數控車床螺旋型四工位電動刀架的換刀原理及故障診斷

彭永忠 永州職業技術學院 425000

1、前言

目前我國的經濟型數控車床刀架以電動刀架為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數控車床。電動刀架是數控車床重要的組成部分之一，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與精度的一致性等；另外，加工工藝的適應性和連續穩定的工作能力也明顯提高，尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活、方便地完成各種復雜零件的加工。

2、電動刀架的換刀原理

圖1 螺旋型四工位刀架結構圖

圖2 螺旋型四工位刀架控制原理圖

圖1所示為螺旋型四工位刀架結構，主要由上刀體、蝸輪、下刀體、轉盤、蝸桿等組成；圖2所示為螺旋型四工位刀架控制原理。四工位電動刀架一般采用單相交流電動機作為其控制電機，刀位檢測信號為四個霍爾元件。當數控系統發出換刀信號時，首先繼電器K1動作，換刀電動機正轉驅動蝸輪蝸桿機構使上刀體上升。當上刀體上升到一定的高度時，離合轉盤起作用，帶動上刀體旋轉進行選刀。刀架上方的發信盤中對應的每個刀位都安裝有一個霍爾開關，當上刀體旋轉到某刀位時，該刀位的霍爾開關向數控系統輸出信號，數控系統將刀位信號與指令刀位信號進行比較，當兩信號相同時，說明上刀體已旋轉到所選刀位。此時數控系統控制繼電器K1釋放，繼電器K2吸合，換刀電動機反轉，活動銷反靠在反靠盤上初定位。在活動銷反靠的作用下，蝸桿帶動上刀體下降，直至齒牙盤咬合，完成精定位，并通過蝸輪和蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。此時，數控系統控制繼電器K2釋放，換刀電動機停轉，從而完成換刀動作。

3、數控車電動床刀架故障及診斷

現以目前使用較多的螺旋型四工位自動刀架可能出現的各種故障現象加以分析，確定其排除方法。其它類型的刀架，雖其結構、尺寸、元器件型號等各有差異，但故障原因大多雷同，也可參照此法加以排除。

3.1 刀架不能啟動

（1）機械方面的原因

①刀架預緊力過大

當用六角扳手插入蝸桿端部旋轉時不易轉動，而用力時，可以轉動，但下次夾緊后刀架仍不能啟動。此種現象出現，可確定刀架不能啟動的原因是預緊力過大，可通過調小刀架電機夾緊電流排除之。

②刀架內部機械卡死

當從蝸桿端部轉動蝸桿時，順時針方向轉不動，其原因是機械卡死。首先，檢查夾緊裝置反靠定位銷是否在反靠棘輪槽內，若在，則需將反靠棘輪與螺桿連接銷孔回轉一個角度重新打孔連接；其次，檢查主軸螺母是否鎖死，如螺母鎖死，應重新調整；再次，由于潤滑不良造成旋轉件研死，此時，應拆開，觀察實際情況，加以潤滑處理。

（2）電器方面的原因

①電源不通、電機不轉

檢查溶芯是否完好、電源開關是否良好接通、開關位置是否正確。當用萬用表測量電容時，電壓值是否在規定范圍內，可通過更換保險、調整開關位置、使接通部位接觸良好等相應措施來排除。除此以外，電源不通的原因還可考慮刀架至控制器斷線、刀架內部斷線、電刷式霍爾元件位置變化導致不能正常通斷等情況。

②電源通，電機反轉，可確定為電機相序接反

通過檢查線路，變換相序排除之。手動換刀正常、機控不換刀，應重點檢查NC與刀架控制器引線、通訊I/O接口及刀架到位回答信號等。

3.2 刀架連續運轉、到位不停

由于刀架能夠連續運轉，所以，機械方面出現故障的可能性較小，主要從電氣方面檢查：檢查刀架到位后NC信號是否發出，若沒有到位信號，則是發訊盤故障?？蓹z查：發訊盤彈性觸頭是否磨壞、發訊盤地線是否斷路或接觸不良或漏接等。此時需要更換彈性片觸頭或重修，針對其線路中的繼電器接觸情況、到位開關接觸情況、線路連接情況相應地進行線路故障排除。

