數控加工中心換刀係（xì）統故障分析

0 引言

換刀係統將機械手作為換刀機構的工具，目的是為了提高刀具（jù）交換效率，雖然該項技術在數（shù）控加工中心應用中取得了突出的成績，但（dàn）也存在著亟待解決（jué）的問（wèn）題，例如：換刀係統故障率較（jiào）高，換刀精度和速度尚有提（tí）升空間。對換刀係統進行深入研究（jiū），具有突出的現實意（yì）義，應當引起重視。

1、換刀係統相關概念

1.1 加工中心（xīn）

數控加（jiā）工中心代表著機械行業發展的主流方向。20 世紀70 年代（dài），該項技術的引進為各行各業的發展提（tí）供了支持。國（guó）內現有加工中心，無論從數量還是質量上來說，均無法滿足行業需求。要想（xiǎng）使加工效率得到保（bǎo）證，關鍵是優化加工中（zhōng）心的換（huàn）刀係統，換刀（dāo）係統成為研究的重點。

1.2 換刀係統

換刀係（xì）統具備交換、存儲刀具的功能。其中，負責對刀（dāo）具（jù）進行交換的主體為換刀機構，具（jù）體流程如下：數控係統（tǒng）發出換刀指（zhǐ）令後，換刀機構（gòu）對主軸在用刀具進行抓回，再將目標刀具交換至主軸，為（wéi）零（líng）件加工工（gōng）序提供保證。此（cǐ）項工作對主軸、刀具位置均提出具體的要求，降低換刀係統出現故障的概率，成為機床製造行業需要解決的瓶頸問題（tí）。加工中心加工的零件工序較多，要想提高工件加工的可（kě）靠性，關鍵是根據不同工序所提出（chū）需求，進行刀具交換，因此換刀係（xì）統對加工中心的（de）意義重大。從零件加工角度來說，換刀係統是否穩定（dìng），直接影響換刀的（de）效率。

現（xiàn）階段，較為常見的換刀方（fāng）式為機械換刀，具體來（lái）說，就是用機械（xiè）手對人換刀的動作進行模擬，其優勢主要體現為靈活、具有（yǒu）可操作性，這也是（shì）該項（xiàng）技術（shù）得（dé）到推廣的原因[1]。但是，受刀庫和主軸距（jù）離的（de）影響，僅使用機械換刀，無（wú）法保證換刀效率，要想使該問題得到有效解決，需要利用 PLC 程序指令控製刀庫動

作，實現自動刀具交換。

2 、故障解決（jué）策略

2.1 故障診斷思路

換刀係統包括刀庫，即（jí）對工件進行加工時，不同刀（dāo）具的具體（tǐ）位置受功能、容量（liàng）影響，刀庫所呈現出形式有鼓式（shì）、盤式（shì）等。在對工件進行加工時，若需要對刀具進行交（jiāo）換，加工中心可選擇（zé）以係統參（cān）數（shù）為依據，自（zì）動準備刀具到機械手（shǒu）並（bìng）隨時等待（dài）更換（huàn）刀具。刀庫卡刀是機床（chuáng）警報產生的主要原因之一。若機床係統無（wú）報警但ATC（Automatic Tools Change，自動換刀裝（zhuāng）置）不移（yí）動，維護人員應按照以下思路，對故障進行診（zhěn）斷：手動使電磁閥動作，使機械手在油壓的作用下處於鬆開狀態，保證 ATC 能夠（gòu）自由移動；若ATC 裝置無法做到自（zì）由移動，則應先對 ATC 液壓回路進行檢查；在（zài） MDI 方式下輸入換刀指令執行換刀動（dòng）作，若出現 ATC 動作卡滯的現象，維修人員應對電機進行檢查；若（ruò） ATC 裝置（zhì）無法（fǎ）滿足動作的要（yào）求，表明電機（jī）存在故障。維護人（rén）員應手動轉動電機軸，觀察傳動部件運（yùn）轉是否流暢，因為傳動部件（jiàn）往往存在較為明顯的齒輪減速情況，如果是傳動部件故障，手動轉動（dòng）可以找到故障點；若存在伺（sì）服故障且 ATC 不移動的情況，維護（hù）人員應根據伺服單元 LED 指示狀（zhuàng）態判斷故障，若 LED 燈被點亮，則應對（duì）保險絲、I/O 板進行檢查；若（ruò） LED 燈未被點亮，維修人員應對輸入電源電纜和電機伺服驅動模塊進（jìn）行檢查，再判斷電氣器件是否有故障存在。

