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數(shù)控加工中心換刀系統(tǒng)故障分析

發(fā)布日期:2021-09-07 09:57:16  點擊次數(shù):1690

0 引言

  

換刀系統(tǒng)將機械手作為換刀機構(gòu)的工具,目的是為了提高刀具交換效率,雖然該項技術(shù)在數(shù)控加工中心應(yīng)用中取得了突出的成績,但也存在著亟待解決的問題,例如:換刀系統(tǒng)故障率較高,換刀精度和速度尚有提升空間。對換刀系統(tǒng)進行深入研究,具有突出的現(xiàn)實意義,應(yīng)當引起重視。

  

1、換刀系統(tǒng)相關(guān)概念

  

1.1 加工中心

  

數(shù)控加工中心代表著機械行業(yè)發(fā)展的主流方向。20 世紀70 年代,該項技術(shù)的引進為各行各業(yè)的發(fā)展提供了支持。國內(nèi)現(xiàn)有加工中心,無論從數(shù)量還是質(zhì)量上來說,均無法滿足行業(yè)需求。要想使加工效率得到保證,關(guān)鍵是優(yōu)化加工中心的換刀系統(tǒng),換刀系統(tǒng)成為研究的重點。

  

1.2 換刀系統(tǒng)

  

換刀系統(tǒng)具備交換、存儲刀具的功能。其中,負責對刀具進行交換的主體為換刀機構(gòu),具體流程如下:數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后,換刀機構(gòu)對主軸在用刀具進行抓回,再將目標刀具交換至主軸,為零件加工工序提供保證。此項工作對主軸、刀具位置均提出具體的要求,降低換刀系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率,成為機床制造行業(yè)需要解決的瓶頸問題。加工中心加工的零件工序較多,要想提高工件加工的可靠性,關(guān)鍵是根據(jù)不同工序所提出需求,進行刀具交換,因此換刀系統(tǒng)對加工中心的意義重大。從零件加工角度來說,換刀系統(tǒng)是否穩(wěn)定,直接影響換刀的效率。


現(xiàn)階段,較為常見的換刀方式為機械換刀,具體來說,就是用機械手對人換刀的動作進行模擬,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)為靈活、具有可操作性,這也是該項技術(shù)得到推廣的原因[1]。但是,受刀庫和主軸距離的影響,僅使用機械換刀,無法保證換刀效率,要想使該問題得到有效解決,需要利用 PLC 程序指令控制刀庫動

作,實現(xiàn)自動刀具交換。

  

2 、故障解決策略

  

2.1 故障診斷思路

  

換刀系統(tǒng)包括刀庫,即對工件進行加工時,不同刀具的具體位置受功能、容量影響,刀庫所呈現(xiàn)出形式有鼓式、盤式等。在對工件進行加工時,若需要對刀具進行交換,加工中心可選擇以系統(tǒng)參數(shù)為依據(jù),自動準備刀具到機械手并隨時等待更換刀具。刀庫卡刀是機床警報產(chǎn)生的主要原因之一。若機床系統(tǒng)無報警但ATC(Automatic Tools Change,自動換刀裝置)不移動,維護人員應(yīng)按照以下思路,對故障進行診斷:手動使電磁閥動作,使機械手在油壓的作用下處于松開狀態(tài),保證 ATC 能夠自由移動;若ATC 裝置無法做到自由移動,則應(yīng)先對 ATC 液壓回路進行檢查;在 MDI 方式下輸入換刀指令執(zhí)行換刀動作,若出現(xiàn) ATC 動作卡滯的現(xiàn)象,維修人員應(yīng)對電機進行檢查;若 ATC 裝置無法滿足動作的要求,表明電機存在故障。維護人員應(yīng)手動轉(zhuǎn)動電機軸,觀察傳動部件運轉(zhuǎn)是否流暢,因為傳動部件往往存在較為明顯的齒輪減速情況,如果是傳動部件故障,手動轉(zhuǎn)動可以找到故障點;若存在伺服故障且 ATC 不移動的情況,維護人員應(yīng)根據(jù)伺服單元 LED 指示狀態(tài)判斷故障,若 LED 燈被點亮,則應(yīng)對保險絲、I/O 板進行檢查;若 LED 燈未被點亮,維修人員應(yīng)對輸入電源電纜和電機伺服驅(qū)動模塊進行檢查,再判斷電氣器件是否有故障存在。

