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刀庫式（shì）加工中心自動換刀係統故障診斷與維修

2021-11-17 來源：長春汽車工業高等專科（kē）學（xué）校作者（zhě）：高文嬙，馬旭東

摘要：自（zì）動換刀係統能實現一次裝夾後多道工序的加工（gōng），而加工中心的（de）故障大多與自動換刀係統有關。對此，文章分析了自動換刀係統的原理和功能，確定了自動換刀係統的故障診斷與維修思路（lù），分別分析和診斷了自動換刀裝置和自動（dòng）換刀控製（zhì）係統的常見故障，據此給出了維修建議，旨在為實際維（wéi）修操作提供指導。

關鍵（jiàn）詞：刀（dāo）庫式加工中心；自動（dòng）換刀係統；故障診斷（duàn）；故障維修

1、自動換刀係（xì）統的發展背（bèi）景（jǐng）

要進一步提高數（shù）控（kòng）機床的加工效率，應在盡量減少工序和安裝次數的前提（tí）下完成多道（dào）工序的加工。在同一次裝夾後，自（zì）動換刀係統能連續完（wán）成鑽孔、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（yǐ）來，美國率先開發了具備自動換（huàn）刀功能的多（duō）工序數（shù）控機床，由（yóu）於其集成了多種加（jiā）工方法，因此很快成為機床設備研（yán）究的熱點。德國、日本等公（gōng）司也在存儲刀具的（de）刀（dāo）庫（kù）及更換刀具（jù）的機械手等方（fāng）麵（miàn）不斷推陳出新，進一步推動了自動換刀係統的發展（zhǎn）。

國內對自動（dòng）換刀係統的研（yán）發起步稍晚，但（dàn）發展速度較快，目前對換刀係統及裝置的研究已成體係。近幾年，對自動換刀係統的研究方向逐漸向換刀（dāo）速（sù）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係（xì）統有關，因此建立清晰的故障診斷思路，提供可參考的維（wéi）修依據，對於設備研究和改進具有重要的指導意義。

2、自動換（huàn）刀係統的組成

加工中心實現（xiàn）自動換刀依（yī）靠的是自動換刀係（xì）統，其主要包（bāo）括自動換刀裝置和控製係統兩大部分（fèn）。

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（huàn）裝置兩（liǎng）大部分（fèn），在加工中心應用（yòng）較（jiào）為廣泛。刀庫（kù）用於（yú）存儲刀具，並在給定（dìng）指令後將指定的刀具傳（chuán）送到待更換位置，換（huàn）刀完成後再將換（huàn）下的刀具存儲在（zài）刀（dāo）庫內，常用的刀庫形式有鼓磐（pán）式、鏈式和固定型格（gé）子盒式等。刀具交換裝置用（yòng）於刀庫和主軸（zhóu）製件裝（zhuāng）卸和傳（chuán）遞刀具，可分為無機械手換刀和有機械（xiè）手（shǒu）換（huàn）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（shí）機床不工作，加工效率較低，且（qiě）存儲刀具數量有限。典型的機械手換（huàn）刀利用液壓缸完成沿主軸軸線上的插刀（dāo）和拔刀動作，通（tōng）過液壓電機（jī）實現（xiàn）擺動送刀及旋轉換刀。開始換刀時，機械手與刀庫軸線平（píng）行，從刀庫中抓出待換刀具，然後擺動至與主軸軸線平行的位置並向前移動，從主軸中拔出原有刀具，隨後後退並沿自身軸（zhóu）線旋轉 180°，使兩把刀交換位置，再次前移將新刀插入主軸，主軸將刀具鎖住後刀爪縮回，再次擺動到刀庫位置將刀具放回，最後恢複到初始位置。機械手換刀（dāo）的靈活性（xìng）較強，且換刀（dāo）速度快，因（yīn）此應用最為廣泛（fàn）。

2.2 自動換刀控製係統

自動換刀主要通過 PLC 實（shí）現控（kòng）製。在接收到程序後，PLC 根據（jù）各控製及（jí）檢測元件反饋的狀態信息，控製刀庫、交換裝置及液壓係統（tǒng）等完成相應的動作。基（jī）於自動（dòng）換刀係統的分析可（kě）知，在故障診斷過程中，首先應分析自動換刀係（xì）統的運動邏輯和執行邏輯（jí），最終確定維修方法。文章以采用（yòng）刀庫和機械（xiè）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（kù）故障

（1）刀庫旋轉故障。刀庫一般（bān）由電機實施驅（qū）動，如鏈式刀庫、電機帶（dài）動鏈輪、鏈輪驅動鏈條進行運動。當刀庫出現無（wú）法旋轉傳送刀（dāo）具時，可從機械和電氣兩方麵（miàn）判斷。在機械結構方麵需要從電（diàn）機開始逐個排除傳動鏈結構，如檢查聯結器是否鬆（sōng）動等，並根據檢查結果維修（xiū）或更換。電（diàn）氣方麵需要檢查電信號是否能有效並穩定地（dì）輸入，如檢查繼（jì）電器（qì）等裝置是否正常運行，如果存在異常（cháng）則需要更換相應元件；如果刀（dāo）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（gù）障（zhàng）原因有（yǒu）電動機輸出的轉（zhuǎn）角存在問（wèn）題或傳動機構的誤差超出（chū）偏差等。對（duì）於傳動機構誤差，需要定期檢查刀庫（kù）的傳動，包（bāo）括重複定位精度、雙向來（lái）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（cè）傳動機構中零件的振動信號實時監測傳動精度。

