機床動換刀係統故障（zhàng）診斷與維（wéi）修

自動換刀係統能實現一（yī）次裝夾後多（duō）道工序（xù）的加工，而加工中心的故障大多與自動換（huàn）刀係統有關。對此，文章分析了自動換刀係統的原（yuán）理和功能，確定了自動換刀係統的故障（zhàng）診斷與（yǔ）維修思路，分別分析和診斷了自動（dòng）換刀裝置和自動換刀控（kòng）製係統的常見故（gù）障，據此給出了（le）維修建議，旨在為實際維修操作提（tí）供指導。

關（guān）鍵詞：刀庫式加工中心；自動換刀（dāo）係統（tǒng）；故障診斷；故障維修

1、自（zì）動換刀係統的發展背（bèi）景（jǐng）

要進一步提高數控機床的加（jiā）工效率，應在盡量減（jiǎn）少工序和安裝次數的前提下完成多道工序的（de）加（jiā）工。在同一次裝（zhuāng）夾後，自動換刀係統（tǒng）能連續完（wán）成鑽孔（kǒng）、擴孔（kǒng）、鉸孔及銑削等多道工序，得到（dào）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（xù）數控機床，由於其集成了多種（zhǒng）加工方（fāng）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麵不斷推陳出新，進一步推動了自（zì）動換刀係統（tǒng）的發展  。

國內對自動換刀係統的研（yán）發（fā）起步稍晚，但發展速度較快，目（mù）前對（duì）換刀係統及裝置的研究已成體係。近（jìn）幾年，對自動換刀係統的研究方向（xiàng）逐（zhú）漸向換刀速度、可靠性的進一步提升（shēng）轉變。加（jiā）工中心 50% 以上（shàng）的故障都和自動換刀係統有關，因此建立清晰的（de）故障診（zhěn）斷思路，提供可參考的維修依據（jù），對（duì）於設備（bèi）研究和改進（jìn）具（jù）有（yǒu）重要的指導意義。

2、自動換刀（dāo）係（xì）統的組成

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（bāo）括自動（dòng）換（huàn）刀（dāo）裝置和控（kòng）製係統兩大（dà）部分。

2.1 自動換（huàn）刀裝置

常見的自動換刀裝置有磚塔式和刀庫式兩種，其中（zhōng）刀庫式自動換刀裝置主要包括刀庫和交換裝（zhuāng）置兩大部分，在加工中（zhōng）心應（yīng）用較為（wéi）廣泛  。刀（dāo）庫用（yòng）於存儲刀具，並在給定指令後將指定的刀具傳（chuán）送到待更（gèng）換位置，換刀完（wán）成後再將換下的刀具存儲在刀（dāo）庫內，常用的刀庫形式有鼓（gǔ）磐（pán）式（shì）、鏈式和固定型格子（zǐ）盒式（shì）等（děng）。刀（dāo）具交換（huàn）裝置用於刀庫和主軸製件裝卸和傳（chuán）遞刀具，可分為無（wú）機械手換刀和有機械手換（huàn）刀。無（wú）機械手換刀利（lì）用刀庫（kù）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（cún）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（huàn）刀時，機械手與刀庫軸線平行，從刀庫中抓出待換刀具，然後擺動至（zhì）與主軸軸線平（píng）行的（de）位置並向（xiàng）前（qián）移動，從主軸中拔出原有刀具，隨後後退並（bìng）沿自身軸線旋轉 180°，使兩（liǎng）把刀交換（huàn）位置，再次前移將新刀插入主軸，主（zhǔ）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。機械手換刀的靈活性較強，且換刀（dāo）速度快，因此應用（yòng）最為廣泛。

2.2 自動換刀控製係統

自動換刀主要通過（guò） PLC 實現控製。在（zài）接收到程序後，PLC 根據各控製（zhì）及檢測元件（jiàn）反饋的狀態信息，控製刀庫、交換（huàn）裝置及液壓係統等完成相應（yīng）的動作  。基於自動換刀係統的分析可（kě）知，在故障診斷過程中，首先應分（fèn）析自動換刀係統的運動（dòng）邏（luó）輯和執行邏輯，最（zuì）終確定維修方法。文章（zhāng）以采（cǎi）用刀庫和機械手換刀的加工（gōng）中心為例，闡述幾種典型的故障診斷及維修（xiū）方法。

3、自動（dòng）換（huàn）刀裝置（zhì）故障

3.1 刀庫故障

（1）刀庫旋轉故障。刀庫（kù）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（jìn）行運動 。當刀庫出現（xiàn）無法（fǎ）旋轉傳送刀具時，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（gè）排除傳動鏈結構，如檢查聯結器是否鬆動等，並根據檢查結果維修（xiū）或更換。電氣方麵（miàn）需要檢查電信號是（shì）否能有效（xiào）並穩定地輸入，如檢查繼電器等裝置是否正常運行，如果存在異（yì）常則需（xū）要更換相（xiàng）應元件（jiàn）；如果刀庫能正常轉動，而動作不（bú）到位，則可以排除電信號輸入問題，常見的故障原因有（yǒu）電動機輸出的轉角存在問題或傳動機構的誤（wù）差（chà）超出偏（piān）差等。對於傳動機構（gòu）誤差，需（xū）要定期檢查刀（dāo）庫的傳動，包括重複定位精度、雙向來回換刀精度等；當傳動精（jīng）度（dù）超（chāo）出偏差時，需要及時檢（jiǎn）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（jīng）度 。