2.2 ATC 液壓油缸（gāng）機械（xiè）故障

自動換刀（dāo）的常（cháng）見故障，有超時報警和機械手反應不及時等（děng）故障。換刀超（chāo）時報警信息為“動作並未在（zài）規定時間完成”，需要對PMC 到（dào）位信號開關進行檢查，如 X1.3（機械手滑板左移到位（wèi））及X1.4（機械手滑板右移到位）相應（yīng）動作到位信號變化（huà）為 1；對機械手進行手動操作，機械手均能給予（yǔ）相應反應，表明轉動機構無異常現象；維護人員對（duì）其進行深（shēn）入的排查，發現刀套到（dào）位（X1.0所（suǒ）對應信號變化為 1）動作正常，但動作緩慢；判斷機械手（shǒu）滿足正常轉動的要求。要想使機械手完成抓刀動作，其前提是保證刀（dāo）套位置（zhì）正確，維護人員決定對刀套動作進行仔細排查，發現（xiàn）位於（yú）刀庫側的預選刀套，向主軸側（cè）進行移動的時間，明（míng）顯比其他（tā）類似機床時間長。控製刀庫移動的機構為液壓油缸，需對其進行分解（jiě）進一（yī）步排查故障。將油缸拆下分解並檢查發現缸壁和活塞間存（cún）在較大配合間隙，導致（zhì）出現漏油故障，主要（yào）表現為活塞杆（gǎn）無（wú）法達（dá）到（dào）預定的運（yùn）動速度，換刀動作完成過程緩慢，由此引發換刀超時故障報警。解決故障的方法是對液壓缸整套部件進行更換[2]，試機（jī）調試機床正常投入使用。

2.3 機械手傳動機構故（gù）障

加工中心執行（háng）自動換刀指令過程中（zhōng），機（jī）械手未及（jí）時做出反應，導致換刀過程終止，報警信息是（shì）“機械手未回零點”，維護人員手動將其複位。第二次換刀警報信息（xī）是“循環超時”，查閱電氣診（zhěn）斷手冊可知，致使上述報警產生的主要原（yuán）因是“機械手（shǒu）未回零點”。檢查機械（xiè）手本身（shēn）未在零（líng）位，零點位（wèi）置信號開關檢測為 0，說

明零位信號檢測正確。導致故障出現的原因可能是刀庫機械傳動（dòng）部（bù）位故障。機械（xiè）手由電機驅動，中間機構為多級齒輪或皮帶傳動。係統收到“換刀”指令後，ATC 的（de）電機為（wéi）機械手提供動力，完成換刀過程。維護人員將刀庫門（mén）打開，拆卸防護（hù）蓋板，排查機械手傳（chuán）動機構（gòu），發現故障的原因（yīn）一個是小齒輪脫落，另一個是電機軸斷裂。即係統接到換刀指令，機軸（zhóu）斷裂的電機，無法將（jiāng）動力進行傳遞，缺少動力的機械（xiè）手自然會發出（chū）警報。更換電機後，維護人員發現機械手傳動機構齒輪齧合不（bú）順暢，這一現象增加（jiā）了電機阻力（lì），隨著換刀動作過程的次數越來越頻繁，出現機軸（zhóu）斷裂的情況，在對齒輪間隙進行調整後，傳動機構的故（gù）障得（dé）到了徹底解決。

2.4 故障分（fèn）析流程

換刀係統由機械手、刀庫構成（chéng），經（jīng）由 PLC 與 CNC 對信息進行傳遞，以（yǐ）此來達到對刀具（jù）傳送、機械手位（wèi）移進行精準控製的目的。分析故障（zhàng）及解（jiě）決策略可（kě）知（zhī），要想縮短故障解決時間，歸納出故障分析流程、製作標準作（zuò）業指導書如下：

第一步，按（àn）下（xià）故障恢（huī）複按（àn）鍵，警報仍存在，則需要按下（xià）複位按鍵，將警報消除；第二步，判斷主軸、換刀位刀套、機械手 AB爪是否有刀具存在，若有刀具存在，對刀臂給刀具移動所帶來阻礙進行判斷，如果有（yǒu）阻礙存在，則表明刀庫卡刀的時間應是交（jiāo）換過程中（zhōng），隻需對刀具進行移除；若無（wú）刀具存在，隻（zhī）需將機械手（shǒu）手動返回（huí）換刀（dāo）等待（dài）位，或（huò）執行單步指令讓機械手（shǒu）自動返回等待位；第三步，MDI 方式下進行自動還刀操作，使機（jī）械手返回換刀等待位，刀具還回刀庫；另外，還（hái）可按下鬆刀按鈕，先將刀具移除，再對其位置進行手動恢複；第四步，若（ruò）刀庫亂刀，維（wéi）護人員應（yīng）對刀庫進行回零、重新裝刀，並對每把刀（dāo）具（jù）、刀套位進行檢查確認；若從刀庫移除全部刀（dāo）具的（de）過程中，執行卸刀操作，需要將（jiāng）刀具（jù）換到裝刀位逐個移除[3]。使換刀故障從根本上得以（yǐ）排（pái）除（chú）。

