自动换刀装置控制原理及故障分析

第27 卷第1期2 0 0 9 年1 月
西安航空技术高等专科学校学报
Journal of Xi an Aerotechnical College
Vol 2 7 No 1
Jan . 2 0 0 9 自动换刀装置控制原理及故障分析
罗庚合1, 黄万长2
( 1. 西安航空技术高等专科学校机械工程系, 陕西西安710077; 2. 陕西法士特齿轮有限公司, 陕西西安710077)
摘要: 加工中心自动换刀装置提高了数控机床的加工效率, 但由于加工中心换刀装置的动作控制比较复杂, 包含
机械、电气与PM C、液压和检测等技术, 所以自动换刀装置的故障率比较高, 主要介绍自动换刀装置的类别和控制,
自动换刀装置的故障诊断方法, 列举了自动换刀装置的一些常见故障及维修示例。

关键词: 加工中心; 选刀; 刀具交换; 乱刀与掉刀; PM C 诊断; I/ O 状态诊断
中图分类号: T H161+ . 21 文献标识码: A 文章编号: 1008- 9233( 2009) 01- 0014- 05
1 引言4、6、8、1
2 工位, 有用电动机驱动的正传和反转, 也
有用液压系统通过电磁换相阀和顺序阀进行控制
加工中心可分为车削中心、镗铣中心和钻削中
心等, 加工中心在加工过程中, 要使用多种刀具, 因
此必须有自动换刀装置, 以便选择不同刀具, 完成不
同工序的加工工艺。

常用的刀库形式有圆盘式刀库, 链式刀库, 格子盒式刀库。

按有无机械手又可分
为不带机械手的自动换刀装置和带机械手的自动换
刀装置。

按刀库的旋转和机械手的动作驱动方式可
分为有液压、气动控制系统和电气与机械联合控制
的驱动系统。

随着加工中心数控机床的普及和应用, 自动换
刀装置控制过程中的故障率也比较高。

由于自动换
刀装置结构比较复杂、控制为机、电、液联合控制, 复杂系数高等原因。

所以加工中心自动换刀装置的故
障维修比较困难。

简要叙述换刀装置的分类和特点, 以立式镗铣中心普遍使用的圆盘式加工中心自
动换刀装置为例, 分析自动换刀装置的控制原理及
常见故障的维修方法。

的, 但都是机床接收到换刀指令后, 使刀架抬刀、转位、比较后, 落刀锁紧等一系列动作完成。

2. 2 有刀库无机械手的自动换刀装置
无机械手换刀装置一般把刀厍放在主轴箱可以移动到的位置, 即整个刀库或刀库的某一刀位能移
动到主轴箱可以到达的位置。

刀库中刀具的存放方向一般与主轴箱的装刀方向一致。

换刀时通过主轴和刀库的相对运动执行换刀动作, 利用主轴取走或
放回刀具。

图 1 所示为有刀库无机械手的自动换刀装置的加工中心的示意图。

图 2 所示为如图1( a) 所示的卧式加工中心无机械手换刀装置的换刀过程
图2( a) 表示上工步结束后, 主轴准停定位, 主轴箱上升。

图2( b) 表示主轴箱升到顶部换刀位置, 刀具进入刀库的交换位置空位。

刀具被刀库上的夹爪固定, 主轴上的刀具自动夹紧装置松开。

图2( c) 表示刀库前移, 从主轴孔中把要更换的刀具拔出。

2 换刀装置的分类和控制图2( d) 表示刀库转位, 根据程序把下一工序要用的
刀具转换到换刀位置, 同时主轴孔清洁装置清洁主
自动换刀装置根据组成结构可分为回转式、有和无机械手带刀库的自动换刀装置。

轴上的刀具孔。

图2( e) 表示刀库后退, 把需要的刀具插入主轴孔, 主轴上的刀具夹紧装置把刀具夹紧。

2. 1 回转刀架式自动换刀装置
回转刀架式自动换刀装置常用于数控车床, 有图2( f) 表示主轴箱下降到工作位置, 开始进行下一步工作。

收稿日期: 2008- 04- 12
作者简介: 罗庚合( 1962- ) , 男, 陕西省西安市人, 西北工业大学电气自动化专业毕业, 现任西安航专机电教研室主任、副教授。

