數控加工中心換刀系統故障排除分析

武超超

（吉利動力總成有限公司，浙江 義烏 322003）

在機械制造業的迅速發展下，數控加工中心通過刀具交換的形式實現了高效化的加工生產，但也由此給換刀系統提出了一定要求。由于加工中心加工零件工序繁多，要保證工件加工的可靠性，則需依照各工序提出的具體要求實現刀具順利交換，所以該系統對于加工中心具有極大的促進作用。當下這一系統雖然取得了良好的應用成就，但依然存在一些問題，系統故障率較高。因此，重點對其進行全面探究，分析相關故障的排除措施具有極大現實意義。

1 換刀系統概述

該系統的主要功能就是進行刀具交換和存儲，其中交換功能的實現主要依賴專門的換刀機構，具體流程為：數控系統先發出換刀指令，該機構直接抓回主軸中的已用刀具，并將其放回刀庫，這時該機構再從刀庫中抓出目標刀具，再裝夾在主軸上。整個過程中，刀庫刀具和主軸之間的相對位置要完全符合設計標準，在此影響下，自動換刀裝置的故障排除就成了整個加工中心換刀系統運行過程中亟需解決的關鍵問題。

當前應用最多的換刀方式就是機械換刀，即應用機械手對人換刀的具體動作進行模擬，整體較為靈活，可操作性也更強。但受到刀庫和主軸距離的影響，如果只使用該模式，則難以保證基本的換刀效率，對此則需通過PLC程序指令對刀庫動作進行控制，從而實現自動化交換。

2 故障排除措施

與其他設備相比較，該系統故障的出現和設備應用時間存在很大關系，主要包含早期故障、損耗故障和偶發性故障。其中早期故障是指系統在剛投入使用后發生的，最開始發生頻率較高，但后續會在使用時間的逐漸增加下慢慢下降。偶發性故障則是系統通過初期使用后，其元件通過老化、調整和磨合進入穩定應用狀態，偶爾會產生一些故障，基本上是由外界因素引起的。損耗故障則是在長期應用下，未進行有效保養和維護而產生的老化故障，會在時間增加下不斷提升。

2.1 卡刀故障排除的基本思路

該系統中的主要部分為刀庫，在工件加工過程中，刀具不同其位置往往會受功能和容量的影響，導致刀庫呈現出鼓式和盤式兩種基本形式。加工工件時，如果要交換刀具，加工中心則直接根據系統參數將其準備到機械手位置以便隨時進行更換。其中最常見的故障就是卡刀，一旦發生就會引起機床報警，但如果沒有報警且也不移動，排除故障時則應從這幾方面著手：在油壓作用下使機械手處在松開狀態，確保換刀裝置能自由移動，如果該裝置無法移動，則需先檢查其液壓回路。在手動輸入程序控制模式下輸入換刀指令使其執行具體的換刀動作，如果換刀裝置依然卡滯，則需檢查電機具體情況，如果裝置難以達到既定的動作要求則表示電機出現故障。這時可以通過手動的形式撥轉電機軸，查看相關部件是否流暢。一般情況下，該類部件都存在較為明顯的齒輪減速狀況，只要其發生故障，則可以直接看到故障點。如果有伺服故障同時換刀裝置也不移動，這時候必須以伺服單元LED的指示狀況對故障情況進行判斷，如果LED燈點亮，則需檢查保險絲等，如果沒有點亮，則需對電機伺服驅動模塊等進行檢查，然后再對電器元件進行判斷，查看是否存在故障。

2.2 報警超時故障排除思路

該系統中的常見故障主要包含超時報警。對于超時報警，如果其呈現出的信息是動作未在規定時間完成，則需要及時檢查信號開關，如果并無異常，則需繼續檢查機械手；通過手動操作后如果發現機械手可以正常給出反應，則表示其轉動機構正常，這時還需對其實施進一步排查；如檢查刀套，這是因為要使機械手能實現基本的抓刀動作，必須確保刀套位置的準確性，所以維護時必須認真檢查刀套的具體動作，一旦發現異常則需及時處理。如果刀套也無異常，則需將重點放在液壓油缸上，這是由于它是直接控制刀庫移動的重要機構，實際排除時對其進行分解，如果發現活塞桿難以達到既定速度，整個換刀過程速度緩慢，則可能是由于缸壁和活塞之間配合間隙較大，引起漏油，從而引發報警超時。解除故障時，則直接更換整套部件。