（2）刀庫夾緊故障。自動（dòng）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球形成鎖緊機（jī）構，從而夾緊刀（dāo）具（jù）。若刀（dāo）套無法夾緊刀具導致鬆刀（dāo）或掉刀，一般需要檢查導套（tào）內鎖緊機構，如檢查彈性元件是否太鬆等。此外，如果刀（dāo）具重量過大，也會導致鎖緊力（lì）無法（fǎ）夾緊（jǐn）刀（dāo）具的問題 。

3.2 換刀機械手故障

（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，一般需要檢查（chá）氣動係統的壓力和流速（sù）。此外，如果在換刀動作未（wèi）全部完成時按下複位或急停按鈕，則需（xū）要手動將機械手搖回，並將導套返回刀庫進（jìn）行（háng）複位，但如果刀具已交換，為了防止亂刀，需要核對主軸刀具與係統（tǒng）顯示刀具是否一致，如不一致，則需（xū）手動更換。

（2）機械手更換刀具故（gù）障。當機械手無法夾（jiá）緊或鬆開刀（dāo）具時，會導致換刀失敗。當無（wú）法夾緊刀具時，一般需要考慮氣動係統是否壓力不足或存在泄漏（lòu），並檢查刀（dāo）具鬆開彈簧上的螺母是否鬆動。相反地，若鬆鎖（suǒ）刀彈簧壓合過緊，將導致機械手無法鬆（sōng）開刀具。還有另一種情況，機（jī）械手能正常夾緊和鬆開刀具，但在換刀過程中（zhōng）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（zhì）發（fā）生偏差，從而無法夾（jiá）緊（jǐn）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（fǎ）夾緊刀具或出（chū）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（dòng）係統和鎖緊機構，同時還（hái）需要考慮刀具是否超重。

3.3 主軸鬆刀（dāo）故障

主軸在機械手抓取刀具時不鬆刀，可能的（de）原因有兩類。一類是傳（chuán）遞給主軸的信號出現問題，即主軸並（bìng）未（wèi）接收到鬆刀信號。此時，需（xū）要檢查鬆（sōng）刀感應開關（guān）及信號是否正（zhèng）常，且（qiě）鬆刀開關一般采用液動電磁閥進行控製（zhì），因此需要檢查電磁閥及液壓回路是（shì）否（fǒu）正常，排除漏液等原因，或（huò）更換相應的零件。另一類是主軸內鎖緊機構失（shī）效（xiào），如彈簧卡（kǎ）頭、頂杆變形等，此類問題較為直觀，且易於（yú）修理。

4、自動換刀（dāo）控製係統故障

4.1 換刀點（diǎn）漂移

機械手（shǒu）的自動換刀動作需要在機床的換刀點執行。換刀點即機（jī）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（yuán）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（hé）噪聲；換刀（dāo）點偏（piān）移較大時，則會出現無法拔刀或掉刀的（de）情（qíng）況。機床捕（bǔ）捉電氣原點主要（yào）依靠限位開關和撞塊，即當機床運（yùn）動到指定位置時（shí），撞塊壓下限（xiàn）位開關（guān），信號返回，從而識別為電氣原點。因此，當出（chū）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（yùn）行等。如果是傳動係統（tǒng）誤差導致換刀點漂移，也可以手動返回參考點，手輪操（cāo）作至限（xiàn）位（wèi）開關有信號，記錄新（xīn）的坐標值並更新換刀（dāo）點坐標。

4.2 刀庫亂（luàn）刀

刀庫亂刀是指刀庫中實際存（cún）儲的刀具與係統中刀具（jù）號不相符的故（gù）障（zhàng），該種故障原因可能是在換（huàn）刀過程中發（fā）生了中斷等，導致係（xì）統內刀具數據出現（xiàn）偏差。此時，需要檢查刀具（jù）的實際存儲情況，並在數據（jù）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（chéng）中，提示換刀超時，即在規（guī）定時（shí）間內無（wú）法完成換刀。此時，需要檢查機械手傳動機構（gòu）是否正常（cháng），並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係（xì）統。此外，主（zhǔ）軸鬆刀感應開關失（shī）靈、機械手運動不到位（wèi）等也會導致換刀超時，需（xū）要檢修相應的元件。

5、結束語

自動換刀係統是加工中心（xīn）的關（guān）鍵組成部分，其（qí）故障直接影響設備的（de）使（shǐ）用效率（lǜ）。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刀裝置和控製（zhì）係統（tǒng）的常見故（gù）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（dì）出發，依次檢查可能（néng）導致故障的環節。對於刀庫故障，通常需要檢查傳動鏈的各機械結構及電氣元件；對於刀庫和（hé）機械手夾緊或鬆（sōng）開故障、機械手掉刀等，需要檢查氣（qì）動係統及鎖緊機構；機械手運動速度（dù）不合理，通常是（shì）氣動係統壓力調節不（bú）當導致的（de）。自動控製（zhì）係統的故障通常與機

械故（gù）障（zhàng）相耦合，在排除機械故障後，可以在係統中更新（xīn）數據，以消除換刀（dāo）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（shù）據分析預測機床狀態，為故障診斷提供依據（jù），從而進一步提升機（jī）床的工作效率。