自动换刀装置控制原理及故障分析
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 CollegeVol 2 7 No 1Jan . 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- 051 引言4、6、8、12 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。
数控机床自动换刀装置
02
数控机床自动换刀装置 的结构与设计
刀库设计
刀库容量
根据数控机床的加工需求， 合理设计刀库容量，确保 能够存放足够数量的刀具。
刀具存放方式
采用合适的刀具存放方式， 如刀具架、刀具套等，以 便于刀具的存取和管理。
刀库布局
根据数控机床的整体布局 和加工要求，合理布置刀 库的位置和方向，以提高 换刀效率和加工精度。
例如，在发动机缸体的加工中，需要使用不同种类的刀具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床 自动换刀装置可以在加工过程中自动识别需要更换的刀具，并快速、准确地完成换刀操作，保证了加 工过程的连续性和稳定性。
应用案例二：航空航天业
航空航天业对零部件的加工精度和效率要求极高，数控机床自动换刀装置在航空 航天业中也有着广泛的应用。例如，在飞机机身和机翼的制造中，需要使用大型 五轴数控机床进行加工，而大型五轴数控机床的换刀时间较长，影响了加工效率 。
数控机床自动换刀装置的应用，可以大大缩短换刀时间，提高加工效率。同时， 由于航空航天业对零部件的加工精度要求极高，数控机床自动换刀装置的精确性 和稳定性也得到了充分验证，为航空航天业的发展提供了有力支持。
应用案例三：模具制造业
模具制造业是数控机床自动换刀装置的重要应用领域 之一。在模具的制造过程中，需要使用不同种类的刀 具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床自动换 刀装置的应用，可以大大提高模具的加工效率和精度 。
分类与比较
按换刀方式分类
数控机床自动换刀装置可分为机械手换刀和机器人换刀两种 方式。机械手换刀方式具有结构简单、成本低等优点，但换 刀速度较慢；机器人换刀方式具有换刀速度快、精度高等优 点，但结构复杂、成本较高。
按刀库类型分类
数控机床自动换刀装置可分为固定刀库和旋转刀库两种类型 。固定刀库具有容量大、换刀速度快等优点，但结构复杂、 成本较高；旋转刀库具有结构简单、成本低等优点，但容量 较小、换刀速度较慢。
数控机床主轴换挡原理及故障处理
电机
关键词 ： 数控机床 ； 换挡原理 ； 故障处理
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｇ ６ ５ ９
０ 概述
数控机床换挡故 障是数控机床维修 中频 繁出现的故 障， 因 换挡控制方式不 同 ，出现故障后进行维修调 整的难易程度也不 相 同，下面以常见的两种控制方式来分析控 制原理及换挡故障
晋 西机 器 工业 集 团有 限 责任 公 司先 后 引进 了 ２台 美 国 Ｖ Ｆ ５立式加工 中心 ， 该机 床配置哈斯数控 系统 ， ， Ｙ， ｚ ， Ａ轴具
备 ４轴联动功能 ， 可完成 铣削 、 钻孔 、 倒角 、 刚性 攻丝 等加工任 没有检测到换挡到位信号 ； ③主轴换挡顶齿。
，
应 的 液 压 阀 线 圈 ，换 挡 机 构 开 始 换
换挡指令完成。如果在换挡设定时间 内没有检测 到换挡 到位信 号， 系统报警 ， 停止换 挡动作 。主轴换挡结构图见图 ２ 。
２ 常 见 故 障 及 处 理流 程
挡动 作 ， 当 主轴 检测 到换挡
到位信号后
主轴 停 止 摆 动 ，换 挡 指 令 完 成 。 如
的维修。 １ 数控 机床 主轴换挡原理
１ ． １ 主 轴 摆 动 换 挡 原理
挡 到 位 信 号 ，系统报 警 ，停 止换 挡动作。主 主轴
轴 换 挡 结 构
图见 图 １ 。
电 机编 码器
