數控加工中心換刀係統故障分析

0 引言

換刀係統將機械手作為換刀機構的（de）工具，目的是為了提高刀（dāo）具交換效（xiào）率，雖然該項技術在數控加工中心應用中取得了突出的成績，但也（yě）存在（zài）著亟待解決（jué）的問題，例如（rú）：換刀係統故障率較高，換刀（dāo）精度和速度尚有提升空間。對換刀（dāo）係統進行深（shēn）入（rù）研究（jiū），具有（yǒu）突出的（de）現（xiàn）實意義，應當引起重視。

1、換（huàn）刀係統相關概念

1.1 加工中（zhōng）心

數控加工中心代表著機（jī）械行業（yè）發（fā）展的主流方向。20 世紀70 年代，該項技術（shù）的（de）引進為各（gè）行各業（yè）的發（fā）展提（tí）供了支持。國內現有加工中心，無論從數量還是質量（liàng）上來說，均（jun1）無法滿（mǎn）足行業（yè）需求。要想使加（jiā）工效率得到保證，關鍵是優化加工中（zhōng）心的換（huàn）刀係統，換刀係統成為研究的重點（diǎn）。

1.2 換刀（dāo）係統

換刀係統具備交換、存儲刀具的功（gōng）能。其（qí）中，負責對刀具進行交換的主體為換刀機構，具體流程如下：數控係統發出換刀指令後（hòu），換刀機構對主軸在用刀具進行抓回（huí），再將目標（biāo）刀具交換至主軸，為零件加（jiā）工工序提供保證。此項（xiàng）工作對（duì）主（zhǔ）軸、刀具位置（zhì）均提出具（jù）體的要求，降低換刀係統出現故障（zhàng）的概率，成為（wéi）機床製造行業需要解決的瓶頸問題。加工中心（xīn）加工（gōng）的零件工序較多，要想提高工件加工的（de）可靠性，關鍵是根據不同工序所提出需求，進行刀具交換，因此換（huàn）刀係統對加工中心的（de）意義重大。從零件加工角度來說，換刀係統是否穩定，直接影響換刀的效率。

現階段，較為常見的換刀方式為機械（xiè）換刀（dāo），具體來說，就是用機械手對（duì）人換刀的動作進行模擬，其優勢主要（yào）體現（xiàn）為靈活、具有可操作性，這也是該（gāi）項技術得到推廣的原因[1]。但是，受刀（dāo）庫和主軸距離的影響，僅使（shǐ）用機械換刀，無法保證（zhèng）換刀效率，要（yào）想使該問題得到有效解決，需要利用（yòng） PLC 程序指令控製刀庫動

作，實現自動刀具交換。

2 、故障解決策略

2.1 故障診斷思路

換刀係統包括刀庫，即對工件進行加工時，不同刀具的具體位置受功能、容量影響（xiǎng），刀庫所呈現出形（xíng）式有鼓式、盤式等。在對工（gōng）件進行加工時，若需要對刀（dāo）具（jù）進行（háng）交（jiāo）換，加工中心可選擇以係（xì）統參數為依據（jù），自動準備刀具到機械手並（bìng）隨時等待（dài）更換刀具。刀庫卡刀（dāo）是機床警報（bào）產生（shēng）的主要（yào）原因之一。若（ruò）機床係統無報警但ATC（Automatic Tools Change，自（zì）動換刀裝置）不移動（dòng），維護人員應按照以下思路，對故障進行診（zhěn）斷：手動使電（diàn）磁閥動作，使機械手在油壓的作用下處於鬆開狀態，保證 ATC 能夠自由移動；若ATC 裝置無（wú）法做到自由移動（dòng），則應（yīng）先對 ATC 液壓回路進行檢查（chá）；在 MDI 方式下輸入換刀指令執行換刀動作，若（ruò）出現 ATC 動（dòng）作卡滯（zhì）的現象，維修人員應對電機進行檢查；若（ruò） ATC 裝置無法滿足動（dòng）作的要求，表明電機存在故障。維護人員（yuán）應（yīng）手動轉（zhuǎn）動電機軸，觀察（chá）傳動部件運轉是否（fǒu）流暢，因為傳（chuán）動部件往往存在較為明（míng）顯的齒（chǐ）輪減速情況，如果（guǒ）是傳動部件故障，手動轉動可（kě）以找到故障點；若存在伺服故（gù）障且 ATC 不移動的（de）情況，維護人員應（yīng）根據伺服單元 LED 指（zhǐ）示狀（zhuàng）態（tài）判斷故障，若 LED 燈被點亮，則應對保險絲、I/O 板進行（háng）檢查；若 LED 燈未被點（diǎn）亮，維修人員（yuán）應對輸入電源（yuán）電纜和電機伺服驅動模塊進行檢查，再判斷電氣（qì）器（qì）件（jiàn）是否有故障存在。

