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刀庫式加工中心自動換刀系統(tǒng)故障診斷與維修

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

摘要：自動換刀系統(tǒng)能實現(xiàn)一次裝夾后多道工序的加工，而加工中心的故障大多與自動換刀系統(tǒng)有關(guān)。對此，文章分析了自動換刀系統(tǒng)的原理和功能，確定了自動換刀系統(tǒng)的故障診斷與維修思路，分別分析和診斷了自動換刀裝置和自動換刀控制系統(tǒng)的常見故障，據(jù)此給出了維修建議，旨在為實際維修操作提供指導(dǎo)。

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

1、自動換刀系統(tǒng)的發(fā)展背景

要進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，應(yīng)在盡量減少工序和安裝次數(shù)的前提下完成多道工序的加工。在同一次裝夾后，自動換刀系統(tǒng)能連續(xù)完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔及銑削等多道工序，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。自 20 世紀(jì) 70 年代以來，美國率先開發(fā)了具備自動換刀功能的多工序數(shù)控機(jī)床，由于其集成了多種加工方法，因此很快成為機(jī)床設(shè)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(jī)械手等方面不斷推陳出新，進(jìn)一步推動了自動換刀系統(tǒng)的發(fā)展。

國內(nèi)對自動換刀系統(tǒng)的研發(fā)起步稍晚，但發(fā)展速度較快，目前對換刀系統(tǒng)及裝置的研究已成體系。近幾年，對自動換刀系統(tǒng)的研究方向逐漸向換刀速度、可靠性的進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)變。加工中心 50% 以上的故障都和自動換刀系統(tǒng)有關(guān)，因此建立清晰的故障診斷思路，提供可參考的維修依據(jù)，對于設(shè)備研究和改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2、自動換刀系統(tǒng)的組成

加工中心實現(xiàn)自動換刀依靠的是自動換刀系統(tǒng)，其主要包括自動換刀裝置和控制系統(tǒng)兩大部分。

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裝置兩大部分，在加工中心應(yīng)用較為廣泛。刀庫用于存儲刀具，并在給定指令后將指定的刀具傳送到待更換位置，換刀完成后再將換下的刀具存儲在刀庫內(nèi)，常用的刀庫形式有鼓磐式、鏈?zhǔn)胶凸潭ㄐ透褡雍惺降?。刀具交換裝置用于刀庫和主軸制件裝卸和傳遞刀具，可分為無機(jī)械手換刀和有機(jī)械手換刀。無機(jī)械手換刀利用刀庫和主軸的相對運動實現(xiàn)換刀，換刀時機(jī)床不工作，加工效率較低，且存儲刀具數(shù)量有限。典型的機(jī)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(jī)實現(xiàn)擺動送刀及旋轉(zhuǎn)換刀。開始換刀時，機(jī)械手與刀庫軸線平行，從刀庫中抓出待換刀具，然后擺動至與主軸軸線平行的位置并向前移動，從主軸中拔出原有刀具，隨后后退并沿自身軸線旋轉(zhuǎn) 180°，使兩把刀交換位置，再次前移將新刀插入主軸，主軸將刀具鎖住后刀爪縮回，再次擺動到刀庫位置將刀具放回，最后恢復(fù)到初始位置。機(jī)械手換刀的靈活性較強(qiáng)，且換刀速度快，因此應(yīng)用最為廣泛。

2.2 自動換刀控制系統(tǒng)

自動換刀主要通過 PLC 實現(xiàn)控制。在接收到程序后，PLC 根據(jù)各控制及檢測元件反饋的狀態(tài)信息，控制刀庫、交換裝置及液壓系統(tǒng)等完成相應(yīng)的動作。基于自動換刀系統(tǒng)的分析可知，在故障診斷過程中，首先應(yīng)分析自動換刀系統(tǒng)的運動邏輯和執(zhí)行邏輯，最終確定維修方法。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

3.1 刀庫故障

（1）刀庫旋轉(zhuǎn)故障。刀庫一般由電機(jī)實施驅(qū)動，如鏈?zhǔn)降稁?、電機(jī)帶動鏈輪、鏈輪驅(qū)動鏈條進(jìn)行運動。當(dāng)?shù)稁斐霈F(xiàn)無法旋轉(zhuǎn)傳送刀具時，可從機(jī)械和電氣兩方面判斷。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面需要從電機(jī)開始逐個排除傳動鏈結(jié)構(gòu)，如檢查聯(lián)結(jié)器是否松動等，并根據(jù)檢查結(jié)果維修或更換。電氣方面需要檢查電信號是否能有效并穩(wěn)定地輸入，如檢查繼電器等裝置是否正常運行，如果存在異常則需要更換相應(yīng)元件；如果刀庫能正常轉(zhuǎn)動，而動作不到位，則可以排除電信號輸入問題，常見的故障原因有電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角存在問題或傳動機(jī)構(gòu)的誤差超出偏差等。對于傳動機(jī)構(gòu)誤差，需要定期檢查刀庫的傳動，包括重復(fù)定位精度、雙向來回?fù)Q刀精度等；當(dāng)傳動精度超出偏差時，需要及時檢修。此外，也可利用監(jiān)測傳動機(jī)構(gòu)中零件的振動信號實時監(jiān)測傳動精度。

（2）刀庫夾緊故障。自動換刀系統(tǒng)的刀柄上裝有拉釘，刀庫中的導(dǎo)套利用彈性元件和鋼球形成鎖緊機(jī)構(gòu)，從而夾緊刀具。若刀套無法夾緊刀具導(dǎo)致松刀或掉刀，一般需要檢查導(dǎo)套內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，如檢查彈性元件是否太松等。此外，如果刀具重量過大，也會導(dǎo)致鎖緊力無法夾緊刀具的問題。