当主轴 转速 超 过换 挡转 速 或执 行 Ｍ ４ １ 、 Ｍ４ ２等换 挡指 令 时， 通过 系统 Ｐ Ｍ Ｃ控制 主轴电机实现摆动控制 （ 以较 低的转速
［ 编辑
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囤 设 备 管 理 与 维 修２ ０ １ ７ № ｌ
经济型数控车床自动换刀装置的故障分析及排除
和过 冲 ，如图 ２所示 。
【 ４ 第３ 卷 ６】 ４ 第３ 期 ２ １—３下 ） ０２ （
１ 自动换 刀装 置与 自动刀架
经 济 型 换 刀 装 置 是 经济 型 数 控机 床 中 最 重 要
１１ 刀架 抬起 ．
在 数 控 机 床 发 出更 换 刀 具 的 指 令 之 后 ，如 图
的 部 分 之 一 ，而 自动 刀 架 则 是 自动 换 刀 装
置 的 主 要 部 件 。统 计 资 料 显 示 ， 目前使 用
中图分类号 ：Ｔ ５ Ｇ６９ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０—０ ３ （ ０ ２ ３ 下） ０ ６ — ４ ９ １ ４ ２１ ） （ － ０ ３ ０ ０
Ｄｏ ： ． ９ ９ Ｊ ｉ ｎ １ ０ －０ ． ０ ． （ ） ２ ｉ１ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ ９ １ ４ ２１ ３ 下 ． ０ ０ ｓ ３ ２
会 出现 刀架的过 冲和 滞后现 象 。经过走 访调 查 ，并
且进 行反 复的 试验 ，结果依 旧如 此 。经 过 实践操 作 并 结合专 家意 见 ，我 们分析 得 出有 以下 四种 的机 械
１３ 刀架定 位 ． 刀架体 转动 时会连 同电刷 座一 起转 动 ，当转到 指定 的 刀号时 ，粗定位 销便 会在弹 簧力 的作用 下进 入粗 定位 盘的槽 中再次 进行粗 定位 。 同时 ，另一 电 刷会 接触 导体使 电动机 反转 。 由于粗定 位槽 的某些 限制 ，刀架体 不能够转 动 ，并 使其 在该 位置上 垂直 落下 ，此 程序 中的刀 架体和 刀架 底座上 的端面 齿啮 合 实现精 确定位 ，从而 实现 刀架的定位 工作 。
数控机床自动换刀装置的故障分析与排除
故障现象 ： 某型号数控机床在 自动换 刀过程 中 ， 经常 出现
主轴定位不准确现象 ， 导致 自动换刀无法正常进行 。
例， 其气压太高或太低 以及换刀气阀节流开 口太大或太小 。
诊断分析及处理过程 ： 机床刚启动工作 时 ， 出现上述现象 的次数很少 ，通过重新开机启动后一般都 能正常工作 一段时 间。但工作一段时问后 ， 主轴定位不准确 的现象就表现得越 来 越严重 ， 障频率也越来越 高， 故 严重影 响了机床的正常使用 。
定 换 刀动 作 。
床 中可靠性最为薄弱的环节 ， 故障率较 高。 刀机械手为例， 以换
它 的主要故障通常表现为 ： 掉刀、 卡刀 、 机械手动作不到位或根
本无动作 、 机械手换 刀速 度过快或过慢 、 机械手夹 持刀柄不稳
５ 要 制订具体 的保养措施 ，保持刀具 、刀柄和刀套 的清 ）
１ 在自 ） 动换刀装置 中尽量采用可靠性 高的元件 ，比如传
感、 气动 、 液压元件的选取 。 一旦元件工作不正常就马上采取措 施 甚至更换 ， 故障排除在萌芽状 态， 而减少损失 。 将 从
收 稿 日期 ：０ ７ ０ — ６ ２ ０ — ６ １
的定位采用 编码器 ， 动作 也完全正确 ， 定位 所以发生 电气故障
刀点 或换 刀点 漂 移 ； 械 手 抓 刀 时没 有 到 位 就 开始 拔 刀 。 机
３ 自动换刀 装置 故障 诊断实例
实例一 ： 主轴定位不 准的故障。
３ ）刀具从机械手 中脱 落。主要 原因： 刀具净质量超重 ： 机 械手卡紧销损坏或弹簧未弹 出。 ４ 机械手换刀速度过快或过慢。主要原因 ： ） 以气动机械为
放置 ， 确认 程序上规定 的刀具号与所配刀具号是否 一致 ， 以免 出现错 换刀导致严重的生产事故发生。
电动刀架常见故障分析
