0 引言

換刀系統(tǒng)將機(jī)械手作為換刀機(jī)構(gòu)的工具，目的是為了提高刀具交換效率，雖然該項(xiàng)技術(shù)在數(shù)控加工中心應(yīng)用中取得了突出的成績(jī)，但也存在著亟待解決的問(wèn)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(duì)換刀系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，具有突出的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)當(dāng)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(jī)械行業(yè)發(fā)展的主流方向。20 世紀(jì)70 年代，該項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)為各行各業(yè)的發(fā)展提供了支持。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有加工中心，無(wú)論從數(shù)量還是質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，均無(wú)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(diǎn)。

1.2 換刀系統(tǒng)

換刀系統(tǒng)具備交換、存儲(chǔ)刀具的功能。其中，負(fù)責(zé)對(duì)刀具進(jìn)行交換的主體為換刀機(jī)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(jī)構(gòu)對(duì)主軸在用刀具進(jìn)行抓回，再將目標(biāo)刀具交換至主軸，為零件加工工序提供保證。此項(xiàng)工作對(duì)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(jī)床制造行業(yè)需要解決的瓶頸問(wèn)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(jìn)行刀具交換，因此換刀系統(tǒng)對(duì)加工中心的意義重大。從零件加工角度來(lái)說(shuō)，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(jiàn)的換刀方式為機(jī)械換刀，具體來(lái)說(shuō)，就是用機(jī)械手對(duì)人換刀的動(dòng)作進(jìn)行模擬，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為靈活、具有可操作性，這也是該項(xiàng)技術(shù)得到推廣的原因[1]。但是，受刀庫(kù)和主軸距離的影響，僅使用機(jī)械換刀，無(wú)法保證換刀效率，要想使該問(wèn)題得到有效解決，需要利用 PLC 程序指令控制刀庫(kù)動(dòng)

作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(kù)，即對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，不同刀具的具體位置受功能、容量影響，刀庫(kù)所呈現(xiàn)出形式有鼓式、盤(pán)式等。在對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，若需要對(duì)刀具進(jìn)行交換，加工中心可選擇以系統(tǒng)參數(shù)為依據(jù)，自動(dòng)準(zhǔn)備刀具到機(jī)械手并隨時(shí)等待更換刀具。刀庫(kù)卡刀是機(jī)床警報(bào)產(chǎn)生的主要原因之一。若機(jī)床系統(tǒng)無(wú)報(bào)警但ATC（Automatic Tools Change，自動(dòng)換刀裝置）不移動(dòng)，維護(hù)人員應(yīng)按照以下思路，對(duì)故障進(jìn)行診斷：手動(dòng)使電磁閥動(dòng)作，使機(jī)械手在油壓的作用下處于松開(kāi)狀態(tài)，保證 ATC 能夠自由移動(dòng)；若ATC 裝置無(wú)法做到自由移動(dòng)，則應(yīng)先對(duì) ATC 液壓回路進(jìn)行檢查；在 MDI 方式下輸入換刀指令執(zhí)行換刀動(dòng)作，若出現(xiàn) ATC 動(dòng)作卡滯的現(xiàn)象，維修人員應(yīng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢查；若 ATC 裝置無(wú)法滿足動(dòng)作的要求，表明電機(jī)存在故障。維護(hù)人員應(yīng)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，觀察傳動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)是否流暢，因?yàn)閭鲃?dòng)部件往往存在較為明顯的齒輪減速情況，如果是傳動(dòng)部件故障，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)可以找到故障點(diǎn)；若存在伺服故障且 ATC 不移動(dòng)的情況，維護(hù)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(diǎn)亮，則應(yīng)對(duì)保險(xiǎn)絲、I/O 板進(jìn)行檢查；若 LED 燈未被點(diǎn)亮，維修人員應(yīng)對(duì)輸入電源電纜和電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)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(jī)械故障

自動(dòng)換刀的常見(jiàn)故障，有超時(shí)報(bào)警和機(jī)械手反應(yīng)不及時(shí)等故障。換刀超時(shí)報(bào)警信息為“動(dòng)作并未在規(guī)定時(shí)間完成”，需要對(duì)PMC 到位信號(hào)開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，如 X1.3（機(jī)械手滑板左移到位）及X1.4（機(jī)械手滑板右移到位）相應(yīng)動(dòng)作到位信號(hào)變化為 1；對(duì)機(jī)械手進(jìn)行手動(dòng)操作，機(jī)械手均能給予相應(yīng)反應(yīng)，表明轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)異?，F(xiàn)象；維護(hù)人員對(duì)其進(jìn)行深入的排查，發(fā)現(xiàn)刀套到位（X1.0所對(duì)應(yīng)信號(hào)變化為 1）動(dòng)作正常，但動(dòng)作緩慢；判斷機(jī)械手滿足正常轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。要想使機(jī)械手完成抓刀動(dòng)作，其前提是保證刀套位置正確，維護(hù)人員決定對(duì)刀套動(dòng)作進(jìn)行仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)位于刀庫(kù)側(cè)的預(yù)選刀套，向主軸側(cè)進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)間，明顯比其他類(lèi)似機(jī)床時(shí)間長(zhǎng)?？刂频稁?kù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)為液壓油缸，需對(duì)其進(jìn)行分解進(jìn)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(wú)法達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動(dòng)速度，換刀動(dòng)作完成過(guò)程緩慢，由此引發(fā)換刀超時(shí)故障報(bào)警。解決故障的方法是對(duì)液壓缸整套部件進(jìn)行更換[2]，試機(jī)調(diào)試機(jī)床正常投入使用。