第1 期罗庚合, 等: 自动换刀装置控制原理及故障分析15
无机械手换刀装置的优点是结构简单, 成本低, 换刀可靠性也较高。

其缺点是由于结构所限, 刀库
的容量不大, 且换刀时间较长( 一般需要10- 20s) 。

因此, 多为中、小型加工中心所采用。

通过圆柱凸轮12、杠杆13 使机械手下降, 进行拔刀控制, 机械手完成拔刀后, 换刀电动机10 继续运转, 连续完成下一个换刀动作。

2. 3 有刀库有机械手的自动换刀装置
有机械手换刀装置一般由机械手和刀库组成。

其刀库的配置、位置及数量的选用要比无机械手换
刀装置灵活得多。

它可以根据不同的要求配置不同
形式的机械手, 可以采用单臂、双臂机械手, 或采用
配置主机械手和辅助机械手的形式。

它能够配备多
至数百把刀具的刀库, 换刀时间可以缩短到几秒甚
至零点几秒。

因此目前大多数加工中心都配有带机
械手的换刀装置。

由于刀库位置和机械手换刀动作
的不同, 所以自动换刀装置的结构形式也多种多样。

图1 无机械手的加工中心换刀装置
( 1) BT 50- 24TOOL 圆盘式刀库结构简图如图
3 所示。

自动刀具交换动作步骤如下:
( 1) 程序执行到选刀指令T 码时, 系统通过方
向判别后, 控制刀库电动机 1 正转或反转, 刀库中刀
位计数开关 2 开始计数( 计算出到达换刀点的步
数) , 当刀库上所选的刀具转到换刀位置后, 旋转刀
库电动机立即停转, 完成选刀定位控制。

( 2) 当T 码执行后, 倒刀电磁阀线圈获电, 气缸
推动选刀的刀杯向下翻转90 ( 倒下) , 倒刀到位检
测信号开关8( 磁环开关) 发出信号, 完成倒刀控制,
图2 无机械手加工中心的换刀过程示意图
同时这个信号还是交换刀具的开始信号。

( 3) 执行到交换刀具指令, 交换刀具指令一般为
图3 BT 50- 24T OO L 圆盘式刀库结构简图1- 刀库旋转电动机2- 刀岸刀位计数开关( 接近开关) 3- 刀库刀位复位开关( 接近开关) 4 - 刀库的刀座5- 机械手换刀
M 06( 实际是调换刀宏程序或换刀子程序) , 首先主电动机停止开关6- 机械手加扣刀定位开关7 - 机械手原点
轴自动返回换刀点( 一般是机床的第二参考点) , 且确认开关8 - 倒刀气缸缩回定位开关9- 回刀气缸伸出定位
实现主轴准停, 然后换刀电动机10 起动运行, 通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17 带动机械手从原
位逆时针旋转 60 , 进行机械手抓刀控制, 当机械手 扣刀定位开关 6 发出到位信号后, 换刀电动机 10 立 即停止, 主轴刀具夹紧装置自动松开。

( 4) 主轴刀具松开后, 换刀电动机 10 起动运行,
开关 10- 机械手 换刀电动机 11- 机械手 12- 圆 柱凸轮 13- 杠杆 14- 锥齿轮 15- 凸 轮滚子 16 - 主轴箱 17- 十 字轴 18- 刀套
( 5) 当机械手完成拔刀控制后, 通过锥齿轮 14、 凸轮 滚子 15、十字 轴 17 带 动机 械手 逆 时针 旋转 180 , 使主轴刀具与刀库刀具交换位置。

然后通过
16 西安航空技术高等专科学校学报第27 卷
圆柱凸轮12、杠杆13 使机械手上升, 把交换后的刀具插入主轴锥孔和刀库的刀套中。

机械手完成插刀后, 换刀电动机停止开关5( 接近开关) 发出信号使
电动机立即停止。

刀具插入主轴锥孔后, 刀具的自
动夹紧机构夹紧刀具。

( 6) 当机械手扣刀到位检测信号开关6( 接近开关) 再次接通后, 换刀电动机10 起动运行, 通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17 带动机械手顺时针转动60 , 回到机械手的原点位置。

机械手原位到位
开关7 接通后, 换刀电动机10 立即停止。

( 7) 当机械手回到原位后, 机械手原位到位开关
7( 接近开关) 接通, 回刀电磁阀线圈获电, 气缸推动
刀杯向上翻转90 , 为下一次选刀做准备。

回刀气
缸伸出定位开关9( 磁环开关) 接通, 完成整个换刀
控制。

显示器将会显示PM C 中存储器对应地址单元的数
据信息, 可以按相应的X、Y、G、F 和R、D 等地址单元就可以观察其内容, 我们可以根据数控机床电气
控制原理图中提供的X、Y 信息观察机床侧的开关、
按钮和传感器等状态, 并可利用观察Y 的信息状态
X 分析故障在机床侧还是数控系统内部, 当然可以
通过FANUC 0i 系统提供的F、G 信号的意义, 确定
数控机床的故障在CNC 侧还是在机床侧等。

如通过观察F7. 3 就可以知道是否执行换刀指
令, 通过观察X2. 1 的变化就可以确定刀库计数开
关的工作是否正常, X2. 0 刀库定位开关是否到位,
通过观察Y8. 1 和Y8. 2 就可以确定电机转动的方
向, 和确定电机的故障是属于机床侧的电气控制部
分还是PM C 的故障等, 可通过观察G4. 3 就可以确
定换刀功能是否结束。