数控车床电动刀架主要内容：1）前言2）结构和工作原理3）常见故障分析一、前言电动刀架是数控车床进行自动换刀的实现机构，实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换，具有传动机械结构、电气正反转控制、PLC 编程控制等数控机床的核心内容，是每一个学习数控机床结构的学生必须掌握的，具有机械、电气的综合特点，同时电动刀架在数控加工过程中容易出现故障，因而对于该刀架的结构和故障的分析，在教学过程中显得尤为重要。
而常见的电动刀架中具有典型的结构有TND360 刀架和LDB4 刀架，这两种刀架采用了不同的传动升降结构、不同定位控制。
都实现了刀盘的正向换刀和反向锁紧，刀盘的圆周定位功能。
二、结构和工作原理1）TND360 刀架的结构与工作原理它属于转塔刀架，是由换刀机构和刀盘组成，刀盘用于刀具的安装。
刀盘的背面装有端面齿盘，用于刀盘的定位。
转塔刀架的换刀机构是实现刀盘的开定位、转动换刀位、定位和夹紧的传动机构。
要实现刀盘的转动换刀，就要使得刀盘的定位机构脱开后，才能行转动，当转动到位后，刀盘要定位并夹紧，才能进行加工。
转塔刀架的换刀传动是由刀架电动机提供动力，刀盘的抬起是用凸轮机构来实现的，而刀盘在圆周方向上的分度是用槽轮机构来实现的，分度完成后的回复也是在碟形弹簧的作用下进行工作的。
刀盘在转动过程中，经1：1 的齿轮副将运动传递给圆光栅，由圆光栅将转位信号送可编程控制器进行刀位计数。
在加工的过程中，当端面齿盘上的定位销拔出后，切削力过大或撞刀时，刀盘会产生微量转动，这时圆光栅的转动信号就成为刀架过载报警信号，机床就会迅速停机。
圆光栅将传动转换成脉冲信号送给数控系统，正常时用于刀盘上刀具刀位的计数；撞刀时用于产生刀架报警信号。
刀盘的转动可根据最近找刀原则实现正反向转动，以达到快速找刀的目的。
2）LDB4 电动刀架的结构与工作原理它属于四工位刀架，由电动机、蜗轮和蜗杆结构、丝杠和螺母结构、霍尔元件定位系统等组成，正转时，电动机通过涡轮和蜗杆结构将驱动传给丝杠，螺母和转动的刀架是键槽联结，即螺母和转动的刀架只能做相对上下滑动，而不能相对转动，而螺母与电机底座是通过齿面啮合形成定位机构，在这对啮合齿脱开之前，螺母是不能转动的，也就是转动的刀架也是不能转动，刚刚开始，由于丝杠的顺时针旋转，螺母相对于转动的刀架向上移动，当啮合齿脱开后，通过销钉和止推槽的作用，使得丝杠转动→螺母转动→刀架转动→进行换刀，到指定的工位时，通过霍尔元件定位系统将到位信号传递给数控装置系统，从而停止转动，通过霍尔元件定位系统和辅助定位销钉进行位置的定位；数控装置控制刀架换刀电动机进行一定延时的反转信号，因为止推销钉的作用，螺母系统和刀架系统不能反转，因而螺母系统顺着丝杠向下移动，直到两对啮合齿重新啮合为止，这样完成了整个换刀的过程。
发那克（FANUC）故障与维修经验总结
发那克（FANUC）故障与维修经验总结发那克(FANUC)故障与维修经验总结cnc,电脑锣数控机床的故障分析:数控机床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点。
但由于技术越来越先进、复杂，对维修人员的素质要求很高，要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控机床出现故障才能及时排除。
我公司有几十台数控设备，数控系统有多种类型，几年来这些设备出现一些故障，通过对这些故障的分析和处理，我们取得了一定的经验。
下面结合一些典型的实例，对数控机床的故障进行系统分析，以供参考。
一、NC系统故障1．硬件故障有时由于NC系统出现硬件的损坏，使机床停机。
对于这类故障的诊断，首先必须了解该数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，在有条件的情况下利用交换法准确定位故障点。
例一、一台采用德国西门子SINUMERIK SYSTEM3的数控机床，其PLC采用S5─130W／B，一次发生故障，通过NC 系统PC功能输入的R参数，在加工中不起作用，不能更改加工程序中R参数的数值。
通过对NC系统工作原理及故障现象的分析，我们认为PLC的主板有问题，与另一台机床的主板对换后，进一步确定为PLC主板的问题。