3.2 換刀機(jī)械手故障

（1）機(jī)械手運動故障。對于機(jī)械手在運動過程中速度過快或過慢的問題，一般需要檢查氣動系統(tǒng)的壓力和流速。此外，如果在換刀動作未全部完成時按下復(fù)位或急停按鈕，則需要手動將機(jī)械手搖回，并將導(dǎo)套返回刀庫進(jìn)行復(fù)位，但如果刀具已交換，為了防止亂刀，需要核對主軸刀具與系統(tǒng)顯示刀具是否一致，如不一致，則需手動更換。

（2）機(jī)械手更換刀具故障。當(dāng)機(jī)械手無法夾緊或松開刀具時，會導(dǎo)致?lián)Q刀失敗。當(dāng)無法夾緊刀具時，一般需要考慮氣動系統(tǒng)是否壓力不足或存在泄漏，并檢查刀具松開彈簧上的螺母是否松動。相反地，若松鎖刀彈簧壓合過緊，將導(dǎo)致機(jī)械手無法松開刀具。還有另一種情況，機(jī)械手能正常夾緊和松開刀具，但在換刀過程中依然出現(xiàn)掉刀現(xiàn)象，則需要考慮換刀點是否出現(xiàn)漂移，導(dǎo)致機(jī)械手在運動不到位時就開始拔刀，使刀具和機(jī)械手的相對位置發(fā)生偏差，從而無法夾緊刀具，此時需要更新?lián)Q刀點。

（3）機(jī)械手傳送刀具故障。機(jī)械手在傳送刀具的過程中無法夾緊刀具或出現(xiàn)掉刀，其原理和換刀時無法夾緊刀具類似，也需要排查氣動系統(tǒng)和鎖緊機(jī)構(gòu)，同時還需要考慮刀具是否超重。

3.3 主軸松刀故障

主軸在機(jī)械手抓取刀具時不松刀，可能的原因有兩類。一類是傳遞給主軸的信號出現(xiàn)問題，即主軸并未接收到松刀信號。此時，需要檢查松刀感應(yīng)開關(guān)及信號是否正常，且松刀開關(guān)一般采用液動電磁閥進(jìn)行控制，因此需要檢查電磁閥及液壓回路是否正常，排除漏液等原因，或更換相應(yīng)的零件。另一類是主軸內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)失效，如彈簧卡頭、頂桿變形等，此類問題較為直觀，且易于修理。

4、自動換刀控制系統(tǒng)故障

4.1 換刀點漂移

機(jī)械手的自動換刀動作需要在機(jī)床的換刀點執(zhí)行。換刀點即機(jī)床的機(jī)械原點，該點應(yīng)與電氣原點相重合。當(dāng)電氣原點偏離機(jī)械原點時，機(jī)械手無法捕捉到機(jī)械原點就開始換刀，即出現(xiàn)換刀點飄移。當(dāng)偏移量較小時，換刀過程雖能進(jìn)行，但會伴隨較大的振動和噪聲；換刀點偏移較大時，則會出現(xiàn)無法拔刀或掉刀的情況。機(jī)床捕捉電氣原點主要依靠限位開關(guān)和撞塊，即當(dāng)機(jī)床運動到指定位置時，撞塊壓下限位開關(guān)，信號返回，從而識別為電氣原點。因此，當(dāng)出現(xiàn)換刀點漂移時，需要檢查撞塊是否松動，限位開關(guān)是否正常運行等。如果是傳動系統(tǒng)誤差導(dǎo)致?lián)Q刀點漂移，也可以手動返回參考點，手輪操作至限位開關(guān)有信號，記錄新的坐標(biāo)值并更新?lián)Q刀點坐標(biāo)。

4.2 刀庫亂刀

刀庫亂刀是指刀庫中實際存儲的刀具與系統(tǒng)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(fā)生了中斷等，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)刀具數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。此時，需要檢查刀具的實際存儲情況，并在數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)更改為實際數(shù)據(jù)。

4.3 換刀超時

在換刀過程中，提示換刀超時，即在規(guī)定時間內(nèi)無法完成換刀。此時，需要檢查機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)是否正常，并核實機(jī)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系統(tǒng)。此外，主軸松刀感應(yīng)開關(guān)失靈、機(jī)械手運動不到位等也會導(dǎo)致?lián)Q刀超時，需要檢修相應(yīng)的元件。

5、結(jié)束語

自動換刀系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵組成部分，其故障直接影響設(shè)備的使用效率。自動換刀系統(tǒng)由自動換刀裝置及其控制系統(tǒng)組成。文章分別探討了自動換刀裝置和控制系統(tǒng)的常見故障及排除方法，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作原理及電氣元件的信號傳遞出發(fā)，依次檢查可能導(dǎo)致故障的環(huán)節(jié)。對于刀庫故障，通常需要檢查傳動鏈的各機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣元件；對于刀庫和機(jī)械手夾緊或松開故障、機(jī)械手掉刀等，需要檢查氣動系統(tǒng)及鎖緊機(jī)構(gòu)；機(jī)械手運動速度不合理，通常是氣動系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的。自動控制系統(tǒng)的故障通常與機(jī)

械故障相耦合，在排除機(jī)械故障后，可以在系統(tǒng)中更新數(shù)據(jù)，以消除換刀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(huán)節(jié)?？傊瑱C(jī)床的診斷與維修應(yīng)朝預(yù)防性維修方向發(fā)展，建立實時監(jiān)控的動態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測機(jī)床狀態(tài)，為故障診斷提供依據(jù)，從而進(jìn)一步提升機(jī)床的工作效率。

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