2.3 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障

加工中心執(zhí)行自動(dòng)換刀指令過(guò)程中，機(jī)械手未及時(shí)做出反應(yīng)，導(dǎo)致?lián)Q刀過(guò)程終止，報(bào)警信息是“機(jī)械手未回零點(diǎn)”，維護(hù)人員手動(dòng)將其復(fù)位。第二次換刀警報(bào)信息是“循環(huán)超時(shí)”，查閱電氣診斷手冊(cè)可知，致使上述報(bào)警產(chǎn)生的主要原因是“機(jī)械手未回零點(diǎn)”。檢查機(jī)械手本身未在零位，零點(diǎn)位置信號(hào)開(kāi)關(guān)檢測(cè)為 0，說(shuō)

明零位信號(hào)檢測(cè)正確。導(dǎo)致故障出現(xiàn)的原因可能是刀庫(kù)機(jī)械傳動(dòng)部位故障。機(jī)械手由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間機(jī)構(gòu)為多級(jí)齒輪或皮帶傳動(dòng)。系統(tǒng)收到“換刀”指令后，ATC 的電機(jī)為機(jī)械手提供動(dòng)力，完成換刀過(guò)程。維護(hù)人員將刀庫(kù)門(mén)打開(kāi)，拆卸防護(hù)蓋板，排查機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)故障的原因一個(gè)是小齒輪脫落，另一個(gè)是電機(jī)軸斷裂。即系統(tǒng)接到換刀指令，機(jī)軸斷裂的電機(jī)，無(wú)法將動(dòng)力進(jìn)行傳遞，缺少動(dòng)力的機(jī)械手自然會(huì)發(fā)出警報(bào)。更換電機(jī)后，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合不順暢，這一現(xiàn)象增加了電機(jī)阻力，隨著換刀動(dòng)作過(guò)程的次數(shù)越來(lái)越頻繁，出現(xiàn)機(jī)軸斷裂的情況，在對(duì)齒輪間隙進(jìn)行調(diào)整后，傳動(dòng)機(jī)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(jī)械手、刀庫(kù)構(gòu)成，經(jīng)由 PLC 與 CNC 對(duì)信息進(jìn)行傳遞，以此來(lái)達(dá)到對(duì)刀具傳送、機(jī)械手位移進(jìn)行精準(zhǔn)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(shí)間，歸納出故障分析流程、制作標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)如下：

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

3 、優(yōu)化換刀過(guò)程

加工中心由數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)施及換刀裝置組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行高效加工。參數(shù)、類(lèi)別不同的機(jī)床，通常對(duì)應(yīng)不同的加工中心，設(shè)計(jì)人員可選擇根據(jù)用戶所提出的需求，修改機(jī)床功能與部件，但是，類(lèi)別相同的機(jī)床，所存在差別相對(duì)細(xì)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(gè)不同種類(lèi)，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(dòng)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(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的主軸系統(tǒng)，對(duì)加工效率與零件質(zhì)量起決定性作用。基礎(chǔ)部件由立柱和床身構(gòu)成，其價(jià)值主要體現(xiàn)在對(duì)工作負(fù)荷的承載，這也決定其對(duì)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(jī)，從控制角度來(lái)說(shuō)，數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制核心，完成機(jī)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(dāng)引起重視。機(jī)床其他輔助系統(tǒng)的功能，主要是冷卻、排屑、潤(rùn)滑和檢測(cè)，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(zhǎng)至 15 年，但是，不間斷、高強(qiáng)度的使用，加劇了機(jī)械部件磨損的程度，無(wú)論是加工精度，還是后續(xù)的裝夾精度，均會(huì)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(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下 3 個(gè)方面：①刀具隨加工時(shí)間增長(zhǎng)有一定磨損，零件加工精度隨之下降，則刀具需要定期進(jìn)行更換；②主軸錐孔磨損，零件的加工精度無(wú)法得到保證，且修復(fù)主軸精度難度較大，對(duì)維修技能水平要求高；③刀具種類(lèi)、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(shì)可歸納為可靠、便于計(jì)算，上述優(yōu)勢(shì)的存在，使得其在多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，事實(shí)證明，PID 控制策略能夠使位移偏差獲得補(bǔ)償，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(wú)法實(shí)時(shí)做出反應(yīng)，控制效果相應(yīng)會(huì)受到影響。要想使換刀過(guò)程得到優(yōu)化，降低出現(xiàn)故障的概率，關(guān)鍵是對(duì)模糊控制法加以使用，以參數(shù)可自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 為基礎(chǔ)，使位移偏差量得到補(bǔ)償，達(dá)到自動(dòng)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(yǔ)

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