刀庫式加工中心自動換刀系統故障診斷與維修
2021-11-17 來源：長春汽車工業高等專科學校 作者：高文嬙，馬旭東
摘要：自動換刀系統能實現一次裝夾后多道工序的加工，而加工中心的故障大多與自動換刀系統有關。對此，文章分析了自動換刀系統的原理和功能，確定了自動換刀系統的故障診斷與維修思路，分別分析和診斷了自動換刀裝置和自動換刀控制系統的常見故障，據此給出了維修建議，旨在為實際維修操作提供指導。
關鍵詞：刀庫式加工中心；自動換刀系統；故障診斷；故障維修
1、自動換刀系統的發展背景
要進一步提高數控機床的加工效率，應在盡量減少工序和安裝次數的前提下完成多道工序的加工。在同一次裝夾后，自動換刀系統能連續完成鉆孔、擴孔、鉸孔及銑削等多道工序，得到了廣泛的關注和應用。自 20 世紀 70 年代以來，美國率先開發了具備自動換刀功能的多工序數控機床，由于其集成了多種加工方法，因此很快成為機床設備研究的熱點。德國、日本等公司也在存儲刀具的刀庫及更換刀具的機械手等方面不斷推陳出新，進一步推動了自動換刀系統的發展 。
國內對自動換刀系統的研發起步稍晚，但發展速度較快，目前對換刀系統及裝置的研究已成體系。近幾年，對自動換刀系統的研究方向逐漸向換刀速度、可靠性的進一步提升轉變。加工中心 50% 以上的故障都和自動換刀系統有關，因此建立清晰的故障診斷思路，提供可參考的維修依據，對于設備研究和改進具有重要的指導意義。
2、自動換刀系統的組成
加工中心實現自動換刀依靠的是自動換刀系統，其主要包括自動換刀裝置和控制系統兩大部分。
2.1 自動換刀裝置
常見的自動換刀裝置有磚塔式和刀庫式兩種，其中刀庫式自動換刀裝置主要包括刀庫和交換裝置兩大部分，在加工中心應用較為廣泛 。刀庫用于存儲刀具，并在給定指令后將指定的刀具傳送到待更換位置，換刀完成后再將換下的刀具存儲在刀庫內，常用的刀庫形式有鼓磐式、鏈式和固定型格子盒式等。刀具交換裝置用于刀庫和主軸制件裝卸和傳遞刀具，可分為無機械手換刀和有機械手換刀。無機械手換刀利用刀庫和主軸的相對運動實現換刀，換刀時機床不工作，加工效率較低，且存儲刀具數量有限。典型的機械手換刀利用液壓缸完成沿主軸軸線上的插刀和拔刀動作，通過液壓電機實現擺動送刀及旋轉換刀。開始換刀時，機械手與刀庫軸線平行，從刀庫中抓出待換刀具，然后擺動至與主軸軸線平行的位置并向前移動，從主軸中拔出原有刀具，隨后后退并沿自身軸線旋轉 180°，使兩把刀交換位置，再次前移將新刀插入主軸，主軸將刀具鎖住后刀爪縮回，再次擺動到刀庫位置將刀具放回，最后恢復到初始位置。機械手換刀的靈活性較強，且換刀速度快，因此應用最為廣泛。
2.2 自動換刀控制系統
自動換刀主要通過 PLC 實現控制。在接收到程序后，PLC 根據各控制及檢測元件反饋的狀態信息，控制刀庫、交換裝置及液壓系統等完成相應的動作 。基于自動換刀系統的分析可知，在故障診斷過程中，首先應分析自動換刀系統的運動邏輯和執行邏輯，最終確定維修方法。文章以采用刀庫和機械手換刀的加工中心為例，闡述幾種典型的故障診斷及維修方法。
3、自動換刀裝置故障
3.1 刀庫故障
（1）刀庫旋轉故障。刀庫一般由電機實施驅動，如鏈式刀庫、電機帶動鏈輪、鏈輪驅動鏈條進行運動 。當刀庫出現無法旋轉傳送刀具時，可從機械和電氣兩方面判斷。在機械結構方面需要從電機開始逐個排除傳動鏈結構，如檢查聯結器是否松動等，并根據檢查結果維修或更換。電氣方面需要檢查電信號是否能有效并穩定地輸入，如檢查繼電器等裝置是否正常運行，如果存在異常則需要更換相應元件；如果刀庫能正常轉動，而動作不到位，則可以排除電信號輸入問題，常見的故障原因有電動機輸出的轉角存在問題或傳動機構的誤差超出偏差等。對于傳動機構誤差，需要定期檢查刀庫的傳動，包括重復定位精度、雙向來回換刀精度等；當傳動精度超出偏差時，需要及時檢修 。此外，也可利用監測傳動機構中零件的振動信號實時監測傳動精度 。
（2）刀庫夾緊故障。自動換刀系統的刀柄上裝有拉釘，刀庫中的導套利用彈性元件和鋼球形成鎖緊機構，從而夾緊刀具。若刀套無法夾緊刀具導致松刀或掉刀，一般需要檢查導套內鎖緊機構，如檢查彈性元件是否太松等。此外，如果刀具重量過大，也會導致鎖緊力無法夾緊刀具的問題 。
