淺談立式加工中心換刀系統(tǒng)故障處理方法
2017-7-17 來(lái)源：內(nèi)蒙古北方重型汽車(chē)股份有限公司 作者：李素娟，朱海平
摘 要：立式加工中心可將銑削、鏜孔、鉆孔、鉸孔及螺紋加工等多項(xiàng)功能集于一體，大大提高生產(chǎn)效率的同時(shí)有效保證了加工精度。換刀系統(tǒng)是加工中心的重要組成部分，本文重點(diǎn)對(duì)加工中心換刀系統(tǒng)常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，并對(duì)故障排除做了相關(guān)論述。
關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫(kù)；主軸準(zhǔn)停
加工中心是一種帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，可使工件在裝夾后，自動(dòng)連續(xù)完成銑削、鉆削、鏜削、鉸孔、攻螺紋、凹槽等多工序的加工，與其他機(jī)床相比，加工中心大大縮短了工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整的時(shí)間。縮短工件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間利用率高于普通機(jī)床的 3~4倍；具有較好的加工一致性，并且能排除工藝過(guò)程中人為干擾因素，從而提高了加工精度和加工效率，縮短生產(chǎn)周期[1]；此外，加工中心有自動(dòng)換刀裝置，因而解決了刀具問(wèn)題并具有高度自動(dòng)化的多工序管理功能。立式加工中心主要由基礎(chǔ)部件、主軸部件、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)換刀系統(tǒng)及輔助裝置幾部分組成。主軸部件又是由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和軸承等零件組成，主軸的啟動(dòng)、準(zhǔn)停和變速等動(dòng)作由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)控裝置、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)裝置及操作面板組成，它是完成加工過(guò)程的控制中心。自動(dòng)換刀裝置是由刀庫(kù)、機(jī)械手等部件組成，當(dāng)需要換刀時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機(jī)械手或其它夾持裝置將刀具從刀庫(kù)取出裝入主軸孔中。此臺(tái)加工中心刀庫(kù)為斗笠式，裝有 12 把刀，在使用時(shí)，當(dāng)輸入“M06T**”的換刀指令時(shí)，刀庫(kù)一直在旋轉(zhuǎn)，處于選刀狀態(tài)無(wú)法停止，導(dǎo)致其無(wú)法換刀。因加工中心的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)在于它有自動(dòng)換刀裝置，使加工變得更具有柔性化，如若加工中心的換刀過(guò)程出現(xiàn)故障，雖然可手動(dòng)換刀，但也大大降低了加工效率，也就失去了加工中心的真正意義。要發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的高效益，就要保證它的開(kāi)動(dòng)率，這就對(duì)機(jī)床提出了穩(wěn)定性和可靠性的要求，即當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障后，要盡快診斷出故障原因并提出合理的解決方案加以修復(fù)。如果用人來(lái)比喻的話，就是平時(shí)要注意保養(yǎng)，避免生病；生病后，要及時(shí)就醫(yī)，診斷出病因，對(duì)癥下藥，盡快康復(fù)[2]。現(xiàn)代化設(shè)備需要現(xiàn)代化和科學(xué)化的管理，數(shù)控機(jī)床的綜合性和復(fù)雜性決定了數(shù)控機(jī)床的故障修復(fù)及問(wèn)題的解決有自身的方法和特點(diǎn)，掌握好這些方法，可以保證數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定可靠地運(yùn)行