2.2 ATC 液壓油缸機械故障（zhàng）

自動換刀（dāo）的常見故障，有超時報警和機械手反應不及時等（děng）故障。換刀超時報警信息為“動作並未在規定（dìng）時間完成”，需（xū）要對PMC 到（dào）位信號開關進行檢（jiǎn）查，如 X1.3（機械手滑板左移到位）及X1.4（機械手滑板右移到位）相應動作到位信號變化為 1；對機械手進行手動操作，機械手均能（néng）給予相應反應，表明轉動機構無異常現象；維護人員對其進行深入的排查，發現刀套到位（X1.0所對應信號變化（huà）為 1）動作正常，但動作緩慢；判斷機械手滿足正常轉動的要（yào）求。要想使機（jī）械手完成抓刀動作，其前（qián）提是保證刀套位置正確，維護人員決定對刀套動作（zuò）進行仔細排查，發現位於刀庫（kù）側的預選刀套，向主軸側進行移動的時間，明顯比其他類似機床（chuáng）時間長。控製刀庫移動的機構（gòu）為液壓油缸，需對其進行分解進一步排（pái）查故障。將油缸拆下分解並檢查發現缸壁和活塞間存在較大配合（hé）間隙，導致出（chū）現漏油故障，主要（yào）表現為活塞杆無法達到預定的運動速度，換刀動作完成過（guò）程緩慢，由此引發換刀超時故障報警。解決故障（zhàng）的方法是對（duì）液壓（yā）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（shǒu）傳動機構故障

加工中心執行自動（dòng）換刀指令過（guò）程中，機械手未及時做（zuò）出（chū）反（fǎn）應，導（dǎo）致換刀過程（chéng）終止（zhǐ），報警信息是“機械手未回零點（diǎn）”，維護人（rén）員手動將其複位。第二次換刀（dāo）警報信息是“循環超時”，查閱電（diàn）氣診斷手冊可知，致使上述報警產生的主要原因是（shì）“機械手（shǒu）未回零點”。檢（jiǎn）查機（jī）械手本身未在零位，零點位置信（xìn）號開關（guān）檢測為 0，說

明零位信（xìn）號檢測正（zhèng）確。導致故（gù）障出（chū）現的原因（yīn）可能是刀庫機械傳（chuán）動部位故障。機械手由電機（jī）驅動，中間機構為多級齒輪或皮帶傳動。係統收到“換刀”指（zhǐ）令後（hòu），ATC 的電機為機械手提供動力，完成換刀過程。維護人（rén）員將刀庫門打開，拆卸防護蓋板，排查機械手傳動（dòng）機構，發現故障的原因一個（gè）是小齒輪脫落，另一個是電（diàn）機軸斷裂（liè）。即係統（tǒng）接（jiē）到換刀指令，機軸斷裂（liè）的電機，無法將動力進（jìn）行傳遞，缺少動力的機械手自然會發出警報。更換電機後（hòu），維護人（rén）員發現機械手傳動機構齒輪齧合不順暢，這一現象增加了電機阻（zǔ）力，隨著換刀動作過程的次（cì）數越來越頻繁，出現機軸斷裂的情況，在（zài）對齒輪間隙進行（háng）調整後，傳動機構的故障得到了徹底解決。

2.4 故（gù）障分析流程

換刀係統由機械手、刀（dāo）庫（kù）構成，經由 PLC 與 CNC 對信（xìn）息進行傳遞，以此來達到對刀具傳送、機械手位移進行精準控製的目的。分析故障及解決策略可知（zhī），要想縮短（duǎn）故障（zhàng）解決時（shí）間，歸納出故障分析流程、製作標準作業（yè）指導書如下：