當僅出現某號刀不能定位時，則是由于該號刀位線斷路所至。其故障判斷如下：

（1）此刀位的霍爾元件損壞：確認是哪個刀位使刀架運轉不停，在系統上輸入轉動該刀位信號，用萬用表測量該刀位觸點對+24V觸點是否有變化，若無變化，可判定為該位刀霍爾元件損壞，更換發信盤或霍爾元件。

（2）此刀位信號線斷路，造成系統無法檢測到位信號：檢查該刀位信號與系統的連線是否存在斷路，正確連接即可。

（3）系統的刀位信號接收電路有問題：當確定該刀位霍爾元件沒問題，以及該刀位信號與系統的連線也沒問題的情況下更換主板。

3.3 刀架越位過沖或轉不到位

刀架越位過沖故障的機械原因可能性較大，主要是后靠裝置不起作用。首先檢查后靠定位銷是否靈活，彈簧是否疲勞，此時應修復定位銷使其靈活或更換彈簧；其次，檢查后靠棘輪與蝸桿連接是否斷開，若斷開，需更換連接銷；若仍出現過沖現象，則可能是由于刀具太長過重，應更換彈性模量稍大的定位銷彈簧。

出現刀架運轉不到位（有時中途位置突然停留），主要是由于發訊盤觸點與彈性片觸點錯位，即刀位信號膠木盤位置固定偏移所致。此時，應重新調整發訊盤與彈性片觸頭位置并固定牢靠。若仍不能排除故障，則可能是發訊盤夾緊螺母松動，造成位置移動。

3.4 刀架不能正常夾緊

其故障原因如下：

（1）發信盤位置沒對正：拆開刀架的頂蓋，旋動并調整發信盤位置，使刀架的霍爾元件對準磁鋼，使刀位停在準確位置。

（2）系統反鎖時間不夠：調整系統反鎖時間參數即可（新刀架反鎖時間t＝1.2s即可）。

（3）鎖緊機構故障：拆開刀架，調整機械，并檢查定位銷是否折斷。出現該故障時，首先檢查夾緊開關位置是否固定不當，并調整至正常位置；其次，用萬用表檢查其相應線路繼電器是否能正常工作，觸點接觸是否可靠。若仍不能排除，則應考慮刀架內部機械配合是否松動，有時會出現由于內齒盤上有碎屑造成夾緊不牢而使定位不準，此時，應調整其機械裝配并清潔內齒盤。

3.5 其它故障現象

除以上故障外，有時還出現：無法機控選刀、夾緊后無回答信號、啟動或松開手控按鈕刀架返原來位置等故障現象。出現這些故障的主要原因是電路中繼電器接觸不良、膠木盤位置不正、電源相序不對所致，可分別加以調整、修復，使故障排除。

4、結束語

數控機床的電動刀架是一個有機整體，機械、電氣的控制存在相互聯系和相互影響。因此分析解決刀架故障時，應有整體概念和經驗，這樣才能有效解決實際問題。如果故障既有機械部件的原因，又有電氣方面的原因，而且很難分辨出引起這一故障的主要矛盾，就要進行多方面的檢測，耐心細致地分析和診斷，直至找出故障根源。

[1]韓鴻鸞，榮維芝.數控機床的結構與維修.北京：機械工業出版社.2004.8

[2]蔣洪平.數控設備故障診斷與維修.北京：北京理工大學出版社.2006.8

[3]黃衛.數控機床及故障診斷技術.北京：機械工業出版社.2004.6

[4]數控車床綜合實訓系統使用說明書及實驗指導書

[5]孫漢卿.數控機床維修技術 .北京：機械工業出版社.2008.5