数控龙门加工中心Z轴制动改造

  数控龙门加工中心Z轴制动改造

   , ,臧念社1, ,郭东2  ,史玉军3

 1，2中铝山东工程技术有限公司   山东 淄博255000

3 宜宾学院机电学院     四川 成都 610000

摘要：为解决数控龙门加工中心垂直轴（Z轴）存在断电后自行下溜现象，对机械机构加以改造，外加一个制动器达到迅速制动的效果。本方案虽然是在运行年限比较长的数控龙门加工中心成功运用，但也可以推广到其他垂直往复运动需要迅速制动的设备上，具有一定的推广价值。

关键词：   加工中心，  Z轴，  制动

一．龙门加工中心传动情况概述

龙门加工中心是指主轴Z轴的轴线与工作台垂直设置的加工中心，整体结构是由双立柱和顶梁构成门式结构框架的大型加工中心机 ，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。其机械传动关键部件（直线导轨丝杠等）采用台湾或者日本进口，电气和驱动采用日本发那科和安川品牌，设备价格较高（百万到千万不等），因此加工件复杂程度和精度高，工件加工费较高。

数控龙门加工中心的X、Y、Z三个方向进给采用高刚性的滚珠丝杠传动，驱动电机通过弹性联轴器与丝杠直联。

由于工作台移动方向(即前后方向X轴）和主轴滑座移动方向（即横梁上左右移动Y轴）不存在停机溜车现象，因此电机无制动装置。

对于垂直移动部分（Z轴）由于自身的重力，为防止自动下溜，在电机内部设置了失电制动装置。

但随着机床老化，机床啮各部分磨损严重，当按停止Z轴键或者总停时，电机内部制动力矩克服不了Z轴自重，Z轴经常发生自动下溜现象，造成工件报废或者刀具损坏，造成严重的经济损失，并且毫无征兆的自动下溜问题还给在工作台附近的操作者带来人身安全。

二．改造方案描述

鉴于Z轴传动齿箱的内部结构紧凑，空间较小，无法加以改造，改造方案为在电机轴上外加制动器达到快速制动效果。

制动器为通电时电磁机构吸合，失电摩擦制动，可以实现快速停车及准确定位功能，可用在本设备Z轴断电时安全制动。

制动器主要由励磁部分（磁轭.线圈.衔铁.弹簧）.制动盘.花键套等组成，励磁部分通过原来的螺孔用螺栓固定于齿箱底座上；

更换齿箱原主传动轴，即把原传动轴加长150mm，花键套通过键套在加长轴上，制动盘再通过键与花键套啮合。

当线圈断电时，在弹簧作用下，制动盘与衔铁和齿箱端面产生摩擦力，通过花键套传动给传动轴使Z轴迅速制动，避免了下溜现象。

当线圈通电时，在电磁力的作用下，衔铁吸向磁轭，制动盘松开，制动力消除，Z轴在数控系统控制下正常上下运行。

对相关电气线路做改动，当Z轴停止运行指令发出后，延时3秒再失电制动，以避免立即制动带来的反电流冲击，保护Z轴伺服驱动器。

三．改造的具体流程

3.1流程

  根据图纸和实际夹具确定制动力矩→根据制动力矩和传动轴径确定制动器型号→对Z轴传动箱附近的作业面进行防护→拆Z轴传动部分端盖及油封等→拆下传动轴及轴承等并清洗→测绘传动轴→用液压拉马分离齿轮和轴承等→根据测绘图制作新传动轴一根（比原长度长15mm）→在新传动轴上安装原齿轮及轴承等→在新传动轴上加装制动器→把改造后的传动部分装配到原齿箱内→加密封条等盖上端盖→恢复油管接头等→对原制动电路进行更改，加装制动电源→按机床正常操作流程检验制动效果→各项检验合格后加装保护

四．改造要点

4.1 对作业人员的要求：

由于此机床拆解Z轴传动部分涉及机电液部分，要求对安装人员具有丰富的的实践经验和专业能力，并且要加倍小心，因附近有控制上下行程极限的接近开关、刀具松紧位置的接近开关和液压换向阀，稍有不慎，就会弄坏一些部件，造成新的故障。

4.2 对齿轮部分的改造要点：

卸按齿轮时注意不要用硬东西乱敲，以防敲坏，影响安装恢复。对拆下的零件应妥善保管，最好依序同方向放 置，避免丢掉或给安装增加困难。

新传动轴采用42CrMo合金钢,必须进行相应的热处理。

4.3 对电气部分的的改造要点：

由于新装的制动器对工作电源的容量要求较大，系统原有电源无法提供此功率，因此需对原有电路进行更改，在原有电路增加一稳压电源，并对伺服驱动器参数进行设定，并外接继电器回路，通过增加断电延时断开回路控制来增加系统的可靠性。

五．改造所涉及的的专用工具与设备

  因本改造属于高空作业，涉及到高空拆装，需要搭建高空作业平台，这部分涉及的工具和设备不再详述；传动轴加工牵涉的机床类及热处理类设备也不做详述，只列出改造工序中的拆装过程及调试过程所需的工具及设备见表1：ga

表1：改造过程涉及的部分工具

六．质量控制

6.1 龙门加工中心一般是机械制造厂的关键设备，其安装质量的优劣，将直接影响设备的使用寿命及产品的产量。为了保证安装质量，必须做到“自检、互检、专检”三步检查相结合。

6.2 每一道工序的结束，需要安装单位自检、项目部专检，方可进行下一道工序。

6.3传动轴等新加工零件装配使用前，严格按照图纸设计要求进行检验，保证零件的制作加工精度。

6.4安装结束后，Z轴箱部件的检查。

6.4.1检查齿箱中的油平面不得低于油标线之下。

6.4.2变换速度和进给方向时变换齿轮在工作位和非工作位置固定可靠，无卡滞和异常声音。

6.4.3 进行空运转试验时从最低速开始依次提升，进行制动操作。空车试运行不得少于半小时。

6.4.4 制动器长期温升不能超过30℃，制动器相关电气部件和电缆无异常现象。

6.5制动装置运行正常，停靠位置准确。

七．改造完成后效益及前景分析

智能制造装备产业是战略性新兴产业的重要组成部分，随着信息技术与先进制造技术的高速发展，我国智能制造装备的发展深度和广度日益提升，而高档数控机床与基础制造装备，作为智能制造装备的重要组成部分，在大中型高端机械加工行业占有重要地位，是加工大型高精度复杂曲面的工件的必不可少的设备。

安装Z轴制动器后，龙门加工中心杜绝了减少了Z轴下溜带来的工件报废和刀具崩坏等问题，提高了成品率，设备的利用率大大提高，以******公司的龙门加工中心为例，加工相同的产品对象，和加装制动器前相比，仅减少废品一项就带来了35万元的效益。

本改造适合各种需要垂直运动，需要停电后立即停止下降的场合，例如龙门加工中心的垂直轴，滑枕垂直运动的插床等等。        

参考文献

[1]北京第一机床厂. 立式加工中心手册，2010年版本

[2]芜湖大中机电制造有限公司，电磁失电制动器说明书

[3]JBT5994,机械装配基础装配要求