经专业厂家维修，故障被排除。
例二、另一台机床也是采用SINUMERIK SYSTEM3数控系统，其加工程序程序号输入不进去，自动加工无法进行。
经确认为NC系统存储器板出现问题，维修后，故障消除。
例三、一台采用德国HEIDENHAIN公司TNC155的数控铣床，一次发生故障，工作时系统经常死机，停电时经常丢失机床参数和程序。
经检查发现NC系统主板弯曲变形，经校直固定后，系统恢复正常，再也没有出现类似故障。
2．软故障数控机床有些故障是由于NC系统机床参数引起的，有时因设置不当，有时因意外使参数发生变化或混乱，这类故障只要调整好参数，就会自然消失。
还有些故障由于偶然原因使NC系统处于死循环状态，这类故障有时必须采取强行启动的方法恢复系统的使用。
自动换刀装置的结构原理与维修
自动换刀装置的结构原理与维修8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架1－活塞 2－刀架体 3、7－齿轮 4－齿圈 5－空套齿轮6－活塞 8－齿条 9－固定插销 10、11－推杆 12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
对自动换刀过程中常见故障的分析
导 致“送刀”无法满足。针对以上四点原因分别给 予解 决 就可排 除 主轴系统的问题。
图1 主轴结构示意图
1-刀具；2 - 拉钉；3 - 钢 球；4 - 锥套；5 - 蝶形弹簧；6 - 拉 杆； 7- 端盖；8 - 空心螺钉；9 - 液 压 缸；10 -顶杆
2 机械手不抓刀故障 2.1 故障现象
该机 床换刀时，在主轴定向后，ATC（自动换刀）无定向显示， 机 械手 没有 抓刀动 作，且 没有显 示 报警 信息。 2.2 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-0079-01
自动 换刀装 置（ATC）作为加 工中心最 重要 结 构 部 件之一，其 换刀方 式 分为有机 械手 换刀和无 机 械手 换刀两 种，而机 械手 换刀 方 式 是大多数 加工中心采用的，在 这 种 换刀方 式下，机 械手成 为换 刀 过 程中 极 其 重要 的 机 械 装 置，它 的 作用 是 将上一 个工 序中用 过 的刀具送回刀库，并从刀库上取出新 的刀具安装 到主轴 上，以便 下 一 个工序的开展。由于换刀时动作 环 节 较多，广泛使用液 压元件、 行 程 开 关、感 应 开 关、电磁阀 等 机、电、液、气元 器件，只要 其中有 一 个 元 器 件出现 故 障，如 动 作 不 能 到 位 或 没有及 时 发出信号，机 械手就 无法完成 换刀动作，造成 加工中心不能 正常工作。下 面以配 FA NUC数 控系统的加工中心为例，对 该 加工中心机 械手无法 拔刀 和 取刀的 现 象 进行分 析 和 诊 断。
工业技术
科技创新导报 2013 NO.07
Science and Technology Innovation Herald
对自动换刀过程中常见故障的分析①
李玉琴 （安徽水利水电职业技术学院 安徽合肥 231603）
机加工常见故障及检查、分析方法
机加工常见故障及检查、分析方法一、常见故障：1. 设备紧急停止或过行程：●紧急停止按钮被按下；●主轴有过行程现象；2. 主轴打退刀不确定：●夹刀、松刀极限开关为“1”或“0”；●无氧压源现象；3. 切削液马达过负荷：●切削液马达故障；●切削液过载电釋故障或接点接线错误；4. 主轴异常：●变频器故障或接点错误。
5. 刀具寿命异常：●刀具寿命到期。
6. 润滑油液面过低：●润滑油箱的油过少。
7. 控制器电池异常：●控制器电池无电源。
8、马达过负荷：●ATC马达故障；●ATC过载电釋故障或接点接线错误。
9. 工作门打开：●在自动模式下工作门打开；10. ATC位置不正确：●ATC换刀臂的检测器讯号同时为“1”或“0”；●无气压源现象。
11. 主轴不在第二源点：●主轴换刀未到换刀点上；12. 主轴过热：●主轴冷却机异常。
13. 主轴没有定位：●主轴换刀时未在定位点上。
14. 主轴不在第一源点：●主轴取刀时未在第一源点上。
