自動(dòng)換刀系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一次裝夾后多道工序的加工，而加工中心的故障大多與自動(dòng)換刀系統(tǒng)有關(guān)。對(duì)此，文章分析了自動(dòng)換刀系統(tǒng)的原理和功能，確定了自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障診斷與維修思路，分別分析和診斷了自動(dòng)換刀裝置和自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，據(jù)此給出了維修建議，旨在為實(shí)際維修操作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：刀庫(kù)式加工中心；自動(dòng)換刀系統(tǒng)；故障診斷；故障維修

1、自動(dòng)換刀系統(tǒng)的發(fā)展背景

要進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，應(yīng)在盡量減少工序和安裝次數(shù)的前提下完成多道工序的加工。在同一次裝夾后，自動(dòng)換刀系統(tǒng)能連續(xù)完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔及銑削等多道工序，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，美國(guó)率先開(kāi)發(fā)了具備自動(dòng)換刀功能的多工序數(shù)控機(jī)床，由于其集成了多種加工方法，因此很快成為機(jī)床設(shè)備研究的熱點(diǎn)。德國(guó)、日本等公司也在存儲(chǔ)刀具的刀庫(kù)及更換刀具的機(jī)械手等方面不斷推陳出新，進(jìn)一步推動(dòng)了自動(dòng)換刀系統(tǒng)的發(fā)展  。

國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的研發(fā)起步稍晚，但發(fā)展速度較快，目前對(duì)換刀系統(tǒng)及裝置的研究已成體系。近幾年，對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的研究方向逐漸向換刀速度、可靠性的進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)變。加工中心 50% 以上的故障都和自動(dòng)換刀系統(tǒng)有關(guān)，因此建立清晰的故障診斷思路，提供可參考的維修依據(jù)，對(duì)于設(shè)備研究和改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2、自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成

加工中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀依靠的是自動(dòng)換刀系統(tǒng)，其主要包括自動(dòng)換刀裝置和控制系統(tǒng)兩大部分。

2.1 自動(dòng)換刀裝置

常見(jiàn)的自動(dòng)換刀裝置有磚塔式和刀庫(kù)式兩種，其中刀庫(kù)式自動(dòng)換刀裝置主要包括刀庫(kù)和交換裝置兩大部分，在加工中心應(yīng)用較為廣泛  。刀庫(kù)用于存儲(chǔ)刀具，并在給定指令后將指定的刀具傳送到待更換位置，換刀完成后再將換下的刀具存儲(chǔ)在刀庫(kù)內(nèi)，常用的刀庫(kù)形式有鼓磐式、鏈?zhǔn)胶凸潭ㄐ透褡雍惺降?。刀具交換裝置用于刀庫(kù)和主軸制件裝卸和傳遞刀具，可分為無(wú)機(jī)械手換刀和有機(jī)械手換刀。無(wú)機(jī)械手換刀利用刀庫(kù)和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀，換刀時(shí)機(jī)床不工作，加工效率較低，且存儲(chǔ)刀具數(shù)量有限。典型的機(jī)械手換刀利用液壓缸完成沿主軸軸線上的插刀和拔刀動(dòng)作，通過(guò)液壓電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)送刀及旋轉(zhuǎn)換刀。開(kāi)始換刀時(shí)，機(jī)械手與刀庫(kù)軸線平行，從刀庫(kù)中抓出待換刀具，然后擺動(dòng)至與主軸軸線平行的位置并向前移動(dòng)，從主軸中拔出原有刀具，隨后后退并沿自身軸線旋轉(zhuǎn) 180°，使兩把刀交換位置，再次前移將新刀插入主軸，主軸將刀具鎖住后刀爪縮回，再次擺動(dòng)到刀庫(kù)位置將刀具放回，最后恢復(fù)到初始位置。機(jī)械手換刀的靈活性較強(qiáng)，且換刀速度快，因此應(yīng)用最為廣泛。

2.2 自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)

自動(dòng)換刀主要通過(guò) PLC 實(shí)現(xiàn)控制。在接收到程序后，PLC 根據(jù)各控制及檢測(cè)元件反饋的狀態(tài)信息，控制刀庫(kù)、交換裝置及液壓系統(tǒng)等完成相應(yīng)的動(dòng)作  ?；谧詣?dòng)換刀系統(tǒng)的分析可知，在故障診斷過(guò)程中，首先應(yīng)分析自動(dòng)換刀系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)邏輯和執(zhí)行邏輯，最終確定維修方法。文章以采用刀庫(kù)和機(jī)械手換刀的加工中心為例，闡述幾種典型的故障診斷及維修方法。

