機床（chuáng）動換刀係統故障診斷與維修（xiū）

自動換（huàn）刀係統能實現一次裝夾後多道工序的加工，而加工中心的故障（zhàng）大多與自動換刀係統有（yǒu）關。對此，文章（zhāng）分析了自動換刀係統的原理和（hé）功能，確定了自動換（huàn）刀係（xì）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換刀控製係（xì）統的常見故障，據此給出了維修建議，旨在（zài）為實際（jì）維修操作提供指導。

關鍵詞：刀庫式加工中心；自動換（huàn）刀（dāo）係統；故障診斷；故障維修

1、自動換（huàn）刀係統的發展背景

要進一步提（tí）高數控（kòng）機床的加工效率，應在盡量減少工序和（hé）安裝次數的前提下完成多道工序的加工。在同一次裝夾後，自動換刀係統能連續完成（chéng）鑽孔、擴（kuò）孔（kǒng）、鉸孔及銑削等多道工序，得到了廣泛的關注和應（yīng）用。自 20 世紀 70 年代以來，美國率先開（kāi）發了具備自動換刀功能的多工序數控機床，由於其集成了多種加工方法，因此（cǐ）很快成（chéng）為機（jī）床設備研究的熱點。德國、日本等（děng）公（gōng）司也（yě）在存儲刀具的刀庫及更換刀（dāo）具（jù）的機械手等方麵不斷推陳出新，進一步推動了自動換刀係（xì）統（tǒng）的發展  。

國內對自動換（huàn）刀係統的研（yán）發起步稍晚，但發展速度較快，目前對換刀係統及裝（zhuāng）置的研究（jiū）已成體（tǐ）係。近幾年，對自（zì）動換刀係統的研究方向逐（zhú）漸向換刀速度、可靠性的（de）進（jìn）一步提升轉變。加工中心（xīn） 50% 以上的故障都和自動換刀係統有關，因此建立清晰的故障診斷思路，提供可參考的維修依據，對於設備研究和改進具有重要的（de）指導意義。

2、自動換刀係統（tǒng）的組成

加工中（zhōng）心實現自動換刀依靠的是自動換刀係統，其主要包括自動換刀裝（zhuāng）置和控製係統（tǒng）兩大部分。

2.1 自動換刀裝置

常見的自動換刀（dāo）裝置有磚（zhuān）塔式（shì）和刀（dāo）庫式兩種，其中刀庫（kù）式自（zì）動換刀裝置主要包括刀庫和交（jiāo）換裝置兩（liǎng）大部分（fèn），在加（jiā）工中心（xīn）應用較為廣泛  。刀庫用於存儲刀具，並在給（gěi）定指令後將指（zhǐ）定的刀（dāo）具傳送到待更換位置，換刀完成後再將換下的刀（dāo）具存儲在刀庫內（nèi），常用的刀庫形（xíng）式有鼓磐式、鏈（liàn）式和（hé）固定型（xíng）格子盒式等。刀具交換裝置（zhì）用於刀庫和主軸製件裝卸和傳遞刀具，可（kě）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（hé）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（shù）量有限。典型的機械手換刀利用液壓缸完成（chéng）沿主軸軸（zhóu）線上的插刀和拔刀動（dòng）作，通過液（yè）壓電機實現擺動送刀（dāo）及旋轉換刀。開始換刀時，機械手與刀（dāo）庫軸線平行，從刀庫中抓出待換刀（dāo）具，然後（hòu）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（yuán）有刀具，隨後後退並沿自身（shēn）軸線旋轉 180°，使兩（liǎng）把刀交換位置，再（zài）次前移將新刀插入主（zhǔ）軸，主軸將刀具鎖住後刀爪縮回，再次擺（bǎi）動到刀庫位置將刀（dāo）具放（fàng）回，最後恢複到初始位置（zhì）。機械手換刀的靈（líng）活性較強，且（qiě）換（huàn）刀速度快，因此應用最為廣泛。

