车响应时间。即为了使重力轴在伺服电源断开之前，能够迅速刹车，使重力轴尽量保持在原来的位置。

从控制角度，有两种方法可以实现这个目的:①当检测到伺服电源断开时，刹车立刻生效。②当伺服电源断开时，始终保持电动机励磁，直到电动机刹车生效。

这里我们只介绍第一种方法，这种方法是相对简单，且经过我们反复验证有效的措施。电气硬件控制回路如图5 所示。

具体改造如图6 所示。

图6 中圆框的触点是后期改造新增的。

图5

图6

具体控制时序图如图7 所示。

图7

根据上图可以知道，从检测到电源断开到刹车起效，所用的时间包括:接触器响应时间+刹车动作响应时间，即接触器复位时间+刹车动作响应时间。

我们取OMRON 的继电器(型号G2R)作为试验用继电器，实际测量它的复位时间为:10msFANUC伺服电动机内置刹车的响应时间，根据说明手册，如附表所示。

即，若取OMRON 继电器和α12i 电动机为例，计算整个刹车响应时间为

试验结果表

3.改造效果验证

经过上面的改造，通过MCCOFF 直接触发刹车信号，过程中减少了NC 到PLC 的传输时间、PLC 扫描时间及I/O 信号传输时间，因此，极大地提高了刹车响应速度。下面是机床上的实测结果:

第1 步:改造之前将机床起动，回到HOME 位置，记录Y 轴绝对坐标，Y 100.0;拉下电控柜主切断开关，模拟伺服异常掉电的情况，等待几分钟，上电，记录机床Y 轴绝对坐标值，Y 96.7。由此说明机床在异常失电的情况下，重力轴下坠量为100.0mm-96.7mm=3.3mm。

第2 步:经过上面的改造之后，重复上面的操作，异常断电后，机床绝对坐标值为Y 99.970，即同样的异常失电情况，Y 轴下坠量为0.03mm，异常失电情况下的重力轴下坠问题得到了很好的抑制。

至此，整个改造结束。

4.项目改造总结

触发项目改造的经历是非常痛苦的，当然，也正是这段经历使得我们的整个改造，越发显得意义重大。

对于此类隐性设计问题，常规功能验证很难有效捕捉。针对该问题，我们的做法是在项目验收时，通过功能测试进行逐一确认验收，即增加“失电、急停状态下，重力轴下坠量的验证”(要求下坠量要少于0.1mm)，在项目阶段即把该问题暴露出来，及时拉动解决，是一种非常切实可行的控制措施。