当然还要结合机床电气控制
3 自动换刀装置故障诊断的方法电路来分析机床侧出现的故障。

最好根据数控机床电气控制原理图, 列写关于换刀控制有关的I/ O 接
自动换刀装置换刀装置的工作基本上都是顺序
工作, 所以只要熟悉换刀动作的过程和掌握PM C 口对照表, 在熟知换刀过程的基础上, 利用PM C 的状态诊断换刀过程的故障。

的控制对维修是很重要的。

FANUC 0i 系统的PM C 诊断方法:
4 自动换刀装置常见故障诊断与分析3. 1 利用梯形图在线进行诊断圆盘式刀库自动换刀装置常见故障及维修详见
按系统功能键SYSTEM , 再按系统操作软件[ PMC] 就会显示PM C 功能画面, 按软件PMCLAD, 梯形图就会出现在显示器上, 如果显示器为单色显
示器CRT , 梯形图显示画面中, 信号接通为亮线显示, 信号断开为暗线显示, 彩色显示器LCD 的接通
和断开也可由用户设定不同的颜色对比来确定。

在
梯形图的下面对应有如下软键功能如下:
[ TOP] 返回梯形图开始位置。

[ BOT TOM ] 返回梯形图结束位置
[ SRCH] 搜索梯形图中信号触点的操作软键。

表1。

立式加工中心换刀臂平移至 C 时, 无拔刀动作。

图 4 为自动换刀控制示意图。

[W SRCH] 搜索梯形图中信号线圈的操作软
键。

[ N- SRCH] 搜索梯形图行号的操作软键。

[ F- SRCH ] 为搜索系统中功能指令的操作软
件, 先按[ F- SRCH] , 然后在按相应的功能指令号,
就显示对应的功能指令。

要根据机床的程序和动作过程, 熟悉PM C 控
制原理, 查找对应的传感器和限位开关等电器元件的位置和动作原理是非常重要的。

图4 自动换刀控制示意图1- 刀库; 2- 刀具; 3- 换刀臂升降液压缸; 4- 换刀臂; 5- 主轴; 6 3. 2 利用PM C 的状态诊断机床的故障- 主轴液压缸; 7- 拉杆
按系统功能键SYSTEM , 再按系统操作软键[ PM C] 就会显示PMC 功能画面, 按软件[ PM- CDGN] 出现PM C 诊断画面, 再按软件[ STATU S]
数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是按照一定的顺序来完成的, 因此观察机械装置的运动过程, 比较正常与故障时的情况, 就可发现疑
第1 期
点, 诊断出故障的原因。

罗庚合, 等: 自动换刀装置控制原理及故障分析
动( 找下一把刀具) 。

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ATC 动作的起始状态是: 主轴保持要交换的换刀臂平移至C 位置时, 无拔刀动作, 分析原
旧刀具; 换刀臂在 B 位置; 换刀臂在上部位置; 因, 有几种可能:
刀库已将要交换的新刀具定位。

( 1) SQ2 无信号, 使松刀电磁阀YV2 未激磁, 主自动换刀的顺序为: 换刀臂左移( B A) 换刀轴仍处于抓刀状态, 换刀臂不能下降。

臂下降( 从刀库拔刀) 换刀臂右移( A B) 换刀臂( 2) 松开接近开关SQ4 无信号, 则换刀臂升降
上升换刀臂右移( B C, 抓住主轴中刀具) 主轴液电磁阀YVI 状态不变, 换刀臂不下降。

压缸下降( 松刀) 换刀臂下降( 从主轴拔刀) 换刀( 3) 电磁阀有故障, 即使给予信号也不能动作。

臂旋转180 ( 两刀具交换位置) 换刀臂上升( 装逐步检查, 发现SQ4 未发出信号, 进一步对刀) 主轴液压缸上升( 抓刀) 换刀臂左移( C B) SQ4 检查, 发现感应的间隙过大, 导致接近开关无
刀库转动( 找出旧刀具位置) + 换刀臂左移( B A, 信号输出, 产生动作障碍。

