数控加工中心换刀系统故障分析

0简介

换刀系统使用机械手作为换刀机构的工具，以提高换刀效率。虽然该技术在数控加工中心的应用中取得了突出的成绩，但仍存在一些亟待解决的问题，如换刀系统故障率高，换刀精度和速度仍有提高的空间。深入研究换刀系统具有突出的现实意义，应该引起重视。

1.换刀系统的相关概念

1.1加工中心

数控加工中心代表了机械行业发展的主流方向。20世纪70年代，这项技术的引入为各行各业的发展提供了支持。国内现有的加工中心，无论是数量还是质量，都不能满足行业的需求。要保证加工效率，关键是要优化加工中心的换刀系统，而换刀系统已经成为研究的热点。

1.2换刀系统

换刀系统具有交换和储存刀具的功能。其中，负责换刀的主体是换刀机构，具体过程如下:数控系统发出换刀指令后，换刀机构将正在使用的刀具抓到主轴上，然后将目标刀具换到主轴上，为零件的加工过程提供保障。这项工作对主轴和刀具位置提出了具体要求，降低了换刀系统故障的概率，成为机床制造业亟待解决的瓶颈问题。有许多零件是在加工中心加工的。提高工件加工的可靠性，关键是要根据不同工艺的要求交换刀具。因此，换刀系统对加工中心具有重要意义。从零件加工的角度来看，换刀系统是否稳定直接影响换刀效率。

目前比较常见的换刀方式是机械换刀，具体来说就是用机械手模拟人类换刀的动作。其优势主要体现在灵活性和可操作性上，这也是这项技术得以普及的原因[1]。但由于刀库与主轴之间距离的影响，只有机械换刀并不能保证换刀效率。为了有效解决这一问题，需要通过PLC程序指令控制刀库，实现自动换刀。

2.故障排除策略

2.1故障诊断思路

换刀系统包括一个刀库，即在加工工件时，不同刀具的具体位置受其功能和容量的影响，刀库采用鼓形和圆盘形。加工工件时，如果需要换刀，加工中心可以根据系统参数选择自动将刀具准备到机械手，随时等待换刀。刀库卡刀是引起机床报警的主要原因之一。如果机床系统无报警，但ATC(自动换刀)不动，维修人员应按照以下思路诊断故障:使电磁阀手动操作，使机械手在油压作用下松开，保证ATC能自由移动；如果ATC装置不能自由移动，首先检查ATC的液压回路；在MDI模式下，输入换刀指令执行换刀动作。如果ATC动作被卡住，维护人员应检查电机。如果ATC装置不能满足运行要求，说明电机有故障。维修人员要手动转动电机轴，观察传动部分是否运转平稳，因为传动部分经常有明显的齿轮减速现象。如果传动部件有故障，可以通过手动旋转找到故障点。如果出现伺服故障，ATC不动，维修人员要根据伺服单元的LED指示状态来判断故障。如果LED亮起，应检查保险丝和I/O板。如果LED灯不亮，维修人员应检查输入电源电缆和电机伺服驱动模块，然后判断电气设备是否有故障。

2.2 ATC液压缸的机械故障

自动换刀常见故障有超时报警和机械手反应不及时。换刀超时报警信息为“动作未在规定时间内完成”，需要检查PMC到位信号开关。例如，对于X1.3(机械手滑板向左移动到位)和X1.4(机械手滑板向右移动到位)，对应的动作到位信号变为1；手动操作机械手时，机械手能给出相应的反应，说明转动机构没有异常现象。维修人员深入调查，发现刀套到位(X1.0对应的信号变为1)，动作正常，但较慢；判断机械手是否满足正常转动的要求。为了使机械手抓取刀具，前提是保证刀套位置正确。维修人员决定仔细检查刀套移动情况，发现刀库侧预选刀套移动到主轴侧的时间比其他同类机床长。控制刀库运动的机构是液压缸，需要分解才能进一步排除故障。拆开油缸，检查缸壁与活塞配合间隙大，导致漏油，主要是活塞杆达不到预定的运动速度，换刀动作慢，导致换刀超时故障报警。解决问题的方法是更换液压缸[2]的全套部件，调试机即可投入正常使用。

2.3机械臂传动机构故障

加工中心执行自动换刀指令时，机械手未能及时响应，导致换刀过程终止。报警信息为“机械手未回零”，维修人员手动复位。第二次换刀的报警信息是“循环超时”。根据电气诊断手册，出现上述报警的主要原因是机械手没有回零。检查机械手本身不在零位，零位信号开关检测为0，并说

