浅谈FANUC系统重力轴断电提升功能最新解决方案论文_陈建飞 　张腾飞 　谭德贤,

在采用滚珠丝杠或直线马达传动机构的数控机床中，每次按下急停按钮或机床外部突然断电时，对于重力轴（例如立式加工中心机床Z轴）由于滚珠丝杆在惯性或重力的作用下，滚珠丝杆不具备自我锁止能力，一般是靠伺服电机抱闸或追加外部机械抱闸，而抱闸是有一定的响应时间，响应时间内重力轴没有配重设施会有掉落现象，决定该功能存在的重要原因。早期具备重力轴平衡装置的机床，其装置由定轮、动轮、传动链条和平衡锤（业界称为配重）组成的平衡装置，同时有降低重力轴马达运行工作负荷，达到重力轴与配重设施平衡静态平衡的作用。现阶段客户对加工材料及高品质工艺等要求都在不断提升，机床在高速高精度加工过程中遇到急停操作或断电等情况下，要求必须保证不能损坏被加工工件或刀具。本文以解决客户现场需求为目的，结合作者近2年的研究、实践、整理提出本研究成果。

关键词：数控机床；数控系统；重力轴；电路 ；制动器 ；抱闸；FANUC

引 言：

首先我们对制动器（也称抱闸）得电与失电的时序进行简单分析，制动器的得电和失电的时间关系，分别是伺服驱动电机励磁和抱闸制动线圈抱闸锁紧时序关系；制动器无论是在外部急停操作还是断电检测都是在得电与失电状态之间变化，在伺服电机励磁前储能电源为未完全丢失的一段时间里，利用掉电侦测技术提供驱动器马达反向运转与制动处理的过程。如何利用伺服电机励磁、制动器制动时间关系并协调衔接得恰到好处,保证掉电后重力轴停止下落，因此我们设想有一个时序逻辑关系，该逻辑关系必须考虑重力轴制动抱闸制动线圈在伺服电机得电后t1与断电后t2的时序问题。见下图（1）

图（1）

伺服电动机起动运行前t1,首先接通伺服驱动使能ON,使电动机建立起保持力矩延时一段时间后,制动器线圈得电制动解除释放制动器抱死状态；急停时需要伺服电机制动时t2, 伺服电机驱动器继续保持电机励磁电压输出，制动器线圈失电延时一段时间t2后伺服驱动使能为OFF状态,制动器失电后产生制动力矩,可保证制动的有效性和可靠性。可理解为伺服电机开启后制动器尽快上电动作,在关闭伺服电机励磁前制动器提前抱住电机, 确保重力轴不会因重力惯性下落。如上图（1）所示。

一、减少重力轴下落的背景分析

1、为使重力轴制动器迅速而生效,要求制动器控制源电源和控制继电器必须设计在同一DC电源供应侧，条件允许的情况下尽量加大电源供应器输出侧（DC24V）电容器容量，利用FANUC系统急停重力轴提升参数和驱动器储能电力控制驱动器控制伺服电机快速向反方向运动原理为基础，通过断电检测电路设计加快“制动器状态”生效，提前或缩短“制动器动作时间”。见图（2）

图（2）

2、保持机床控制器CNC和伺服放大器控制电源(DC24V)的维持时间，这个时间应长于制动器的动作时间，利用控制器CNC断电时DC24V电容电压保持至完全失电的时间差，通过断电侦测信号提前启动电机制动过程,见下图（3）。

图（3）

3、在机床控制器CNC和伺服放大器控制电源(DC24V)的维持时间内，通过启用FANUC系统伺服驱动重力轴提升制动功能，断电检测与重力轴提升功能参数设置（现阶段FANUC MD、MF系统及放大器均支持）。该功能参数可微调制动器制动生效提前伺服驱动器MCC断电延时时间、制动控制计时与迟延时间、轴提升时间、轴提升量等设定，为制动器在失电前或失电后机械回退行程运动过程中控制伺服电机反方向运动创造条件,见下图（4）

图（4）

假设一般制动器机械行程内运动时间为t1,选择MCC延迟断电时间t2大于t1,断电提升作用时间t3应大于t2,以此达到控制重力轴下滑目的，比如选择t1=50至150ms,t2=200ms,t3=400ms。

设定如下:

P2005#6=1设定制动器功能有效

P2083设定延时计时时间t2（单位：ms)，假设制动器机械行程夹紧时间t1，约为50-100ms,具体要看机械重力的多少，设定延时计时时间t2的值，一般设定200左右。

P2210#5 #6 设定提升延迟时间t3（单位：ms)，通常比参数P2083中设定时间要长一些,相关参数说明见下表。

相关参数:

4、FANUC系统伺服放大器规格描述说明书《B-65422EN/02 FANUC Beta i Servo Amplifier Descriptions》提出，实现急停和断电情况下重力轴抬升功能必须遵循的设计规则。见图（5）所示，

图（5）

5、根据FANUC公司标准说明书提出方案，在不追加外部UPS和后备电源的前提下，我们在实际应用过程中还是有效果的，我们有通过多次重复测验发现相关参数设置数据结果比较，确实可以提高重力轴提升效果，确不能保证有100%的成功率，为此我们得出的结论是在不追加外部UPS和后备电源的前提下，无法回避PMC处理周期的影响，会导致抱闸存在延时影响响应实时性，对于提升要求较高的机床可能存在效果无法达到预期的情况；假如我们如果仅仅是为了追求提升效果，而不考虑其它因素还会导致机床在提升过程震动噪音较大的弊端，评估对机床低故障率和高质量运行存在不利因素。