2.2 自動換刀控製係統

自動換刀主要通過 PLC 實（shí）現控製。在接收到程序（xù）後，PLC 根據各控製及檢測元件反（fǎn）饋的狀態信息，控製刀庫、交（jiāo）換裝置及液壓係（xì）統等完成相應的動（dòng）作  。基於自動（dòng）換刀係統的分析可知，在故障診斷過程中，首先應分析自動（dòng）換刀係統的運動邏（luó）輯和執行邏（luó）輯，最終確定維修方法（fǎ）。文章以采用刀庫和機（jī）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（zhàng）

3.1 刀庫（kù）故障

（1）刀庫旋轉故障。刀庫一般由電機實施驅動，如鏈式（shì）刀庫、電機（jī）帶動鏈輪、鏈輪驅動鏈條進（jìn）行運動 。當刀庫出現無法旋轉（zhuǎn）傳送刀具時，可從機械和電氣兩方麵判斷。在機械結構方麵需要從電機開始逐個排除傳動鏈結構，如檢查聯結器是否鬆動等，並根據檢查結果（guǒ）維修或更換。電氣方麵需要檢查電信號是否能（néng）有效並穩定地輸入（rù），如（rú）檢查（chá）繼電器等裝置是否正常運行，如果存在異常則需要（yào）更換相應元件；如果刀庫能（néng）正常轉動，而動作不（bú）到位（wèi），則可以（yǐ）排（pái）除（chú）電信號（hào）輸入問（wèn）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（chà）等（děng）。對於傳動機（jī）構誤差，需要定期檢查刀庫的傳動，包括重複定位（wèi）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（shí）檢修 。此外，也可利用監測（cè）傳動機（jī）構中零件的振動信號實時監測傳動精度 。

（2）刀庫夾緊故障。自動換刀係統的刀柄上裝有拉（lā）釘，刀庫中的導套利用彈性元（yuán）件和鋼球形成鎖緊機構，從而夾緊刀具。若刀套無法夾（jiá）緊刀具導致鬆刀或掉刀，一般需要（yào）檢查（chá）導套內（nèi）鎖緊（jǐn）機構，如檢查彈性元件是否太鬆等。此外（wài），如果刀具重量過大（dà），也會（huì）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（gù）障（zhàng）。對於機械手在運動過（guò）程中速度過快或過慢的問題，一般需要檢查氣動係統（tǒng）的壓力和流速。此外，如果在換刀動作未全部完成時按下複位或急停按鈕，則需要手動將機械手搖回，並將導套返回刀（dāo）庫進（jìn）行複位（wèi），但如果刀具已交換（huàn），為了防止亂刀，需要核對主（zhǔ）軸刀具與係統顯示刀具是否一（yī）致，如不一致，則需手動更換（huàn）。

（2）機械手更換刀具故障。當機械手無法夾緊或鬆開（kāi）刀具時，會導致換刀失敗。當（dāng）無法夾緊刀具時，一般需要考慮氣動係統是否壓（yā）力不足（zú）或存在泄漏，並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，將導致機械手無法鬆開刀具。還有另一種（zhǒng）情（qíng）況，機械手能正常（cháng）夾緊和（hé）鬆開（kāi）刀具，但在換刀過程中依然出現（xiàn）掉刀現象，則需要考慮換刀（dāo）點是（shì）否出現漂移，導致機械手在運動不到位（wèi）時就（jiù）開始拔（bá）刀，使刀具和機械（xiè）手的相（xiàng）對位置發生偏差，從而無法夾緊刀（dāo）具，此時需要更（gèng）新（xīn）換刀點。

（3）機（jī）械手傳送刀（dāo）具故障。機（jī）械手在傳送刀具的過程中無法（fǎ）夾緊（jǐn）刀具或出現掉刀，其原理和換刀時（shí）無法夾緊刀具類似，也需要排（pái）查氣動係統和鎖緊機構，同時還需要考慮刀具是否超重。

