肖巍

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

數控機床垂直軸控制往往伴隨著伺服系統使能控制，在實際應用中常見的故障問題以垂直軸非受控下落最為常見，通過合理的伺服系統時序調整以及PLC 變量控制，才能夠達到機床穩(wěn)定可靠運行的目的。

2 原理與實現方法

SIEMENS840D 系統常用的使能控制方式分為內部和外部兩種，外部使能以電源模塊和伺服驅動器的外部端子形式引入，一般作為處理外部急停信號，安全邏輯控制，模塊自檢結果等功能的檢測，當出現報警或者按下急停開關時，機床伺服模塊要處理幾個重要的信號。一般來講，機床對于伺服的控制包含有對電源模塊上的三個端子T63、T64 和T48 的控制，對伺服模塊上的T663 端子的控制。各端子的具體含義：T63 電源板脈沖使能；T64 電源板控制使能；T48 電源板接觸器控制；T63 伺服板脈沖使能。正常設計方案對T63、T64、T48 三個端子的上電和下電時序進行控制，上電順序為T64→T63→T48，下電順序為T48→T63→T64，時間間隔均為50ms。內部使能控制主要是驅動使能和脈沖使能，是通過NC、PLC 內部運算邏輯處理后，形成的內部數據塊信號，是用于控制各驅動器輸出扭矩和轉速的基礎條件，通常與外部抱閘、鎖緊壓力、安全聯鎖等功能相關聯。在機床設計中，外部使能信號控制方式較為單一，最主要的應用是在急停回路的控制方面。在機床啟動過程中，伺服驅動得弱電進行自檢，自檢結果最終由外部繼電器輸出給電源模塊，允許接入強電為直流母排供電，期間有多個延時設定，用于信號發(fā)出和反饋。內部使能信號則在機床運動控制上起主要作用，最常見的軸選功能，就是給不同的軸賦予內部脈沖使能和驅動使能，通過驅動總線串行連接。在機床自動換刀、交換工作臺等復雜連續(xù)運動中，往往結合條件邏輯和安全要求對機床進行控制。

3 實例驗證

3.1 制動裝置及輔助功能

一臺五軸加工中心，結構形式為A 軸擺頭和B 軸旋轉工作臺式。垂直軸為Y 軸，分離式電磁離合器抱閘，電機型號為1FT6105-1AC71-1AG1，無內置抱閘?？刂葡到y為SIEMENS 840D PL，伺服模塊采用611D。機床Y 軸在出現報警時會發(fā)生下落，下落距離為20mm 以上。無論是PLC 報警還是伺服報警都會引起Y 軸下落。通過常規(guī)檢查方法，首先對Y 軸平衡系統進行檢查，一旦平衡壓力不足且機床突然急?；蛘叱霈F報警時，Y 軸電機迅速失去扭矩，抱閘裝置未能夠及時響應，可能導致Y 軸下落。檢查平衡壓力后，壓力處于正常值范圍內。為了更準確的判斷平衡系統是否運行可靠，采用了電流監(jiān)測的方法，在SIEMENS 診斷界面中SERVICE DISPLAY 子界面監(jiān)測Y 軸電機的負載的變化，結果為Y 軸在上限位負載為11%，下限位負載為0.35%，可判斷為平衡系統運行正常。第二步對Y 軸抱閘進行檢查。該機床Y 軸電機沒有內置剎車機構，剎車裝置是由一個分離式的電磁離合器抱閘來實現的。該離合器是斷電抱緊，給電松開的結構。對抱閘的檢查是通過調整抱閘摩擦片間隙來測試，試驗結果顯示摩擦片間隙過小時，Y 軸運動容易出現輪廓監(jiān)控誤差報警，說明抱閘在運動時表面處于接觸狀態(tài)，增大了運動負載，將間隙逐漸調整增大后，Y 軸下落距離未發(fā)生顯著變化。由此判斷抱閘并非導致Y 軸下落的原因。隨后對抱閘的控制回路進行檢查，并陸續(xù)更換了抱閘回路的續(xù)流二極管、中間繼電器以及PLC 輸出模塊，下落問題仍未得到改善。