2.3 機械手傳動機構故障排除

該系統中的常見故障還有機械手傳動問題，即在執行自動換刀指令時，不能及時做出反應，致使換刀操作被終止，報警信息呈現出機械手未回零點。針對該問題，一般采取手動復位即可解決，但如果換刀警報信息又呈現出循環超時，則其原因還可能在于機械手沒有回零點。而引起該現象的主要原因則在于刀庫機械傳動部位發生問題，針對這一問題，則需明確機械手的基本工作原理，即由電機驅動，中間機構主要是皮帶或多級齒輪傳動，系統在接到換刀指令后，其裝置電機再給機械手提供動力，最后實現換刀。在排除故障時，先將刀庫門打開，把防護蓋板拆卸下來，再對其傳動機構進行排查。如果是其中存在的問題，一方面，可能是因為小齒輪脫落；另一方面，可能是電機軸斷裂，導致動力傳遞受阻，從而發出警報，對此可以重點進行電機更換，完成后一旦其齒輪嚙合存在不順暢問題，則可能會導致電機阻力增加，并且會在換刀頻次逐漸增加下導致機軸斷裂，所以還需及時對齒輪間隙進行調整，從而徹底解決傳動機構故障。

2.4 故障分析的基本流程

一是先將故障恢復按鍵按下，如果報警未解決，則需按下復位鍵，使警報消除。二是對主軸、刀套等進行分析，查看是否存在刀具，如果存在則需判斷刀臂給刀具帶來的阻礙，如果存在則表示卡刀時間是處在交換中，這時只需要移除刀具即可；如果刀具不存在，只要把機械手手動返回到換刀等待位上，或者通過指令使其自動返回等待位。三是在手動輸入程序控制模式下實現自動換刀操作，使其回等待位，并把刀具重新送回刀庫。或者還可以將松刀按鈕按下，移除刀具，再以手動形式進行位置恢復。

3 優化措施

加工中心主要包含數控系統、換刀裝置和機械設施，能實現對工件的高效化加工。一般機床類型和參數不同，對應的加工中心也不同，設計者則需要以用戶提出的需求對機床部件和功能進行調整，即便是類別相同，也可能存在一些細微差別。比如，可以把展現出的形態作為基本依據，使加工中心被分為個多類型，如立式和臥式。加工中心的所有元素中，除了換刀系統，還有專門的基礎部件、主軸系統、數控系統等。其中主軸系統包含電機與傳動機構，重點決定零件質量與加工效率；基礎部件包含床身和立柱，主要承載工作負荷，對剛度具有一定要求。數控系統包含PLC、伺服系統、電機等，這是整個機床的控制中心，實現對軸位精度和零件加工軌跡的有效控制。此外，其他的一些輔助性系統則主要是進行冷卻、潤滑等，主要是保障加工質量，使整個加工中心始終處在穩定的運行狀態中。但如果中心運行時間過長，則會在一定程度上加劇各部件的磨損程度，繼而導致精度降低，使得刀具裝卸位置產生偏差，從而引起一些問題。如刀具會在使用時間增加下產生較大磨損，導致加工精度受到影響，因此必須定期對其進行更換；主軸錐孔出現磨損也會導致加工精度下降，但因為其主軸精度修復難度較高，對于維修技能的要求也比較高，所以基本上都采取定期更換的方式；刀具類型、數量和其傳送效果之間是正相關，一旦類型或數量產生偏差就可能回到導致傳送位置產生偏差，所以必須加大對這一方面的重視度，及時檢查其數量和類型，使其能滿足設計規范和使用要求。

4 結語

數控加工中心一旦出現換刀系統故障，則可能是由機械、液壓、電氣等方面引起的自動換刀裝置故障。對此，維修人員還必須全方位熟悉和掌握整個換刀系統的實際運行過程以及整體控制原理，確保在故障出現后能夠及時調動專業思維依照警報內容分析故障現象，通過基本的排除思路確定出故障點，最大程度上保證該系統的正常操作。