3.2 換刀機械手故障
（1）機械手運動故障。對于機械手在運動過程中速度過快或過慢的問題，一般需要檢查氣動系統的壓力和流速。此外，如果在換刀動作未全部完成時按下復位或急停按鈕，則需要手動將機械手搖回，并將導套返回刀庫進行復位，但如果刀具已交換，為了防止亂刀，需要核對主軸刀具與系統顯示刀具是否一致，如不一致，則需手動更換。
（2）機械手更換刀具故障。當機械手無法夾緊或松開刀具時，會導致換刀失敗。當無法夾緊刀具時，一般需要考慮氣動系統是否壓力不足或存在泄漏，并檢查刀具松開彈簧上的螺母是否松動。相反地，若松鎖刀彈簧壓合過緊，將導致機械手無法松開刀具。還有另一種情況，機械手能正常夾緊和松開刀具，但在換刀過程中依然出現掉刀現象，則需要考慮換刀點是否出現漂移，導致機械手在運動不到位時就開始拔刀，使刀具和機械手的相對位置發生偏差，從而無法夾緊刀具，此時需要更新換刀點。
（3）機械手傳送刀具故障。機械手在傳送刀具的過程中無法夾緊刀具或出現掉刀，其原理和換刀時無法夾緊刀具類似，也需要排查氣動系統和鎖緊機構，同時還需要考慮刀具是否超重。
3.3 主軸松刀故障
主軸在機械手抓取刀具時不松刀，可能的原因有兩類。一類是傳遞給主軸的信號出現問題，即主軸并未接收到松刀信號。此時，需要檢查松刀感應開關及信號是否正常，且松刀開關一般采用液動電磁閥進行控制，因此需要檢查電磁閥及液壓回路是否正常，排除漏液等原因，或更換相應的零件。另一類是主軸內鎖緊機構失效，如彈簧卡頭、頂桿變形等，此類問題較為直觀，且易于修理。
4、自動換刀控制系統故障
4.1 換刀點漂移
機械手的自動換刀動作需要在機床的換刀點執行。換刀點即機床的機械原點，該點應與電氣原點相重合。當電氣原點偏離機械原點時，機械手無法捕捉到機械原點就開始換刀，即出現換刀點飄移。當偏移量較小時，換刀過程雖能進行，但會伴隨較大的振動和噪聲；換刀點偏移較大時，則會出現無法拔刀或掉刀的情況。機床捕捉電氣原點主要依靠限位開關和撞塊，即當機床運動到指定位置時，撞塊壓下限位開關，信號返回，從而識別為電氣原點。因此，當出現換刀點漂移時，需要檢查撞塊是否松動，限位開關是否正常運行等。如果是傳動系統誤差導致換刀點漂移，也可以手動返回參考點，手輪操作至限位開關有信號，記錄新的坐標值并更新換刀點坐標。
4.2 刀庫亂刀
刀庫亂刀是指刀庫中實際存儲的刀具與系統中刀具號不相符的故障，該種故障原因可能是在換刀過程中發生了中斷等，導致系統內刀具數據出現偏差。此時，需要檢查刀具的實際存儲情況，并在數據寄存器中將數據更改為實際數據。
4.3 換刀超時
在換刀過程中，提示換刀超時，即在規定時間內無法完成換刀。此時，需要檢查機械手傳動機構是否正常，并核實機械手運動速度是否過慢，若運動速度過慢，則按如前所述檢查動力系統。此外，主軸松刀感應開關失靈、機械手運動不到位等也會導致換刀超時，需要檢修相應的元件。
5、結束語
自動換刀系統是加工中心的關鍵組成部分，其故障直接影響設備的使用效率。自動換刀系統由自動換刀裝置及其控制系統組成。文章分別探討了自動換刀裝置和控制系統的常見故障及排除方法，從機械結構的動作原理及電氣元件的信號傳遞出發，依次檢查可能導致故障的環節。對于刀庫故障，通常需要檢查傳動鏈的各機械結構及電氣元件；對于刀庫和機械手夾緊或松開故障、機械手掉刀等，需要檢查氣動系統及鎖緊機構；機械手運動速度不合理，通常是氣動系統壓力調節不當導致的。自動控制系統的故障通常與機
械故障相耦合，在排除機械故障后，可以在系統中更新數據，以消除換刀點漂移及亂刀等故障；換刀超時涉及的因素較多，需要檢查各環節。總之，機床的診斷與維修應朝預防性維修方向發展，建立實時監控的動態數據，通過數據分析預測機床狀態，為故障診斷提供依據，從而進一步提升機床的工作效率。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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