3 、優化換刀（dāo）過（guò）程

加工中心由數控係統、機械設施及換（huàn）刀裝置組成，可以實現對工件進行高效加工。參數、類別不同的機床，通常對應不同的加工（gōng）中心，設計人（rén）員可選擇根據用戶所提出的需求，修改機床功能與部件，但是，類別（bié）相同的機（jī）床，所存在差別相對細微。例如以表（biǎo）現出的形態為依據，可將加工中心分（fèn）為多（duō）個不同種類，如臥式（shì）加工中心（xīn）、立式加工（gōng）中心。構成加工中心的元素，除了自（zì）動換刀係統，還有（yǒu）主軸係統、基礎附（fù）件、冷卻係統（tǒng）和數控（kòng）係統等。由電機、傳動機構構成的（de）主軸係（xì）統，對加工效率與零件質量（liàng）起決定性作用。基礎部件由立柱和床身構（gòu）成（chéng），其價值主要體現在對工（gōng）作（zuò）負荷的承載，這也決定其對剛度具有較高要求。另外，數控係統包括 PLC、CNC、伺服係統和電機，從控（kòng）製角度（dù）來說，數控係統是機床的運（yùn）動控製核心，完（wán）成機床各軸位置精度控製的工作，控製零件加（jiā）工軌跡（jì），同樣應當引起重視。機床其他輔助係統的功能，主要（yào）是冷卻、排屑、潤滑和檢測，目的是（shì）為工件加工質量提供保證，使加工中（zhōng）心具備良好的可靠性與穩定（dìng）性[4]。

現階段，加工中心的使用壽命已延長至 15 年，但是，不間斷、高強（qiáng）度的使用，加劇（jù）了（le）機械部件磨損的程度，無論是加工精度，還（hái）是後續的（de）裝夾精度，均會受到不同程度的影響，若換刀係統出現精度降低的情況，極易導致刀具裝（zhuāng）卸位置出現偏差，由此而引發的問（wèn）題，主要體現在以下（xià） 3 個（gè）方麵：①刀具隨加工時間（jiān）增長有（yǒu）一定磨損，零件加工精度隨（suí）之下降，則刀具需要定期（qī）進行更換；②主軸錐孔磨損，零件的加工（gōng）精度無法得（dé）到保證（zhèng），且修複主軸精（jīng）度難度較大，對維修技能水（shuǐ）平要求高；③刀具種類、數量與刀具傳送效果成正比關係，這也是導致傳送位置出現（xiàn）偏差的主要（yào）原（yuán）因。

以 PID 為代表的控製策略，其優勢可歸（guī）納為可靠（kào）、便於計算，上述優勢的存在，使（shǐ）得其在多（duō）個行業得到廣泛應用，事實證明，PID 控製策略能夠使（shǐ）位移偏差獲得補償，電機轉（zhuǎn）動精度自然得到提高。該策略的不足，則體現在不具備（bèi）在線控製換刀係統功能，如果係統參數出現變（biàn）更，PID 參數往往無法實時做出反應，控製效果相應會受到影（yǐng）響。要想（xiǎng）使換刀過（guò）程（chéng）得到優化，降低出（chū）現故障的概率，關鍵是對模糊控製法加以使用，以參數可自動（dòng）調節PID 為基礎（chǔ），使（shǐ）位移偏差量得到（dào）補償，達到自動校正參數（shù）的目的，增加換刀係統（tǒng）的穩定性。

4、 結束語

換刀係（xì）統是加工中心（xīn）不可或缺的構成部分，其運行效率直接（jiē）影響到（dào）加工的精（jīng）度與效（xiào）率（lǜ）。研究表明，無法完成自動換刀的（de）過程的原因往往與電氣、機械、液壓和氣壓綜合相關，隻有對換刀原理及（jí）過程進行（háng）深入了解，才能做到及時發現並解決潛在故障，為提升各機（jī）械行業的加工效（xiào）率提供支（zhī）持。