（2）刀庫（kù）夾緊故障。自動換刀係統的刀柄上裝有拉釘，刀庫中的導套利用彈性元件和鋼（gāng）球形成鎖緊機構，從（cóng）而夾（jiá）緊刀具。若刀套無法夾緊刀具導致（zhì）鬆刀或掉刀，一（yī）般需要（yào）檢查導套內鎖緊機構，如檢查彈性元件是否太鬆等。此（cǐ）外，如果刀具重量（liàng）過大，也會導致鎖緊力無（wú）法夾緊刀具的問題。

3.2 換（huàn）刀機械手故障

（1）機械手運動故障。對於機械手在運動過程中速度過快或過慢的問題，一般（bān）需要檢查氣動係統的壓力和流速。此外（wài），如果在換刀動作未全部完成時按下複位或急停按鈕，則需要（yào）手動將機械手搖回，並將導套（tào）返回刀庫進行（háng）複位，但如果刀具已交換，為了防止亂刀，需（xū）要核對主軸刀具與係統顯示刀具是否一致，如不一致，則需手動更換。

（2）機械手更（gèng）換刀（dāo）具故（gù）障。當機械手無法夾緊或鬆開刀具時，會導致換刀失（shī）敗。當無法夾緊刀具時，一般需要考（kǎo）慮氣動係統是否壓力不足或存在泄漏（lòu），並（bìng）檢查刀具鬆開彈簧上的螺母是否鬆動。相反地，若鬆鎖刀彈簧壓合過緊，將導致機械手（shǒu）無法鬆開刀具。還有（yǒu）另一種情況，機械手能正常夾緊和鬆開刀具，但在（zài）換（huàn）刀過程中依然出現（xiàn）掉刀現象，則需（xū）要（yào）考慮換刀點是（shì）否出現漂（piāo）移，導致機械手在運動（dòng）不到（dào）位時就開始拔（bá）刀（dāo），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（huàn）刀點。

（3）機（jī）械手傳送刀具（jù）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（pái）查（chá）氣動係統（tǒng）和鎖緊機構，同時還需要考（kǎo）慮刀具是否超重。

3.3 主軸鬆刀故障

主軸在機械手抓取刀具時不（bú）鬆刀，可能的原因有兩類。一（yī）類是傳遞給主軸的信（xìn）號出現問題，即主軸（zhóu）並未接收到鬆（sōng）刀信（xìn）號（hào）。此時，需要檢（jiǎn）查鬆刀感應開關（guān）及信號是否正常，且鬆刀開關一般采用液動電磁閥進行控製，因此需（xū）要檢查電磁閥及液壓回路是（shì）否正常，排（pái）除漏液等原因，或更換相應的零件（jiàn）。另一類是主軸內（nèi）鎖緊機構失效，如彈簧卡頭、頂杆變形等，此類問題較為直觀，且易於修理（lǐ）。

4、自動換刀控製係統故障

4.1 換刀點漂移

機（jī）械手的自動換刀動作需要在機床的換刀點執行。換刀點即（jí）機床的機械原點，該點應與電氣（qì）原點相重合。當電氣原點偏離機械原點時，機械手（shǒu）無法（fǎ）捕捉到機械原點就（jiù）開始換刀，即出現換刀點飄（piāo）移。當偏移量較（jiào）小時，換刀過程雖能（néng）進行，但會伴隨較大的振動和噪聲；換刀（dāo）點偏移較大時，則會（huì）出現無法拔刀或掉刀的情況。機床捕捉電氣原點主要（yào）依靠限位開關和撞塊，即當機床運動（dòng）到指定（dìng）位置時，撞塊壓（yā）下限位開關，信號返回，從而識別（bié）為電氣（qì）原點。因此，當出現換刀點漂移時，需要檢查撞塊是否鬆動，限位開關是否正常運行等。如果是傳動係統誤差導致換刀點（diǎn）漂移，也可以手動返回參考點，手輪操作（zuò）至限位開關（guān）有信號，記錄新的坐標值並（bìng）更新換刀（dāo）點坐標。

4.2 刀庫亂刀

刀庫亂（luàn）刀（dāo）是指刀（dāo）庫中實際存儲的刀具與係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（le）中斷等（děng），導致係統內刀具（jù）數據出現偏差。此時，需要檢查刀（dāo）具的實際存儲情況，並在數據寄存器中將數據（jù）更改為實際數據。

4.3 換（huàn）刀超時

在換刀過（guò）程（chéng）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（jiǎn）查機械（xiè）手傳動機構是否（fǒu）正常，並核實機械手運動（dòng）速度是否過慢，若（ruò）運動速度過慢，則（zé）按如前所述檢查動力係統。此外，主軸（zhóu）鬆刀感應開關失靈、機械手運動不到位等也會（huì）導致（zhì）換刀超（chāo）時，需要檢修相應的元件。

5、結束語

自動換刀係統是（shì）加工中心的關鍵組（zǔ）成部分，其（qí）故障直接（jiē）影響設備的使用效率。自動換刀係統由自動換刀裝置及其控製係統組成。文章分別探討了自動換（huàn）刀裝置和控製係（xì）統的常見故障及排除方法，從機械結構的動作原理（lǐ）及電氣元件的（de）信（xìn）號傳遞出（chū）發，依次檢查可能導（dǎo）致故障的環節。對於刀庫故障，通常需要檢查傳動鏈的各（gè）機械結構及電氣元件（jiàn）；對於刀庫和機械手夾緊或鬆開故障、機械手掉（diào）刀等（děng），需要檢查氣動係統及（jí）鎖緊機構；機械手運動速度不合理，通常是氣動係統壓力調節不當導致的。自動控製係統的故障通常與機

械故障相耦合，在排除機械故障後，可（kě）以（yǐ）在係統中更新數據，以消除換刀點漂移及（jí）亂刀等故障；換刀超時涉及的因素較多，需要檢查各（gè）環節。總（zǒng）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（yù）測（cè）機床狀（zhuàng）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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