返回旧刀具给刀库) 换刀臂右移( A B) 刀库转
表1 BT 50- 24T OOL 圆盘式刀库自动换刀装置常见故障及维修
故障现象
刀套破裂
刀库电动机
过热烧坏
刀套在准备好后要下降时却不能正常降落
刀库无法运转
换刀时, 刀具落, 而且有拉刀的情况发生
倒刀时刀掉落
换刀时无法回归
原因分析
装刀时, 被撞击
刀套未定位之前有倒刀动作
检查电动机线
刀具的质量是否过大
刀库是否有阻碍而过载
气压是否正常
气缸是否泄露
刀具是否松动
刀具是否过重( 15kg) 或过长( 300mm)
电源是否良好( 电压是否正常)
气源是否供应良好( 压力是否足够)
检查开关是否正常工作
电线是否接好
刀具被撞击变形
刀具太重造成刀臂变形
刀套内的加紧弹簧已疲劳
刀臂及刀具的夹刀点的校正不正确
刀具质量超过规定的限制
刀套内的弹簧夹力不够
倒刀块几刀套没有定位好( 没有倒90 )
刀臂弯曲
电线接触不良
夹刀及释刀的信号无法被传递
故障处理方法
转动刀库把破裂的刀套移到旁边, 然后使用六
角扳手把固定螺钉松开以便更换
关闭电源后, 取下配线, 检查配线, 检查并排除
阻碍点后更换新电机
检查气缸、气压
紧固螺钉
确定刀具质量、长度
检查电源、气源
检查每一个开关是否正常发信号
检查电线是否连接完好
换新刀臂并调整
在换刀前先检查其质量
调整并更换弹簧
重新校正
检查总质量
调整或更换
调整或更换
先用扳手旋转AT C 来确认是否夹刀位置正确,
如果高度已修正仍不能回归则更换刀具
先用换刀命令来换刀,如果刀被卡住,表示电线故障
调整感应器的感应装置
参考文献[ 3] 张柱银. 数控原理与数控机床[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 2003. 7: 155.
[ 1] 刘永久. 数控机床故障诊断与维修技术[ M ] . 北京: 机[ 4] FA NU C 0i M eter- B P M C 梯形图与指令集[ S] . 中
械工业出版社, 2006. 1: 164- 168. 国北京FA NU C 推广中心.
[ 2] 娄斌超. 数控维修电工职业技能训练教程[ M ] . 北京: 高等教育出版社, 2005. 7: 191. [ 5] 杨中力. 数控机床故障诊断与维修[ M ] . 大连: 大连理工大学出版社, 2006. 8: 295.
[ 责任编辑、校对: 王培华]
18 西安航空技术高等专科学校学报第27 卷
Controlling Principle and Flaw Analysis of Automatic Tool Changer
1 2
( 1. Department of M echanical Eng ineering, Xi an A er onautical College;
2. Shaanx i Fast Gear Co. L td. 710077, Xi an, Shaanxi, China)
Abstract: Automatic tool changer in the processing center improved processing efficiency of numerical control
machines, but ow ing to the complicated motion controlling in the processing center, w hich involving technolo-
g ies of mechanical, electrical and PM C, hydraulic pressure and detecting, flaw occurrence tend to be higher in
the automatic tool charger. The essay mainly introduced classifications and controlling in the device of autom atic
tool charg er and the flaw diag nosis, listed cases of reg ular occurrence and maintenance in the automatic tool
charger.
Key Words: Processing Center; Tool Selection; Tool Exchanging; Tool Mess and Tool Missing; PM C Diagno-
sis; I/ O State Diagnosis
( 上接第9 页)
[ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 10] ( 美) H 柯雷格彼得森, 克里斯刘易斯著, 吴德庆译
校. 管理经济学[ M ] . 北京: 中国人民大出版社, 2003. 7
中国国家科技领导小组办公室. 关于知识经济与国家
知识基础设施的研究报告[ R] , 1998. 4
中国一航发展研究中心. 知识管理理论与实务[ G ] . 中
国一航内部发行, 2005. 11
沈阳飞机设计研究所. 知识管理的探索与应用[ J] . 航
空企业管理, 2006( 2) .
周勇. 中国一航十五管理创新回顾[ J] . 航空企业管
理, 2006( 1) .
[ 11]
[ 12]
[ 13]
[ 14]
[ 15]
万君康, 梅小安著. 企业知识资本管理及其绩效评价
[ M ] . 北京: 北京机械工业出版社, 2006. 1
黄玉喜, 姜水波. 现代管理数学基础[ G] . 中国机械工
程学会内部发行, 1985. 1
李怀祖. 管理研究方法论[ M ] . 西安: 西安交通大学出
版社, 2004. 12
柴华奇, 王莉芳. 管理经济学[ M ] . 西安: 西北工业大
学出版社, 2004. 9
胡健颖, 冯泰. 应用统计学[ M ] . 北京: 北京大学出版
社, 2004. 7
[ 责任编辑、校对: 王培华]
Input and Output Mathematical Mode for Xi an Aircraft
Industry( group) Company Limited
NI U Rui-j un
( Depar tment of Strategic Development, Xi an Aircraft Industry( Group) Company Limited, 710089, X i an, Shaanx i, China)
Abstract: Input and output mathem atical mode is the functioning stating form reflecting the corporation s max-i mum input and output in quantum. The essay adopted practical researching approaches to analyze and design on the composing factors in constitution, properties and units in productive functions, accumulated and processed。