机床主轴制动控制方式的改进设计
1 引言
通常机床主轴电动机制动时，采用的是能耗制动方式，使电动机AB相输入直流电源，原理如图1。
采用能耗制动方式使主轴电动机停止，主轴在低档位低速旋转时，大约需要0.5s，在高档位高速旋转时，大约需要2.5s。目前，采用的主轴电动机制动方法如图1所示，先断开KM1，再闭合开关KM2，从而断开三相交流电源，接通直流电源，延时2.5s，认定主轴电动机停止旋转，然后进行换刀或其它动作。
主轴以不同的速度旋转时，采用能耗制动方式使主轴停止所需要的时间不同，采用同样的能耗制动时间，延长无意义的加工辅助时间，降低了机床工作效率。另外，一旦开关KM2不能可靠闭合，或者直流电源保险断开不能正常提供直流电，则主轴电动机只能在摩擦力的作用下减速，制动时间需要很长，但延时2.5s后，机床数控系统仍然认定主轴电动机已经停止旋转，此时机床进行换刀或其它动作容易造成事故。
因此，我们对机床主轴制动控制方式进行了改进设计，判断主轴旋转状态，不采用延时2.5s，即认定主轴电动机停止旋转的控制方式，而是实时监控主轴旋转状态，当主轴旋转低于一定转速时，立即发出主轴停止完了信号。
图1
2 主轴转速监测方案
在电动机的同步传动轴上安装一块条形铁片，和电动机同步旋转，由接近开关对其检测，每转检测到两个脉冲信号，通过对脉冲信号的检测而得知其转速。检测脉冲信号有两种方案。
第一方案：在一定周期Tp内读取脉冲信号的个数N，主轴转速n的表达式为
n= 60N /2Tp (r/min)
PLC是一种顺序控制器，它的程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍为一个扫描周期，然后从头开始循环执行。假如程序有2000步，每步执行时间周期为30μs，则程序的扫描周期约60ms，扫描频率约16Hz，能够准确检测出的脉冲频率应低于8Hz，当转速的脉冲频率大于16Hz，即转速n≥480r/min时，PLC受其扫描频率的影响，不能准确检测出脉冲的个数，情况不好时，会出现高速时检测的脉冲个数很少，误判为电动机基本停止而进行下面动作，造成事故。此种方案只适用于主轴低速旋转状态的监测。
第二种方案：检测脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T，主轴转速n的表达式为
n≈ 60 /4T (r/min)
当n＜60r/min时，发出主轴停止完了信号。由于PLC程序执行过程的延时，数控系统收到主轴停止信号，并执行下面动作时，主轴已完全停止旋转，n=60r/min所对应脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T为0.25s，因此我们把检测脉冲信号的计时器设定为0.25s。同样高速时也会出现脉冲测不准的情况，但不管情况多坏，在0.25s的时间内“0”或“1”至少变化一次，因此可以准确地判断主轴是否停止旋转。此方案可以适用于主轴高速或低速旋转时主轴制动状态的检测。在实际应用中，我们采用了此方案。
3 PLC实现主轴能耗制动的控制方法
PLC设计程序如图2所示，X20.0为转速脉冲信号的输入，M05为主轴停止信号，Y50.0为主轴停止完了信号。
图2
两个计时器TM1、TM2分别判断X20.0脉冲信号持续为“0”或“1”的时间是否达到设定的时间，只要有一个时间到达，即R100.1或R100.2变“1”，导致R100.3变“1”，此时M05为“1”，导致Y50.0输出“1”，则发出主轴制动完了信号，实现了主轴停止的准确判断。
4 结束语
我们采用改进的控制方式用PLC控制机床主轴的制动，能够可靠地判别机床主轴的旋转状态，避免了机床的误动作，节约了主轴加工的辅助时间，使机床的保护性能更趋于完善。
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