3.3 主（zhǔ）軸鬆刀故障

主軸在機械手抓取刀具時不鬆刀，可能的原因有兩類。一類是（shì）傳遞給主軸的信號出現問題，即（jí）主軸並未接收（shōu）到鬆刀信號。此（cǐ）時，需要檢查鬆刀（dāo）感應開關及信號是否正常，且鬆刀開關一般采用（yòng）液動電磁閥進行控製，因此需要（yào）檢查電（diàn）磁閥及液壓回路是否正常，排除漏液等原因，或更換相應的（de）零件。另一類（lèi）是主軸內鎖（suǒ）緊機（jī）構失效，如彈簧卡頭、頂杆變形等，此類問題較為直（zhí）觀，且（qiě）易於修理。

4、自動換（huàn）刀控製係統故障

4.1 換刀點漂移（yí）

機械手的自動換（huàn）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（jī）械原點（diǎn）時，機械（xiè）手無法捕捉到機械（xiè）原點就開始換刀，即出現換刀點飄移。當偏移（yí）量較小時，換（huàn）刀過程雖能（néng）進行，但會伴隨較大的振動和噪聲；換刀點偏移（yí）較大（dà）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（wèi）開關和撞塊，即當機床運動到指定位置（zhì）時，撞塊壓下限位開關，信號返回，從而識別為電氣原（yuán）點。因此，當出現換刀點漂移時，需要檢查撞塊是否鬆動（dòng），限位開關是否正常（cháng）運行等。如果是傳動係統誤（wù）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，記錄新的坐標值並更新換刀點坐標（biāo）。

4.2 刀庫亂刀

刀庫亂刀（dāo）是指（zhǐ）刀（dāo）庫中（zhōng）實際存儲的刀（dāo）具與係統中刀具號不相符的故障，該種故障原因可能是（shì）在換刀過程中發（fā）生了中斷等，導致係統內刀具數據（jù）出現偏差。此時，需要檢查刀具的（de）實際存儲情況，並在數據寄存器中將（jiāng）數據更改為實際（jì）數據。

4.3 換刀超時

在換刀過（guò）程中，提示換刀超時，即在規定時間內無法完（wán）成換刀。此時（shí），需（xū）要檢查機械（xiè）手傳動機構是否（fǒu）正常，並核（hé）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係（xì）統。此外，主軸鬆刀（dāo）感（gǎn）應開關失靈、機械手運動不到位等也會導致換刀超時（shí），需要檢修（xiū）相應（yīng）的元件。

5、結束語

自動換（huàn）刀係統是（shì）加工中心的（de）關鍵組成部分（fèn），其故障（zhàng）直接影響設備的使用效率。自動（dòng）換刀係統由自動換刀裝置及其控製係統組成。文章分別探（tàn）討了自動（dòng）換刀裝置和控製係統的常見故障及排除方法（fǎ），從機械結構的動作原理及（jí）電氣元件的（de）信號傳遞出發，依次檢查可能導（dǎo）致故障的（de）環節。對於刀庫故障（zhàng），通（tōng）常需要檢查傳動鏈的各機械（xiè）結構及電（diàn）氣元件；對於刀庫和機械手夾緊或鬆開故障（zhàng）、機械手掉（diào）刀等，需要檢查氣（qì）動係統及鎖緊機構；機械（xiè）手運動速度不合理，通常是氣動係統（tǒng）壓力調節不當導致的。自（zì）動控（kòng）製係統的（de）故障通（tōng）常與機

械故障相（xiàng）耦合，在排除機械故障後，可以在係統中更新數據，以消除換刀點漂移及亂刀等故（gù）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（yǔ）維修應朝預防性（xìng）維修方向發展，建立實時監控的動態數據，通過數據（jù）分析預測機床狀態，為（wéi）故障診斷提供依據，從而進一步提升機床的工作效（xiào）率（lǜ）。