數控機床自動換刀裝置故障維修

劉建國，劉 鑫

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

加工中心是由機械設備與數控系統組成，適用于加工復雜零件的高效自動化設備。其最大的特色在于換刀裝置，它是加工中心的重要組成部分，也是故障率最高的部分，約有50%的故障與換刀裝置有關。加工中心的刀庫最常見形式為斗笠式，和圓盤式。

1 斗笠式刀庫動作流程

執行指令M06 T**，判斷主軸上是否有刀具，①主軸無刀具，Z軸移至第一參考點，刀庫旋轉到目標刀位，刀庫向主軸平行移動，當刀庫移動到主軸正下方時，主軸刀具松開，Z軸移動至第二參考點，主軸刀具夾緊，刀庫退回原始位置，換刀完成，如圖1所示；②主軸有刀具，Z軸移動至第二參考點，刀庫旋轉到目標刀位，刀庫向主軸平行移動，主軸刀具松開，Z軸移動至第一參考點，次步驟為還刀動作，其余動作流程同主軸無刀抓刀過程，如圖2所示。

圖1 主軸無刀抓刀

圖2 主軸有刀抓刀

2 斗笠式刀庫故障總結

2.1 執行換刀指令后刀庫不向右移（主軸端）

原因分析。①主軸沒有定位信號；②刀庫原始位、刀庫右位（主軸端）開關沒有到位；③氣缸本身有問題；④氣源壓力不夠不能推動氣缸；⑤主軸刀具夾緊/松開開關沒有到位。

2.2 刀庫能向右移動，但主軸不能松刀

原因分析。①主軸定位信號丟失；②主軸刀具松開氣缸有問題；③刀庫右位（主軸端）開關沒有到位或丟失。

2.3 換刀過程中有異響

原因分析。①刀庫向右（主軸端）位置與Z軸第二參考點位置沒有調校好；②主軸定位位置設定不準確；③主軸刀具夾緊/松開機械故障。

3 圓盤式刀庫動作流程

執行指令M06 T**，數據檢索指令刀的位置，刀庫停止旋轉，刀套向下，刀臂扣刀，拔刀、刀具交換、插刀，刀臂回刀原始位置，刀套向上，進行數據交換（由于時隨即換刀，刀具交換后要將指令刀數據與主軸刀數據交換，主軸刀數據與當前刀套號數據交換），換刀完成。換刀具體動作如圖3所示。

圖3 盤式換刀

4 圓盤式刀庫故障總結

4.1 刀套垂直不能到位、換刀時刀掉落、刀套被撞壞

原因分析。①氣缸行程不夠。②氣缸電磁閥故障。③氣缸內部問題（活塞密封不嚴）。④刀套內部夾刀力不夠，換刀時刀具掉落。⑤刀套沒有水平就旋轉刀庫造成撞擊。

4.2 刀盤電機不能正常轉動或是不停旋轉

原因分析。①電機動力線電壓不正常。②刀盤電機過載空開跳閘。③刀套感應開關（計數信號/定位信號）故障導致刀盤一直旋轉。

4.3 刀臂扣刀不到位或不扣刀

原因分析。①扣刀到位開關故障。②刀套沒有在水平位置。③主軸沒有定位。

4.4 刀臂拔刀、交換刀具、插刀不正常

原因分析。①主軸刀具松開信號沒到位。②刀臂刀具交換位信號沒到位。

4.5 刀臂不能回原點

原因分析。①主軸刀具夾緊信號沒到位。②刀臂交換位信號沒到位。

4.6 刀庫數據錯亂（亂刀）

原因分析。①刀套計數信號故障。②換刀過程中緊急停止、復位或意外斷電。

4.7 換刀時有異響

原因分析。①刀庫基準位置沒調整好。②Z軸換刀點位置設定有偏差。③主軸定位位置不準確。④主軸刀具夾緊/松開故障。⑤機械臂本身變形。

5 維修實例

故障1。某立式加工中心VMC-750E在換刀完成后出現報警，加工程序中止，據操作者所述在執行換刀指令時有時正常有時會出現報警。單獨執行M06 T3，機床正常換刀無異常，執行M06 T4，將3號刀還刀回庫，抓取4號刀，正常完成但有報警，報警復位清除后，執行M06 T6，Z軸移動到第一參考點，刀庫向右（主軸端），主軸刀具就松開了導致刀具掉到工作臺上。