  

2.2 ATC 液壓油缸機械故障

  

自動換刀的常見故障,有超時報警和機械手反應(yīng)不及時等故障。換刀超時報警信息為“動作并未在規(guī)定時間完成”,需要對PMC 到位信號開關(guān)進行檢查,如 X1.3(機械手滑板左移到位)及X1.4(機械手滑板右移到位)相應(yīng)動作到位信號變化為 1;對機械手進行手動操作,機械手均能給予相應(yīng)反應(yīng),表明轉(zhuǎn)動機構(gòu)無異常現(xiàn)象;維護人員對其進行深入的排查,發(fā)現(xiàn)刀套到位(X1.0所對應(yīng)信號變化為 1)動作正常,但動作緩慢;判斷機械手滿足正常轉(zhuǎn)動的要求。要想使機械手完成抓刀動作,其前提是保證刀套位置正確,維護人員決定對刀套動作進行仔細排查,發(fā)現(xiàn)位于刀庫側(cè)的預(yù)選刀套,向主軸側(cè)進行移動的時間,明顯比其他類似機床時間長??刂频稁煲苿拥臋C構(gòu)為液壓油缸,需對其進行分解進一步排查故障。將油缸拆下分解并檢查發(fā)現(xiàn)缸壁和活塞間存在較大配合間隙,導(dǎo)致出現(xiàn)漏油故障,主要表現(xiàn)為活塞桿無法達到預(yù)定的運動速度,換刀動作完成過程緩慢,由此引發(fā)換刀超時故障報警。解決故障的方法是對液壓缸整套部件進行更換[2],試機調(diào)試機床正常投入使用。


2.3 機械手傳動機構(gòu)故障

  

加工中心執(zhí)行自動換刀指令過程中,機械手未及時做出反應(yīng),導(dǎo)致?lián)Q刀過程終止,報警信息是“機械手未回零點”,維護人員手動將其復(fù)位。第二次換刀警報信息是“循環(huán)超時”,查閱電氣診斷手冊可知,致使上述報警產(chǎn)生的主要原因是“機械手未回零點”。檢查機械手本身未在零位,零點位置信號開關(guān)檢測為 0,說

明零位信號檢測正確。導(dǎo)致故障出現(xiàn)的原因可能是刀庫機械傳動部位故障。機械手由電機驅(qū)動,中間機構(gòu)為多級齒輪或皮帶傳動。系統(tǒng)收到“換刀”指令后,ATC 的電機為機械手提供動力,完成換刀過程。維護人員將刀庫門打開,拆卸防護蓋板,排查機械手傳動機構(gòu),發(fā)現(xiàn)故障的原因一個是小齒輪脫落,另一個是電機軸斷裂。即系統(tǒng)接到換刀指令,機軸斷裂的電機,無法將動力進行傳遞,缺少動力的機械手自然會發(fā)出警報。更換電機后,維護人員發(fā)現(xiàn)機械手傳動機構(gòu)齒輪嚙合不順暢,這一現(xiàn)象增加了電機阻力,隨著換刀動作過程的次數(shù)越來越頻繁,出現(xiàn)機軸斷裂的情況,在對齒輪間隙進行調(diào)整后,傳動機構(gòu)的故障得到了徹底解決。


2.4 故障分析流程

  

換刀系統(tǒng)由機械手、刀庫構(gòu)成,經(jīng)由 PLC 與 CNC 對信息進行傳遞,以此來達到對刀具傳送、機械手位移進行精準控制的目的。分析故障及解決策略可知,要想縮短故障解決時間,歸納出故障分析流程、制作標準作業(yè)指導(dǎo)書如下:

  