15. 须回源点：●开机后或曾执行紧急停止动作。
16、主轴不能旋转：●当主轴在松刀状况下，主轴不能转动。
二、主轴部件故障主轴是加工中心机床一大核心部件，加工表面精度绝大部分都和主轴有关，所以主轴的质量很关健。
由于使用调速电机，数控机床主轴箱结构比较简单，容易出现故障的部位是主轴内部的刀具自动夹紧机构、自动调速装置等。
为保证在工作中或停电时刀夹不会自行松脱，刀具自动夹紧机构采用弹簧夹紧。
若刀具夹紧后不能松开，则考虑调整松刀液压缸压力和行程开关装置或调整碟形弹簧上的螺母，减小弹簧压合量。
此外，主轴发热和主轴箱噪声问题，也不容忽视，此时主要考虑清洗主轴箱，调整润滑油量，保证主轴箱清洁度和更换主轴轴承，修理或更换主轴箱齿轮等。
三、进给传动链故障在加工中心进给传动系统中，普遍采用滚珠丝杠副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。
所以进给传动链有故障，主要反映是运动质量下降。
如：机械部件未运动到规定位置、运行中断、定位精度下降、反向间隙增大、爬行、轴承噪声变大（撞车后）等。
加工中心刀库分类、特点及典型故障分析
••AC..松装刀置机调构整回不退当故或障加。工误差过大而造成拨叉位置不正确。
••BD..限刀位具开超关重安。装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。
5.刀具夹紧后松不开
•A.松锁的弹簧压合过紧或碟簧断裂，导致刀杆伸 缩量不够。
刀库故障
1.刀库不能转动的原因可能有：
•①联接电机轴与蜗杆轴的联轴器松动；
•②变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是 否正常； •2•.③ 刀库PL转C无不控到制位输的出原，因可可能能是有接：口板中的继电器失效； •3••.④ 刀电套动机不机械能转连夹动接紧故过刀障紧具，；原传因动可机能构是误差。 ••⑤A.电刀网套电上压的过调低整。螺钉松动。
⑷经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换 刀点位置是否到位，发现问题要及时调整，否则不能完成换 刀动作。
⑸要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 ⑹开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作 是否正常，特别是行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机 械手液压系统的压力是否正常，刀具在机械手上锁紧是否可 靠，发现不正常时应及时处理。
(5)主轴系统有问题，刀具是靠碟簧通过拉杆和弹簧卡头而将刀具柄尾端 的拉钉拉紧的；松刀时，液压缸的活塞杆顶压顶杆，顶杆通过空心螺钉 推动拉杆，一方面使弹簧卡头松开刀具的拉钉，另一方面又顶动拉钉， 使刀具右移而在主轴锥孔中变“松”。
主轴系统不松刀的原因有以下5点： ①刀具尾部拉钉的长度不够，致使液压缸虽已运动到位，而仍未将刀具 顶“松”； ②拉杆尾部空心螺钉位置起了变化，使液压缸行程满足不了“松刀”的 要求； ③顶杆出了问题，已变形或磨损； ④弹簧卡头出故障，不能张开： ⑤主轴装配调整时，刀具移动量调得太小，致使在使用过程中一些综合 因素导致不能满足“松刀”条件。
自动换刀装置与离心泵中的故障分析和处理
２ ０ １ ３年第 １ 期
自动换刀装置与离心泵 中的故 障分析和 处理
董 哲
北京 １ ０ ２ ４ ０ ３ ） （ 北 京金 隅科技 学 校机 电系
摘 要
Ｘ Ｈ７ １ ５型立式加工中心 自动换刀装置和单级离心泵的典型故障为例， 介绍 了故障诊断及排除故障的处理
方法 。讨论 了导致故障的原因 ，总结出排除 Ｃ ＮＣ 立式加工中心和单级单吸离心泵故障的经验，并提 出了相应 的
改 进 措 施 与 方 法 ，从 而 提 高 了工 作 效 率 。 关键词 立 式 加 工 中 心 自动 换 刀 装 置 Ａ Ｔ Ｃ 单 级 单 吸 离 心 泵