3、自動(dòng)換刀裝置故障

3.1 刀庫(kù)故障

（1）刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)故障。刀庫(kù)一般由電機(jī)實(shí)施驅(qū)動(dòng)，如鏈?zhǔn)降稁?kù)、電機(jī)帶動(dòng)鏈輪、鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 。當(dāng)?shù)稁?kù)出現(xiàn)無(wú)法旋轉(zhuǎn)傳送刀具時(shí)，可從機(jī)械和電氣兩方面判斷。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面需要從電機(jī)開(kāi)始逐個(gè)排除傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，如檢查聯(lián)結(jié)器是否松動(dòng)等，并根據(jù)檢查結(jié)果維修或更換。電氣方面需要檢查電信號(hào)是否能有效并穩(wěn)定地輸入，如檢查繼電器等裝置是否正常運(yùn)行，如果存在異常則需要更換相應(yīng)元件；如果刀庫(kù)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，而動(dòng)作不到位，則可以排除電信號(hào)輸入問(wèn)題，常見(jiàn)的故障原因有電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角存在問(wèn)題或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差超出偏差等。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差，需要定期檢查刀庫(kù)的傳動(dòng)，包括重復(fù)定位精度、雙向來(lái)回?fù)Q刀精度等；當(dāng)傳動(dòng)精度超出偏差時(shí)，需要及時(shí)檢修 。此外，也可利用監(jiān)測(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中零件的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)精度 。

（2）刀庫(kù)夾緊故障。自動(dòng)換刀系統(tǒng)的刀柄上裝有拉釘，刀庫(kù)中的導(dǎo)套利用彈性元件和鋼球形成鎖緊機(jī)構(gòu)，從而夾緊刀具。若刀套無(wú)法夾緊刀具導(dǎo)致松刀或掉刀，一般需要檢查導(dǎo)套內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，如檢查彈性元件是否太松等。此外，如果刀具重量過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致鎖緊力無(wú)法夾緊刀具的問(wèn)題 。

3.2 換刀機(jī)械手故障

（1）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)故障。對(duì)于機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度過(guò)快或過(guò)慢的問(wèn)題，一般需要檢查氣動(dòng)系統(tǒng)的壓力和流速。此外，如果在換刀動(dòng)作未全部完成時(shí)按下復(fù)位或急停按鈕，則需要手動(dòng)將機(jī)械手搖回，并將導(dǎo)套返回刀庫(kù)進(jìn)行復(fù)位，但如果刀具已交換，為了防止亂刀，需要核對(duì)主軸刀具與系統(tǒng)顯示刀具是否一致，如不一致，則需手動(dòng)更換。

（2）機(jī)械手更換刀具故障。當(dāng)機(jī)械手無(wú)法夾緊或松開(kāi)刀具時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀失敗。當(dāng)無(wú)法夾緊刀具時(shí)，一般需要考慮氣動(dòng)系統(tǒng)是否壓力不足或存在泄漏，并檢查刀具松開(kāi)彈簧上的螺母是否松動(dòng)。相反地，若松鎖刀彈簧壓合過(guò)緊，將導(dǎo)致機(jī)械手無(wú)法松開(kāi)刀具。還有另一種情況，機(jī)械手能正常夾緊和松開(kāi)刀具，但在換刀過(guò)程中依然出現(xiàn)掉刀現(xiàn)象，則需要考慮換刀點(diǎn)是否出現(xiàn)漂移，導(dǎo)致機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)不到位時(shí)就開(kāi)始拔刀，使刀具和機(jī)械手的相對(duì)位置發(fā)生偏差，從而無(wú)法夾緊刀具，此時(shí)需要更新?lián)Q刀點(diǎn)。

（3）機(jī)械手傳送刀具故障。機(jī)械手在傳送刀具的過(guò)程中無(wú)法夾緊刀具或出現(xiàn)掉刀，其原理和換刀時(shí)無(wú)法夾緊刀具類似，也需要排查氣動(dòng)系統(tǒng)和鎖緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)還需要考慮刀具是否超重。