第一步，按下故障恢複按鍵，警報仍存在，則需要按下複位按鍵，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（yǒu）刀（dāo）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，如果有阻礙存在，則（zé）表明刀庫卡刀的時間（jiān）應是交換過程中（zhōng），隻需對刀具進（jìn）行移（yí）除；若無刀具存在，隻需將機械手手動返回（huí）換刀（dāo）等待位（wèi），或執行單步指令讓（ràng）機械手自動返回等待位；第三步（bù），MDI 方式下進行自動還刀操作（zuò），使機械手返（fǎn）回換刀等待位，刀具還回刀庫；另外（wài），還（hái）可按下鬆刀按鈕，先將刀具移除，再對其位置進行（háng）手動（dòng）恢複；第四步，若（ruò）刀庫亂刀，維護人員應對刀（dāo）庫進行（háng）回零、重新裝刀，並對每把刀具、刀套（tào）位進行檢查確認；若從刀庫移除全部刀具的（de）過程（chéng）中，執行（háng）卸（xiè）刀操作，需要將刀具換到裝刀位（wèi）逐個移除[3]。使換刀故障從根本上得（dé）以排除。

3 、優化換刀過（guò）程（chéng）

加工中心由（yóu）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（jiā）工。參數、類別不同的機床，通常對（duì）應不同的加工中心，設計人員可選（xuǎn）擇根據用戶所（suǒ）提出的需求，修（xiū）改機床功能與部件，但是，類別相同的機（jī）床，所存在差別相對細微。例如以表現出（chū）的（de）形態為依據，可將加工中心分為多個不同種類，如臥（wò）式加工中心、立式（shì）加（jiā）工中心。構成加工中心的元素，除了自動換刀係統，還有主軸係統、基礎附件、冷卻（què）係（xì）統（tǒng）和數控係統等。由電機、傳（chuán）動機構（gòu）構成的（de）主軸係統，對（duì）加工效率與零件質量起決定性作用。基礎部件（jiàn）由立柱和床（chuáng）身構成（chéng），其價值主要體現在對工作負荷的承載，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（fú）係統和電機，從控製角度來說，數控係統是機床的運動（dòng）控製核心，完成機床各（gè）軸位置精度控製的工作，控製（zhì）零件加工軌跡，同樣應當引起重視。機床（chuáng）其他輔助係統的功能，主要是冷卻、排屑、潤（rùn）滑和檢（jiǎn）測，目的（de）是為工件（jiàn）加（jiā）工質量提供保證（zhèng），使加工中心具備良好的可靠性與穩定性[4]。

現階段，加工中心（xīn）的使用壽命已延長至 15 年，但是，不（bú）間（jiān）斷、高強度的使用，加劇（jù）了機械（xiè）部件磨損的程度，無論是（shì）加（jiā）工精度，還是後續的裝夾精度，均會受到不同程度（dù）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（xiè）位（wèi）置出現偏差，由此而引發的問題，主要體現在以下 3 個方麵：①刀具隨加工時間增（zēng）長有一定磨損（sǔn），零件加工精度隨之下（xià）降，則刀具需要定期進行更換；②主軸錐孔磨損，零件的加工精度無法得到保證，且修複主軸精度難度較大，對維修技能水平要求高；③刀具種類、數量與刀具傳送效果成正比關（guān）係，這也是導致傳送位（wèi）置出現偏差的主要原（yuán）因。

以 PID 為代表的控製策略（luè），其優勢可歸（guī）納為（wéi）可靠、便於計（jì）算，上述優勢的存在，使得其在多個（gè）行業得到廣泛應用，事實證明，PID 控製策略能夠（gòu）使位移（yí）偏差獲得補償，電機轉動精（jīng）度自然得到提高。該策略的不足，則體現在（zài）不具備在線控（kòng）製換刀係統功能，如果係（xì）統參數出現變更，PID 參數往往（wǎng）無法實時做出反應，控製效果相應會受到影響。要想使換（huàn）刀過程得到優化，降低出現故障的概率，關鍵是（shì）對模（mó）糊控製法加（jiā）以使用，以（yǐ）參數可自動調節PID 為基礎，使位移偏差量得到補償，達（dá）到自（zì）動校正參數的目的，增加換刀係統的穩定性。

4、 結束語

換（huàn）刀（dāo）係統是（shì）加工中心不可（kě）或缺的構成部分，其運行效（xiào）率直接影響到加工（gōng）的精度與效率（lǜ）。研究表明，無法完成自（zì）動換刀的過程的原因往往與電（diàn）氣、機械、液壓和氣壓綜合相關，隻有對換刀原理及過程進行深入了解，才能做（zuò）到及時發現並解決潛在故障，為提升各（gè）機械行業的（de）加工效率提供支持。