１ Ｃ Ｎ Ｃ立 式 加工 中心 Ａ Ｔ Ｃ故 障诊 断与处 理 方法
Ｃ ＮＣ 立 式 加 工 中 心 自 动 换 刀 装 置 Ａ Ｔ Ｃ （ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｏ ｏ ｌ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ） 是加工 中心 上必 不 可少 的
一
主轴
旦感 应 到低 于其所 设 定 的压 力值 时，立 即停止 运
图 １ 双臂 回转机械手拔刀
行 的程 序指 令 ，Ａ Ｔ Ｃ拔 刀 的动 作停 止 ，换 刀 失败 。
５ ７
精密 制造 与 自动化
２ ０ １ ３年第 １ 期
双 臂 回转机械 手 为 了防止 刀具 掉落 ，在刀 臂活 动 手 上安装 机械 自锁机 构 ， 其 工作 原理 如 图 ２所示 。
机的额 定压力，即可确保正常工作 。机械手刀臂 如何 复位 呢 ？在 设 备 顶 部 ，打 开 Ａ Ｔ Ｃ 电动机 的防
护盖 ，用 扳手 人为地 完 成后续 动 作 ，使 刀臂 复位 ； 然 后 ，在 系 统 参 数 中完 成 以下 各 个 步 骤 ： （ １ ） 在
数控车床四工位刀架的工作调试与典型故障维修
数控车床四工位刀架的工作调试与典型故障维修摘要自动换刀装置是数控车床、加工中心的重要组成部分，它大大缩短了非切削时间，提高了加工效率。
它的形式多种多样，目前常用的有可转位刀架、更换主轴头换刀和带刀库的自动换刀系统几种，其中以可转位刀架应用的更为普及，可转位刀架为一种常见的中高档数控车床刀具储存装置，而四工位电动刀架是可转位刀架中最为常用的。
本文对四工位刀架进行工作原理分析，并应用继电-接触控制系统控制电路部分进行设计调试，对以上部分用PLC进行实现，针对在实际工作中遇到的刀架常见的问题和维修经验，总结出刀架常见的故障和维修排除方法，对四工位刀架的故障排查提供帮助。
关键词电动刀架；电路调试；PLC控制；四工位；故障排除数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段，数控车床带有自动换刀装置，自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。
数控车床上使用的回转刀架换刀是一种常见的自动换刀装置。
1 车床四工位电动回转刀架的工作原理数控车床上使用的回转刀架一般是立式的，具有四工位（装有四把刀具）或六工位，由数控机床发出的脉冲指令进行回转和换刀。
对于使用回转刀架的数控机床，在加工过程中，回转刀架不但可以存储刀具，而且在切削时要连同刀具一起承受切削力，在加工过程中要完成刀具交换转位、定位夹紧等动作。
1.发信盘；2.推力轴承；3.螺杆螺母副；4.端面齿盘；5.反靠圆盘；6.三相异步电机；7.联轴器；8.蜗杆副；9.反靠销；10.圆柱销；11.上盖圆盘；12.上刀体四工位电动刀架一般由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成如图1所示，自动回转刀架换刀具体的换刀动作如下：数控系统输出换刀信号——PLC控制信号输出（控制电路中继电器-接触器动作）——刀架电机正向寻刀开始——刀架抬起（螺杆将销盘上升到一定高度）——刀架正转（离合销进入离合盘槽，离合盘槽带动销盘，销盘带动上刀体转位）——检测元件检测到刀位信号——刀架电机开始反转并锁紧——刀架电机断电——加工顺序进行。
加工中心斗笠式刀库控制原理与故障诊断
时停。
重新压接端子，压紧螺栓此故障消失。
由于斩波主机箱接地螺栓易被忽视，当出现故障时往往向其他方向寻找，而忽视简单的故障现象。
3.2电机车不能调速断开3#连线，打开斩波主机箱盖板，通电检测，观察各指示灯指示正常。
光电给定器弹簧、凸轮均正常。
转动调速手柄，测ADJ（DC0~4V）电压变化，无跟随调速手柄线性变化，±15V电压正常，据此判断光电给定器损坏、更换，电机车正常运行。
3.3电机车牵引力不足司控器调速手柄置于可调范围最高档位置，电机车无力，尤其是过弯道、轨道稍微打滑处，更加明显。
电机车有可能是单电机工作。