1 、換刀系統(tǒng)故障原因分析
本臺(tái)立式加工中心的正常換刀過(guò)程如下所述：在機(jī)床系統(tǒng)接到“M06 T**”的指令后，主軸回到換刀點(diǎn)的位置進(jìn)行準(zhǔn)停，之后刀庫(kù)向右移動(dòng)到主軸處將其上的刀具取下，當(dāng)主軸上面的刀具進(jìn)入刀庫(kù)卡槽時(shí)，主軸向上移動(dòng)脫離刀庫(kù)，隨后刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)刀號(hào)，將指令中所指定的刀具對(duì)準(zhǔn)主軸正下方，主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，刀具夾緊后，刀庫(kù)退回到原來(lái)位置，換刀過(guò)程結(jié)束。由上述得知，換刀的關(guān)鍵點(diǎn)是主軸必須準(zhǔn)停，即其一是 Z 向位置必須在換刀點(diǎn)位置，一般將 Z 向零點(diǎn)設(shè)為 Z 向換刀點(diǎn)，如若零點(diǎn)位置改變，則換刀點(diǎn)位置改變，無(wú)法換刀；其二是主軸端面鍵必須與 X 向平行，如若位置有偏差，也無(wú)法換刀。其它如刀庫(kù)能否正常旋轉(zhuǎn)選刀、氣壓是否足夠等均換刀的必備條件。所以故障的原因應(yīng)分析如下幾個(gè)方面：
在刀庫(kù)能正常旋轉(zhuǎn)選刀、氣壓足夠的情況下，應(yīng)分析：
（1）手動(dòng)方式下能否換刀；
（2）刀庫(kù)是否可以正常移動(dòng)；
（3）能否正常選刀；
（4）主軸準(zhǔn)停后，Z 向的位置是否在之前設(shè)定好的換刀點(diǎn)的位置；
（5）系統(tǒng)中設(shè)置的換刀點(diǎn)的位置是否改變；
（6）主軸準(zhǔn)停后，端面鍵是否與 X 軸平行。
2、 具體排查措施
（1）在“手動(dòng)”方式下，按下?lián)Q刀按鈕，機(jī)床能夠正常手動(dòng)換刀。主軸內(nèi)部的換刀缸沒(méi)有問(wèn)題。
（2）按下機(jī)床右側(cè)的控制刀庫(kù)氣壓缸的換向閥按鈕，刀庫(kù)可以正常地左右移動(dòng)到位。說(shuō)明此組系統(tǒng)不存在問(wèn)題。
（3）在 MDI 狀態(tài)下，輸入 M06 T01，系統(tǒng)在接收到換刀信號(hào)后，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，只要安裝在 1 號(hào)刀位上的圓形小凸塊靠近（距離為 0.3 mm 左右）無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)（接近開(kāi)關(guān)），數(shù)控系統(tǒng)就默認(rèn)為 1 號(hào)刀，并以此為計(jì)數(shù)基準(zhǔn)，“馬氏機(jī)構(gòu)”轉(zhuǎn)過(guò)幾次，當(dāng)前就是幾號(hào)刀。在沒(méi)有刀具的情況下觀察整個(gè)換刀過(guò)程是否能完成，結(jié)果在選刀環(huán)節(jié)刀庫(kù)一直旋轉(zhuǎn)。如果記憶初始位置的小凸塊脫落或刀庫(kù)的接近開(kāi)關(guān)存在問(wèn)題，系統(tǒng)便無(wú)法判斷出指令中的刀具號(hào)，所以出現(xiàn)的問(wèn)題就是系統(tǒng)一直處于選刀狀態(tài)。經(jīng)仔細(xì)檢查，是刀庫(kù)的接近開(kāi)關(guān)脫落（如圖 1 所示）。
圖1 脫落的接近開(kāi)關(guān)
（4）將控制面板上的“主軸定向”鍵按下，發(fā)現(xiàn)主軸的兩個(gè)凸出鍵并沒(méi)有與 X 軸方向平行，也就是主軸在定向后沒(méi)有轉(zhuǎn)到位。主軸準(zhǔn)停的原理是本機(jī)床采用霍爾元件檢測(cè)定向，引起主軸準(zhǔn)停位置不準(zhǔn)的原因可能是主軸準(zhǔn)停裝置電氣系統(tǒng)參數(shù)變化、定位不牢靠或主軸徑向跳動(dòng)超差。首先檢查外部硬件，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)固定螺釘松動(dòng)或定位鍵被損壞，即引起主軸準(zhǔn)停錯(cuò)誤的原因極有可能是電氣系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化。通過(guò)查閱此臺(tái)機(jī)床參數(shù)設(shè)置說(shuō)明書(shū)可知制機(jī)床主軸定位的參數(shù)為主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的 PA-39 號(hào)參數(shù)，參數(shù)的值上升越多主軸向反方向偏轉(zhuǎn)的角度越大[3]。