3.2 控制回路

經過上述檢查工作之后，Y 軸下落現象依然沒有得到明顯改善。下一步將對電源模塊的幾個重要掉電信號進行研究。

在了解控制時序后，通過控制回路檢查電源模塊各端子的信號來源，發(fā)現在急?；芈分性O置有延時斷開繼電器，延時5秒。在5 秒延時期間，T64、T63、T48 端子的電壓能夠保持24V 不變，但在延時的前2 秒內Y 軸就已經下落了20mm，可見Y 軸下落與電氣的控制時序沒有直接關系。

3.3 PLC 時序控制

基于上面的檢查，外部原因已能夠排除，現將問題點鎖定在系統內部。通過解讀PLC 程序，找到軸控制的兩個使能變量，伺服使能DB3*.DBX2.1，脈沖使能DB3*.DBX21.7。對應Y 軸就是DB32.DBX2.1 和DB32.DBX21.7。

從上面PLC 程序中得出，Y 軸的伺服掉電過程由功能塊FB31 來控制。當PLC 接到NC 的急停信號“NC”.I_EmergStop時，就會打開Y 軸對應的DB 塊，將Y 軸的脈沖使能DB32.DBX21.7 切斷，從而切斷Y 軸的使能信號#Axis_enable，在功能塊FB31 的程序段6 中看到，變量#Axis_enable 信號的消失將直接導致Y 軸抱閘信號“Brake_off”的消失，從而釋放抱閘抱緊Y軸，在功能塊FB31 的程序段8 中看到。為了能夠改善使能響應速率，通過更改PLC 程序中使能掉電時序，使得在Y 軸使能信號還沒有消失，即Y 軸的扭矩還沒有取消時，將Y 軸的外部抱閘復位鎖緊。改進的方案是將Y 軸的使能信號延時一段時間消失，給予Y 軸抱閘足夠的響應時間，因此可以對功能塊FB31 進行框圖中的程序修改。更改之后，下落距離有所改善，Y 軸下落距離在8mm 以內，但仍未達到預期效果。反復調節(jié)定時器T65的延時時間，延時時間在2 秒以上時，Y 軸下落的距離沒有顯著變化。

3.4 控制使能優(yōu)化

系統診斷界面對使能信號進行監(jiān)控發(fā)現，service drive 界面下T63、T64、T48 信號能夠延時5 秒斷開，而Speed controller enable NC 信號依然迅速斷電，從而切斷Y 軸扭矩。該問題是由于系統會在PLC 中觸發(fā)DB10.DBX56.1 變量，該變量將PLC 的急停信號傳遞到NC，NC 經過一些功能的處理，包括：零件程序的運行停止、IS “方式組準備好信號”(DB11.DBX6.3) 復位、IS“EMERGENCY STOP active”(DB10.DBX106.1)激活等。再次檢索PLC 程序，尋找到急停輸入信號DB10.DBX56.1 和NC 急停響應信號DB10.DBX106.1。在功能塊FC81 的程序段2 中有相關的程序：

根據以上原理分析，在報警信號DB2.DBD180、DB2.DBD184與報警變量DB10.DBX56.1 之間加入定時器，使得Y 軸電機扭矩保持一定的時間；同時報警信號直接觸發(fā)抱閘釋放信號，調整定時器就可以使得NC 速度控制器使能信號延時消失，可以達到理想效果。具體修改如框圖內。經過以上更改后，Y 軸下落距離只有0.04mm，達到了合理的下落距離。

4 結論

以上案例可以看出，合理利用使能控制，可以對機床垂直軸的制動系統進行有效改善，通過設定延時達到機械抱閘與電氣控制的完美配合，提高垂直軸在異常停止或在急停狀態(tài)下的位置保持穩(wěn)定性，在實際應用中可廣泛應用。