原因分析：此刀庫換刀方式為斗笠式，在執行T3時，主軸上有刀，先還刀回庫，在抓取目標刀具T4，一切正常，而在更換T6刀具時，Z軸移動到第一參考點，然后刀具松開，正常動作應該是先將T4刀具還刀回庫，然后在進行抓取目標刀具T6，根據上述邏輯動作懷疑是主軸刀具信號故障，因為只有在主軸上無刀的情況下執行換刀程序，Z軸才回先移動到第一參考點，然后在松刀。查找PLC信號SYSTEM—PLC—PLCDGN——STATUS發現主軸刀具信號共有3個X1000.1刀具夾緊信號、X1000.2刀具松開信號、X1000.7主軸上是否有刀信號。在主軸上有刀的情況下，用手轉動主軸發現信號X1000.7總是0和1變化，所以造成有時換刀正常有時會出現故障，在通過SYSTEM—PLC—PLCLAD進入梯形圖1進行分析，如圖4所示。

圖4 梯形圖1

當主軸上沒有有刀夾緊時，X1000.1和X1000.7同時為1，當主軸上有刀夾緊時，X1000.1為1，X1000.7為0。

由梯形圖1可看到當主軸上沒有刀具夾緊時，X1000.1與X1000.7同時為1，然后導通R123.5，R123.5觸發傳送功能模塊將數據D361傳送到數據D420（主軸刀號）中，數據D361中值為0，所以，當主軸無刀夾緊的時候會將主軸刀號數據直接改寫為0，當執行換刀指令進行時回判斷主軸是否有刀，主軸無刀R501.1導通，所以在執行換刀時軸Z軸移動刀第一參考點然后松刀掉刀。

故障處理：將主軸刀具檢測開關向下微調后，手動旋轉主軸測試后，連續多次換刀無故障，機床恢復生產。

故障2。某龍門銑床GDM1230在換刀過程中出現報警：ATC COUNTER ERROR，刀套垂直，機床停止動作。從新將刀套水平復位后，多次執行換刀指令，有時換刀動作正常完成，有時則會出現如上現象。

原因分析：換刀動作中途暫停是因為計數器計數錯誤的報警引起的，通過查看電路圖紙發現該設備有計數信號X6.0和刀庫定位信號X6.1，并在盤式刀庫的內側找到這2個感應開關，如圖5所示。

圖5 圓盤刀庫結構

通過面板按鍵SYSTEM-PMC，然后軟鍵PMCPRM—COUNTER查看計數器數據發現，2號計數器數據為13，3號計數器數據為11，進入梯形圖2后查找2個計數器，如圖6所示。

圖6 梯形圖2

由圖6可以看出當刀庫旋轉時會同時觸發計數其信號和刀庫定位信號，2個信號同步（圖5），機床廠家將2個信號都進行了計數觸發，當2個計數器數據一樣時R431.6導通，從而斷開計時器。當2個計數如果不一樣時，R431.6常閉會觸發計時器，延時后就會導通A5.1產生報警：ATC COUNTER ERRORR。

故障處理：跟據刀盤的實際位置修改錯誤計數器3與計數器2相同值，從新復位后，經過多次換刀動作還會偶爾出現報警，查看定位信號感應開關，發現其有些松動造成偶發性計數錯誤，將開關位置調整后緊固，反復驗證換刀動作與計數器正常，機床恢復生產。

6 結束語

自動換刀裝置的工作過程是邏輯順序，每一動作完成后，都需要反饋信號給系統確認，得到確認才能開始下一個動作。大多數情況是缺少執行下一換刀動作的條件，因此排除這類故障，需要熟悉自動換刀順序，清楚各開關的位置，然后對照PLC梯形圖重點檢查相關位置檢測開關以及控制下一動作的電磁閥工作是否正常，從而判斷故障所在。