第一步,按下故障恢復(fù)按鍵,警報仍存在,則需要按下復(fù)位按鍵,將警報消除;第二步,判斷主軸、換刀位刀套、機械手 AB爪是否有刀具存在,若有刀具存在,對刀臂給刀具移動所帶來阻礙進行判斷,如果有阻礙存在,則表明刀庫卡刀的時間應(yīng)是交換過程中,只需對刀具進行移除;若無刀具存在,只需將機械手手動返回換刀等待位,或執(zhí)行單步指令讓機械手自動返回等待位;第三步,MDI 方式下進行自動還刀操作,使機械手返回換刀等待位,刀具還回刀庫;另外,還可按下松刀按鈕,先將刀具移除,再對其位置進行手動恢復(fù);第四步,若刀庫亂刀,維護人員應(yīng)對刀庫進行回零、重新裝刀,并對每把刀具、刀套位進行檢查確認;若從刀庫移除全部刀具的過程中,執(zhí)行卸刀操作,需要將刀具換到裝刀位逐個移除[3]。使換刀故障從根本上得以排除。


3 、優(yōu)化換刀過程

  

加工中心由數(shù)控系統(tǒng)、機械設(shè)施及換刀裝置組成,可以實現(xiàn)對工件進行高效加工。參數(shù)、類別不同的機床,通常對應(yīng)不同的加工中心,設(shè)計人員可選擇根據(jù)用戶所提出的需求,修改機床功能與部件,但是,類別相同的機床,所存在差別相對細微。例如以表現(xiàn)出的形態(tài)為依據(jù),可將加工中心分為多個不同種類,如臥式加工中心、立式加工中心。構(gòu)成加工中心的元素,除了自動換刀系統(tǒng),還有主軸系統(tǒng)、基礎(chǔ)附件、冷卻系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)等。由電機、傳動機構(gòu)構(gòu)成的主軸系統(tǒng),對加工效率與零件質(zhì)量起決定性作用?;A(chǔ)部件由立柱和床身構(gòu)成,其價值主要體現(xiàn)在對工作負荷的承載,這也決定其對剛度具有較高要求。另外,數(shù)控系統(tǒng)包括 PLC、CNC、伺服系統(tǒng)和電機,從控制角度來說,數(shù)控系統(tǒng)是機床的運動控制核心,完成機床各軸位置精度控制的工作,控制零件加工軌跡,同樣應(yīng)當引起重視。機床其他輔助系統(tǒng)的功能,主要是冷卻、排屑、潤滑和檢測,目的是為工件加工質(zhì)量提供保證,使加工中心具備良好的可靠性與穩(wěn)定性[4]。

  

現(xiàn)階段,加工中心的使用壽命已延長至 15 年,但是,不間斷、高強度的使用,加劇了機械部件磨損的程度,無論是加工精度,還是后續(xù)的裝夾精度,均會受到不同程度的影響,若換刀系統(tǒng)出現(xiàn)精度降低的情況,極易導(dǎo)致刀具裝卸位置出現(xiàn)偏差,由此而引發(fā)的問題,主要體現(xiàn)在以下 3 個方面:①刀具隨加工時間增長有一定磨損,零件加工精度隨之下降,則刀具需要定期進行更換;②主軸錐孔磨損,零件的加工精度無法得到保證,且修復(fù)主軸精度難度較大,對維修技能水平要求高;③刀具種類、數(shù)量與刀具傳送效果成正比關(guān)系,這也是導(dǎo)致傳送位置出現(xiàn)偏差的主要原因。


以 PID 為代表的控制策略,其優(yōu)勢可歸納為可靠、便于計算,上述優(yōu)勢的存在,使得其在多個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,事實證明,PID 控制策略能夠使位移偏差獲得補償,電機轉(zhuǎn)動精度自然得到提高。該策略的不足,則體現(xiàn)在不具備在線控制換刀系統(tǒng)功能,如果系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)變更,PID 參數(shù)往往無法實時做出反應(yīng),控制效果相應(yīng)會受到影響。要想使換刀過程得到優(yōu)化,降低出現(xiàn)故障的概率,關(guān)鍵是對模糊控制法加以使用,以參數(shù)可自動調(diào)節(jié)PID 為基礎(chǔ),使位移偏差量得到補償,達到自動校正參數(shù)的目的,增加換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  

4、 結(jié)束語

 

換刀系統(tǒng)是加工中心不可或缺的構(gòu)成部分,其運行效率直接影響到加工的精度與效率。研究表明,無法完成自動換刀的過程的原因往往與電氣、機械、液壓和氣壓綜合相關(guān),只有對換刀原理及過程進行深入了解,才能做到及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在故障,為提升各機械行業(yè)的加工效率提供支持。



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