數控機床四工位電動刀架故障診斷與維修思路*

井平安，譚桂玲，楊建新

（1.清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084；2.天津現代職業技術學院，天津 300350）

0 引言

國家高度重視的《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》以及《中國制造2025》都離不開數控機床，從而為實現中國智造打下堅實基礎。數控機床是集機械、電氣、液壓、數控、計算機為一體的產品，其自動化程度高，結構復雜，技術先進，應用廣泛[1]。數控機床的故障類型有很多，發生部位根據實際情況也不是唯一的。而在數控機床的故障中，故障發生率較高的算是數控機床的電動刀架。

數控機床電動刀架是數控機床非常重要的配置，它的好壞直接影響到數控機床零部件的加工以及數控機床的使用性能。其中數控機床四工位電動刀架結構緊湊，零部件復雜，應用范圍廣，對它的故障分析研究尤為重要。

1 四工位電動刀架的工作原理

1.1 機械結構

四工位刀架，顧名思義可以裝4把刀，其廣泛應用在數控機床上。基本結構如圖1所示。

圖1 四工位電動刀架結構

四工位電動刀架換刀過程可以總結為四步：松開、換刀、定位和鎖緊[2]。

其工作原理為：當輸入換刀指令后，刀架正轉，電機帶動蝸輪副、螺桿旋轉，螺桿帶動夾緊輪上升、離合盤轉動，直到離合銷進入離合盤槽中實現松開；螺桿旋轉帶動離合盤、離合銷、夾緊輪，上刀體及反靠銷開始轉位，從而實現上刀體換刀；當上刀體轉到設定刀位時，發信盤上霍爾元件發出到位信號，正轉繼電器脫開、控制系統發出反轉繼電器吸合，電機反轉；螺桿反向旋轉時，當反靠銷落入粗定位槽時，實現粗定位，螺桿繼續反轉，直到與上、下刀體的端齒完全嚙合，實現精定位，刀架鎖緊[3]。

若想實現四工位電動刀架的快速、準確維修，同時不影響加工效率，這時就要求維修人員必須對四工位電動刀架的工作原理非常熟悉。

1.2 電氣控制原理

刀架在電氣控制方面，其控制原理如圖2所示。從圖2可知，刀架正轉控制由中間繼電器KA7控制交流接觸器KM3實現，刀架反轉由中間繼電器KA8控制交流接觸器KM4實現。

圖2 刀架正、反轉控制原理圖

2 四工位電動刀架維修思路

數控機床出現故障時，可能造成故障的因素很多，故障與原因也不是一一對應的，所以當電動刀架出現故障時，不要急于動手，先要靜下心來仔細觀察，例如觀察工作方式、工作場景、故障現象等。同時，要保護好故障現場，然后要按下急停，保證檢查過程中維修人員的安全，接著按照以下步驟進行：

1）了解工作狀態。向操作人員了解發生故障時的現象，例如故障前進行過什么操作？故障時正在完成什么工作？發生了什么故障？有什么明顯的現象？

2）推理故障原因。利用數控機床排故的原則以及排故的方法，縮小故障范圍，診斷故障原因。此時，采用對應的故障排除方法時，要綜合利用常用診斷方法與精密診斷方法，這樣排除故障的準確性和效率會更高。

3）排除故障。經過上一步的推理、準確確定故障后，只要把故障排除，數控機床能夠正常使用，說明排除的原因是正確的。

3 四工位電動刀架的常見故障與維修

四工位電動刀架的故障可能涉及機械部分、電器元件、電氣原理圖、PMC梯形圖等等。因此，排除過程中，一定要冷靜，認真檢查故障現象，排除故障。

數控機床四工位電動刀架最常見的故障主要包括以下幾個方面[4]：1）刀架不轉位；2）刀架轉個不停；3）刀架鎖不緊；4）刀架定位不準；5）刀架奇偶報警；6）刀架卡死。以在數控機床故障中出現頻率較高的故障為例，分析排除故障的思路。

3.1 案例1：刀架不轉位

故障現象1：刀架電動機無法啟動，刀架不動作。

分析原因：1）機械方面，可能是機械卡死或者夾緊力過大；2）電氣方面，可能是電源的電壓過低，甚至沒電，也可能是電機缺相或者電機相序不對。

故障排除：首先拆下刀架，觀察蝸輪蝸桿和電機軸之間是否出現機械卡死，如果正常，接著利用電壓表檢查電壓是否正常，如果電壓正常，再檢查電機相序是否正確。當排除檢查出來的故障后，再進行刀架電機啟動，如果刀架能夠正常動作，說明故障已排除。

故障現象2：上刀體抬起，但是不轉動。

分析原因：可能是粗定位銷在錐孔中卡死、斷裂，或者是安裝故障。

故障排除：根據原因進行一一排除。

3.2 案例2：刀架轉個不停

刀架轉個不停的原因有很多種，例如發信盤接地線斷路或電源線斷路、霍爾元件斷路或短路（損壞）、磁鋼磁極反相、磁鋼與霍爾元件無信號等等。

故障現象：電氣控制柜通電，操作面板上未按下換刀按鈕的情況下，刀架轉動起來，一直不停，除非電氣控制系統斷電[5]。

分析原因：這種情況主要分析刀架的控制原理圖，如圖2所示。通過故障現象可知，沒有按動操作面板換刀按鈕，刀架能夠轉動，通過控制原理圖可知，有可能控制接觸器的繼電器KA7常開和常閉觸點接錯了。通過檢查，KA7常開觸點接成常閉觸點，所以導致一通電，刀架就開始轉動。

故障排除：把繼電器觸點接成常開觸點，故障排除。

刀架的故障還可能是按鍵的失效、電氣元部件的接觸不良、電路原理圖的聯接錯誤等。要實現數控機床刀架快速排故，不僅要非常熟悉刀架的工作原理，還需要具有查找維修說明書的能力，結合維修的經驗和規律，快速排出故障。

3.3 案例3：刀架鎖不緊

故障現象：刀架未鎖緊，具體表現為工件成品表面有波紋。

分析原因：1）鎖緊時間不足，在鎖緊過程中電機反向轉動時間短；2）發信盤位置出現偏差；3）夾緊齒圈與內外齒圈之間相互的嚙合不完全。

故障排除：1）通過調整PMC參數，使得反轉電機運轉時間足夠，一般1 s～1.2 s；2）拆開刀架蓋，轉動發信盤位置，確保磁鋼與刀架霍爾元件對齊；3）檢查刀架大螺母，確保大螺母處在鎖緊狀態。

3.4 案例4：刀架卡死

故障現象：刀架接觸的地方潤滑不良。

分析原因：1）內部之間的軸承存在磨損；2）內部螺桿之間相互位置錯位。

故障排除：1）如確認是軸承問題，更換新的軸承，確保刀架內部潤滑狀態良好；2）拆開檢查蝸輪與反靠銷之間的相對位置關系，如處于臨界狀態下，對刀架上電調試，就會導致刀架卡死，確保兩者之間接觸處在合理的位置[6]。

4 結束語

數控機床四工位電動刀架的故障發生率高，故障類型多，在維修過程中，要做到綜合考慮其機械、電氣等多方面因素。本文分析了四工位電動刀架故障排除的思路，希望能夠給維修人員提供一些幫助，從而提高生產效率。