检查司控器换向触点、主电机及主回路正常。
打开斩波主机箱盖板、断开司控器3#连线，通电检测，转动调速手柄，观察各指示灯指示正常。
用万用表分别测2个IGBT的GE端电压跟随ADJ电压线性变化情况，发现1个正常；1个没有跟随性、无指示。
更换此IGBT控制线，再次检测正常，试机正常。
这次故障是IGBT控制连线板故障，斩波驱动盒的ER1/ER2红色指示灯应闪烁，但这次无闪烁，是IGBT控制连线板其它元件故障。
3.4电机车无法起动断开司控器里边的3#连线，打开斩波主机箱盖板，通电检测，转动调速手柄。
斩波主机箱驱动盒面板指示灯24V绿灯亮，而±15V绿灯闪烁。
由指示灯显示初判斩波驱动盒损坏，±15V输出电压不正常，更换斩波驱动盒，还是这个故障。
再检查司机控制器接线端子，无24V电源，而辅助电源正常，进一步检查发现，是24V电源地线虚接，感应电压造成24V电源指示灯正常而实际无24V电源，±15V绿灯闪烁，斩波驱动盒输出控制IGBT关断。
3.5电机车重车巷停机电机车满载运行时，在重车巷停机。
维修人员赶到时，检测正常，并能正常运行。
当满载在重车巷运行时又反复出现以上故障。
经分析判断为斩波主机箱温度传感器损坏，电机车重载运行一段时间，主机箱温度升高，传感器损坏，风扇不工作，IGBT关断。
数控机床自动换刀装置及其控制研究
数控机床自动换刀装置及其控制研究一、本文概述随着现代制造业的飞速发展，数控机床作为重要的加工设备，其自动化、智能化水平的高低直接决定了生产效率与加工质量。
自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）作为数控机床的关键组成部分，其性能直接影响到机床的加工效率与灵活性。
本文旨在对数控机床自动换刀装置及其控制进行深入的研究，探讨其结构特点、工作原理、控制策略以及优化方法，以期为提高数控机床的整体性能提供理论支持和实践指导。
文章首先对数控机床自动换刀装置的基本概念和分类进行介绍，明确研究对象和范围。
接着，分析不同类型自动换刀装置的结构特点和工作原理，包括刀库类型、换刀方式、换刀时间等关键因素。
在此基础上，研究自动换刀装置的控制策略，包括换刀过程的控制逻辑、运动轨迹规划、故障检测与处理等。
同时，结合实际应用案例，探讨自动换刀装置在实际生产中的性能表现及优化空间。
文章对数控机床自动换刀装置的发展趋势进行展望，提出未来研究方向和建议。
通过本文的研究，旨在为数控机床自动换刀装置的设计、制造和应用提供有益的参考和借鉴，推动现代制造业的持续发展。
二、数控机床自动换刀装置概述随着制造业的快速发展，数控机床作为高精度、高效率的加工设备，其应用越来越广泛。
在数控机床中，自动换刀装置（Automatic Tool Changer，简称ATC）是一项关键技术，它能够在加工过程中自动更换刀具，从而大幅提高加工效率。
本章节将对数控机床自动换刀装置进行概述，包括其工作原理、主要类型以及发展趋势。
工作原理：自动换刀装置主要通过刀库和换刀机构两部分实现刀具的自动更换。
刀库负责存储多把刀具，而换刀机构则负责在需要时从刀库中选取合适的刀具，并将其安装到主轴上。
整个换刀过程由数控系统控制，确保换刀过程精确、快速。
主要类型：根据换刀方式和结构特点，自动换刀装置可以分为多种类型，如转塔式、盘式、链式等。
转塔式换刀装置通过旋转转塔来选取刀具，结构紧凑但刀具容量有限盘式换刀装置利用旋转刀盘进行刀具更换，刀具容量较大链式换刀装置则通过链条或传送带将刀具输送到指定位置，适用于大型数控机床。
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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 CollegeVol 2 7 No 1Jan . 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- 051 引言4、6、8、12 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。