亮零位信号的检测是正确的。故障原因可能是刀库的机械传动部分。机械手由电机驱动，中间机构为多级齿轮或皮带传动。系统收到“换刀”命令后，ATC的电机为机械手提供动力，完成换刀过程。维修人员打开刀库门，取下保护盖板，检查机械手的传动机构。发现故障原因一是小齿轮脱落，二是电机轴断裂。即当系统接收到换刀指令时，断轴的电机无法传递动力，缺电的机械手自然会报警。更换电机后，维修人员发现机械手传动机构齿轮啮合不畅，增加了电机的阻力。随着换刀频率的增加，机床轴发生了断裂。调整齿轮间隙后，传动机构故障彻底解决。

2.4故障分析流程

换刀系统由机械手和刀库组成，通过PLC和CNC传输信息，达到精确控制刀具传输和机械手位移的目的。根据对故障的分析和解决策略，为了缩短故障解决的时间，将故障分析流程和标准操作说明总结如下:

第一步，按下故障恢复按钮，如果报警仍然存在，需要按下复位按钮消除报警；其次，判断主轴、换刀套和机器人AB爪中是否有刀具；如果有刀具，判断刀具臂对刀具运动造成的障碍；如果有障碍，说明刀具卡在刀库的时间应该是在交换过程中，只需要取出刀具即可；如果没有刀具，只需手动使机械手返回换刀等待位置，或者执行单步指令使机械手自动返回等待位置；步骤3，在MDI模式下进行自动退刀操作，使机械手返回换刀等待位置，刀具返回刀库；此外，还可以先按下刀具释放按钮将刀具取出，再手动恢复其位置；第四步:如果刀库出现混乱，维修人员要将刀库复位重装，并对每把刀具和刀具组进行检查确认；如果在从刀库中取出所有刀具的过程中执行刀具卸载操作，则需要将刀具换到刀具装载位置并逐个取出[3]。从而从根本上消除换刀故障。

3.优化换刀流程。

加工中心由数控系统、机械设施和换刀装置组成，可以实现工件的高效加工。不同参数和类别的机床通常对应不同的加工中心。设计者可以根据用户提出的要求，选择修改机床的功能和部件。但是，同品类的机床之间的区别相对来说比较微妙。例如，根据显示的形状，加工中心可以分为许多不同的类型，如卧式加工中心和立式加工中心。除了自动换刀系统，组成加工中心的要素还包括主轴系统、基础附件、冷却系统和数控系统。由电机和传动机构组成的主轴系统对加工效率和零件质量起着决定性的作用。基础由柱和床组成，其价值主要体现在对工作荷载的承载上，这也决定了它对刚度有较高的要求。此外，数控系统还包括PLC、CNC、伺服系统和电机。从控制的角度来看，数控系统是机床运动控制的核心，完成机床各轴的位置精度控制，控制零件的加工轨迹。也是要注意的。机床其他辅助系统的功能主要是冷却、排屑、润滑和检测，目的是保证工件的加工质量，使加工中心具有良好的可靠性和稳定性[4]。

目前，加工中心的使用寿命已延长至15年。但不间断的高强度使用加剧了机械零件的磨损程度，无论是加工精度还是后续的夹紧精度都会受到不同程度的影响。如果换刀系统的精度降低，就容易导致上下刀位置的偏差。由此产生的问题主要体现在以下三个方面:①刀具会随着加工时间的增加而磨损，零件的加工精度会相应降低。②主轴锥孔磨损，零件加工精度无法保证，主轴精度修复困难，维修技能要求高；③刀具的种类和数量与刀具的输送效果成正比，这也是输送位置偏差的主要原因。

PID控制策略的优点可以概括为可靠和易于计算。上述优点的存在使其在很多行业得到广泛应用。事实证明，PID控制策略可以补偿位移偏差，自然提高电机旋转精度。这种策略的不足之处是不具备在线控制换刀系统的功能。如果系统参数发生变化，PID参数往往不能实时响应，控制效果也会受到相应影响。为了优化换刀过程，降低故障概率，关键是采用模糊控制方法。基于参数可自动调整的PID，可以补偿位移偏差，达到自动修正参数的目的，增加换刀系统的稳定性。

4.结束语

换刀系统是加工中心不可缺少的组成部分，其运行效率直接影响加工精度和效率。研究表明，自动换刀过程无法完成的原因往往与电气、机械、液压、气压有关。只有深刻理解换刀原理和过程，才能及时发现和解决潜在故障，为提高各种机械行业的加工效率提供支持。