（5）將銑刀柄裝入主軸錐孔，Z 軸移動(dòng)至換到平面，機(jī)械坐標(biāo)顯示值為 Z-104.6，手動(dòng)將刀庫(kù)緩慢靠近主軸，發(fā)現(xiàn)換刀點(diǎn)偏高（如圖 2 所示），即換刀點(diǎn)位置發(fā)生了變化。換刀點(diǎn)位置與機(jī)床零點(diǎn)有關(guān)，此值在參數(shù)中設(shè)置，一經(jīng)設(shè)置，在不重新設(shè)置的情況下便不會(huì)再改變。由于機(jī)床每次開(kāi)機(jī)需進(jìn)行回零的操作，當(dāng)機(jī)床零點(diǎn)位置由于種種原因發(fā)生改變時(shí)，當(dāng)前的換刀點(diǎn)便會(huì)和原設(shè)好的換刀點(diǎn)有誤差。對(duì)于不需回零的機(jī)床刀庫(kù)而言，即使機(jī)床的零點(diǎn)位置發(fā)生改變，也不會(huì)影響換刀點(diǎn)的位置，只是當(dāng)機(jī)床的 MOS 電池不起作用、數(shù)據(jù)丟失的情況下才需要調(diào)整零點(diǎn)的位置，進(jìn)而重新調(diào)整換刀點(diǎn)的位置。這臺(tái)機(jī)床每次開(kāi)機(jī)后需進(jìn)行回零操作，所以問(wèn)題顯然是機(jī)床零點(diǎn)位置的變化導(dǎo)致?lián)Q刀點(diǎn)位置發(fā)生了改變。
圖2 換刀點(diǎn)位置偏高
根據(jù)以上排查結(jié)果及故障原因，制定出如下解決方案：
首先調(diào)節(jié)主軸定向，將主軸伺服驅(qū)動(dòng)器 PA-39參數(shù)改為 1 800 后，主軸定向到位；其次在手動(dòng)方式下，將刀庫(kù)移動(dòng)至接近換刀位置，觀察主軸位置在哪
個(gè)點(diǎn)可正常換刀，經(jīng)過(guò)測(cè)試換刀點(diǎn)在 Z-120.6 時(shí)合適，將機(jī)床的零點(diǎn)限位擋塊向下移動(dòng) 16 mm，使主軸在 Z-104.6 mm 時(shí)可以到達(dá)換刀位置，經(jīng)過(guò)調(diào)試主軸可以到達(dá)換到位置；最后將脫落的接近開(kāi)關(guān)安裝好（如圖 3 所示）。
圖 3 修復(fù)后的接近開(kāi)關(guān)
維修結(jié)果：換刀過(guò)程可順利完成（如圖 4 所示）。
圖4 修復(fù)后可正常換刀
3 、結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控加工中心的換刀系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)、電、液、氣一體化控制系統(tǒng)，只有對(duì)該系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程和控制原理進(jìn)行深入分析，才能保證加工中心的正常使用和維護(hù)。在遇到故障時(shí)，首先應(yīng)仔細(xì)觀察故障現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)象分析原理并歸納其本質(zhì)原因及特殊情況，最終提出合理的解決方案。經(jīng)過(guò)上述對(duì)換刀系統(tǒng)無(wú)法正常換刀的一般原因分析及針對(duì)具體故障如刀庫(kù)一直處于選刀狀態(tài)和主軸不在換刀點(diǎn)等進(jìn)行的特殊診斷及維修處理，最終使刀庫(kù)可以正常使用，也為相關(guān)機(jī)床維修維護(hù)人員提供了更多解決加工中心刀庫(kù)故障的思路與方法。
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