3.3 主軸松刀故障

主軸在機(jī)械手抓取刀具時(shí)不松刀，可能的原因有兩類。一類是傳遞給主軸的信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題，即主軸并未接收到松刀信號(hào)。此時(shí)，需要檢查松刀感應(yīng)開(kāi)關(guān)及信號(hào)是否正常，且松刀開(kāi)關(guān)一般采用液動(dòng)電磁閥進(jìn)行控制，因此需要檢查電磁閥及液壓回路是否正常，排除漏液等原因，或更換相應(yīng)的零件。另一類是主軸內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)失效，如彈簧卡頭、頂桿變形等，此類問(wèn)題較為直觀，且易于修理。

4、自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)故障

4.1 換刀點(diǎn)漂移

機(jī)械手的自動(dòng)換刀動(dòng)作需要在機(jī)床的換刀點(diǎn)執(zhí)行。換刀點(diǎn)即機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)，該點(diǎn)應(yīng)與電氣原點(diǎn)相重合。當(dāng)電氣原點(diǎn)偏離機(jī)械原點(diǎn)時(shí)，機(jī)械手無(wú)法捕捉到機(jī)械原點(diǎn)就開(kāi)始換刀，即出現(xiàn)換刀點(diǎn)飄移。當(dāng)偏移量較小時(shí)，換刀過(guò)程雖能進(jìn)行，但會(huì)伴隨較大的振動(dòng)和噪聲；換刀點(diǎn)偏移較大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法拔刀或掉刀的情況。機(jī)床捕捉電氣原點(diǎn)主要依靠限位開(kāi)關(guān)和撞塊，即當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，撞塊壓下限位開(kāi)關(guān)，信號(hào)返回，從而識(shí)別為電氣原點(diǎn)。因此，當(dāng)出現(xiàn)換刀點(diǎn)漂移時(shí)，需要檢查撞塊是否松動(dòng)，限位開(kāi)關(guān)是否正常運(yùn)行等。如果是傳動(dòng)系統(tǒng)誤差導(dǎo)致?lián)Q刀點(diǎn)漂移，也可以手動(dòng)返回參考點(diǎn)，手輪操作至限位開(kāi)關(guān)有信號(hào)，記錄新的坐標(biāo)值并更新?lián)Q刀點(diǎn)坐標(biāo)。

4.2 刀庫(kù)亂刀

刀庫(kù)亂刀是指刀庫(kù)中實(shí)際存儲(chǔ)的刀具與系統(tǒng)中刀具號(hào)不相符的故障，該種故障原因可能是在換刀過(guò)程中發(fā)生了中斷等，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)刀具數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。此時(shí)，需要檢查刀具的實(shí)際存儲(chǔ)情況，并在數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)更改為實(shí)際數(shù)據(jù)。

4.3 換刀超時(shí)

在換刀過(guò)程中，提示換刀超時(shí)，即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成換刀。此時(shí)，需要檢查機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否正常，并核實(shí)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度是否過(guò)慢，若運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢，則按如前所述檢查動(dòng)力系統(tǒng)。此外，主軸松刀感應(yīng)開(kāi)關(guān)失靈、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)不到位等也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀超時(shí)，需要檢修相應(yīng)的元件。

5、結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵組成部分，其故障直接影響設(shè)備的使用效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)由自動(dòng)換刀裝置及其控制系統(tǒng)組成。文章分別探討了自動(dòng)換刀裝置和控制系統(tǒng)的常見(jiàn)故障及排除方法，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作原理及電氣元件的信號(hào)傳遞出發(fā)，依次檢查可能導(dǎo)致故障的環(huán)節(jié)。對(duì)于刀庫(kù)故障，通常需要檢查傳動(dòng)鏈的各機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣元件；對(duì)于刀庫(kù)和機(jī)械手夾緊或松開(kāi)故障、機(jī)械手掉刀等，需要檢查氣動(dòng)系統(tǒng)及鎖緊機(jī)構(gòu)；機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度不合理，通常是氣動(dòng)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的。自動(dòng)控制系統(tǒng)的故障通常與機(jī)

械故障相耦合，在排除機(jī)械故障后，可以在系統(tǒng)中更新數(shù)據(jù)，以消除換刀點(diǎn)漂移及亂刀等故障；換刀超時(shí)涉及的因素較多，需要檢查各環(huán)節(jié)。總之，機(jī)床的診斷與維修應(yīng)朝預(yù)防性維修方向發(fā)展，建立實(shí)時(shí)監(jiān)控的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)機(jī)床狀態(tài)，為故障診斷提供依據(jù)，從而進(jìn)一步提升機(jī)床的工作效率。