二、在不增加UPS或后备电源的前提下，实现断电后重力轴提升成功率的电路改善与分析

1、我们提出的最新方案其原理图如图（6）所述，该方案遵循FANUC重力轴提升技术解决措施，提出一种新的基于FANUC伺服放大器重力轴掉电制动/回退技术控制原理，在不需要外部UPS和后备电源配置参与的前提下给予实现重力轴掉电提升/制动。该方案适合FANUC公司a或b全系列支持断电检测的伺服驱动单元，本文仅以b系列一体驱动单元为例进行说明，a系列驱动可参照进行。具体硬件电路连接如图（6）所述，CX36的第2脚接入DC24V，第3脚输出至外部急停按钮EMG的常闭触点一端,然后经另一端输出至FANUC基本I/O单元Xm+8.4地址端口，同时并联一继电器Ky，并与继电器Ky线圈的一端相连，另一端接0V。CX36接口端子与外部紧急停止开关EMG必须组成串联控制电路，同时继电器Ky常开触点必须与原制动控制电路回路进行串联，确保在外部急停或断电状态下在最快的时间内控制分离制动器电源，禁止重力轴继续移动。

图（6）

2、确保断电时伺服驱动器CX38接口侦测断电信号的准确性和实效性， CX38接口必须要在KMCC前连接，否则会影响提升效果或成功率。

3、同一制动器机械间隙行程下，设PMC扫描周期时间t1为8ms，继电器Ky和Kz最快响应时间t2为20ms，则改善前电路原理（图5）掉电制动完成时间等于t1+t2，需要28ms；改善后电路原理（图6）掉电制动等于t2响应时间，仅需要20ms。2种电路原理执行动作对比信号分析见如图（7）。

图（7）

4、对比2种电路分析，上电开机的时序都是一样的我们不再进行分析说明，同时我们暂且忽略NC主控到伺服马达的响应时间和抱闸制动行程时间，分别对检测到断电后改善前和改善收后分析：

4.1 改善前电路见图（5）在检测到外部断电时CX36输出断开信号，PLC扫描到Xm+8.4失去高电平信号， NC主控系统根据参数设定输出重力轴回退控制提升重力轴，PLC程序输出断开制动器供电电压。从PLC扫描到Xm+8.4地址信号状态开始到PLC输出断开制动控制继电器Kz线圈电压止至少需要1个PLC扫描周的时间，我们设t1（官方定义等于8ms）；制定器控制继电器Kz线圈失电到继电器Kz常闭触点断开响应时间我们设t2，此时制定器线圈失电抱闸，制动控制时间等于t1+t2，其时序见图（7）左侧列出；

4.2、改善后电路见图（6）在检测到外部断电时CX36输出断开信号，PLC扫描到Xm+8.4失去高电平信号， NC主控系统根据参数设定输出重力轴回退控制提升重力轴，同时继电器Ky线圈失电，继电器Ky常闭触点释放为常开状态，此时需要的时间等于t2继电器触点最快响应时间，此时制定器线圈失电抱闸，制动控制时间等于t2，其时序见图（7）右侧列出

5、改善后电路控制在制动响应时间上缩短了一个PLC扫描周期的时间，如果选择更低延时响应的继电器时效果更佳，如魏德米勒品牌Term系列继电器RCL5024,其触点最快响应时间小于10ms。这样还能加快制动线圈失电时间,保证在储能电容泄压前时间内对系统提升量和提升保持时间的有效控制，抵消抱闸制动机械间隙行程期间的机械运动时间，提前在伺服电机反相运动控制失电前抱住制动盘。

三、使用改善前、后电路的机床进行的数据对比测试

笔者随机抽取任职公司之HS500T机床（重力轴无平衡锤配置），进行本电路改进前、后连续10次模拟外部断电对比测试。在机床同等参数设置条件下，设机床重力轴机械原点向下运动为负方向，机械原点向上运动为正方向，测试结果表明按照改善后电路方案配电的机床，其重力轴提升成功率100%通过，提升过程中机床表现平稳，综合表现非常满意。

表1.同机床使用改进前与改进后电路测验数据对比表

四、相关参数说明

本说明相关参数主要参考《B-65270EN_07 FANUC AC Servo Parameter Manual》说明书来源提取列出，其目的是加强对提升量、提升时间等参数的理解与设置：

总结：

通过对FANUC系统伺服驱动器急停或断电条件下重力轴提升功能的研究中，我们发现使用FANUC提供的标准原接线图成功率低的原因主要是因为能量不足和梯图扫描处理周期时间导致，新的思路是在增加继电器直接控制回路基础上减少了1个梯图处理周期，相比提前1个扫描周期的时间提前实现快速抱闸响应。

正常情况下带有平衡装置设计的机床不需要做重力轴提升，但是如果客户要求比较高或其它某种客观原因，通过修改参数依然达不到要求时可以作为辅助解决方案，但切忌不可将提升量和提升时间数据输入过高，否则对重力轴制动器和配重传动机构产生影响；在结合相关参数调试验证，调试过程中没有固定数据，需要根据机床自身的机构特点、系统配置，通过实验、采集不同参数数据，找到最合适的参数配比。该解决方案笔者在广东润星科技有限公司全系列配置FANUC系统的机床上已广泛应用，效果非常好，客户反应也非常满意！

在研究和撰写过程中，感谢以下各位给予的帮助及其宝贵！

北京发那科机电有限公司深圳分公司高级技术服务工程师 张建伟同志

广东润星科技有限公司 茹正辉同志

参考文献

[1]汤彩萍.数控机床重力轴防下落分析与设计. 2009.05

论文作者:陈建飞 　张腾飞 　谭德贤,