轉塔刀架故障分析與診斷

天水星火機床有限責任公司 馬立貴

一、引言

轉塔刀架是數控車床的核心部件，換刀過程的好壞關系到機床加工和運行的可靠性，直接影響到數控車床的使用效率。就目前而言，轉塔刀架種類繁多，更新快，從早期的液壓、霍爾元件控制，發展到至今的編碼器電動控制、伺服控制。控制方式雖然存在差異，但工作過程大致相同，基本控制原理為：數控系統發出選刀指令→PLC邏輯分析處理→刀架松開→刀位抬起轉位選刀指令與目標刀位比較→符合到位應答→反轉定位鎖緊→換刀完成。

二、故障的原理分析與診斷

數控車床采用SIEMENS或FANUC數控系統；配置（4-8）工位德國SAUTER、意大利DUPLOMATIC或沈陽SLD170A04N轉塔刀架。

1.某一刀位不到位

在刀架運轉過程中，4工位刀架有3個刀位換刀正常，只有其中一個刀位不能正常換刀，表現為刀架在此刀位不能到位。

沈陽數控轉塔刀架采用霍爾元件控制，霍爾元件信號采集范圍寬是導致此故障的主要原因，在刀架換刀過程中數控系統發出選刀指令，PLC邏輯分析刀架鎖緊信號松開，此時刀架可以運轉，當刀位接近所選刀位之時鎖緊信號先接通，鎖緊信號接通即可切斷刀架運轉指令，就會導致某一刀位不到位現象出現。此情況只需將轉塔刀架刀蓋打開，將刀架霍爾元件電氣信號電路板松開輕輕移動少許位置，讓刀位信號在鎖緊信號之前檢測即可解決此問題。

2.刀架無動作

刀架無論是手動/自動狀態均無動作，故障一般發生在電氣或機械部分，是刀架較容易處理的故障現象之一。遇到這種情況，首先檢查刀架電機及電機電源線有沒有問題，由于到位鎖緊開關與PLC存在互鎖的邏輯關系，此時也需要檢查鎖緊開關的輸出狀態是否正常。

確認電氣部分無誤后，仍不能排除，此時可考慮機械部分原因。按使用說明書操作步驟拆開端蓋試轉刀盤，如果轉不動那將是機械部位卡住了，找出問題原因調整也就好了。

3.刀架旋轉不停

刀架無論是在手動/自動換刀過程中均旋轉不停，故障一般為電氣故障。拿德國SAUTER刀架來說，在刀架旋轉過程中牽扯預分度信號、鎖緊信號，在刀架開始運轉時預分度電磁鐵接通激活預分度信號為1，正轉檢測到刀位信號后，制動電磁鐵置位，預分度電磁鐵和信號為0，此時反轉插定位銷，而在刀架運轉過程中如果PLC程序無誤，電磁鐵所用直流24V電流如果缺失，則會導致刀架旋轉不停。

4.目標刀位位置檢測故障

選刀指令與目標刀位不一致產生的位置檢測故障，是數控刀架常見的一種故障，其現象表現為：轉塔刀架一直旋轉不停且不到位或換刀后不能再次換刀。

刀架的每個工位都有相關的到位檢測信號，通過選刀指令與之通訊比較，如果NC或PLC沒有檢測到信號或接收錯誤的檢測信號，換刀過程將失敗。圖一是一臺典型的數控車床轉塔刀架接口控制原理圖，當數控系統NC發出選刀指令時，經PLC邏輯轉換與編碼器S1目標刀位比較，符合后編碼器時序控制位Strobe（bit5）發出刀架定位啟動信號，見時序控制信號波形。編碼器采用二進制碼，NO.1-4為目標刀位輸出、parity位6為同位檢測，負責刀架定位完成時刀位檢查，同時檢測奇偶信號位，有雙重確認功能。表一為1-8工位真值表。通過以上原理分析看出，影響位置檢測故障，常有以下幾種因素：①控制系統信號傳遞故障。此時NC系統常有故障報警提示，可對照制造廠家產品設計說明自定義報警或數控系統診斷手冊提示，也可以通過PLC輸出狀態指示判斷故障部位，檢查各接口連接是否良好、觸點是否有松動，信號線有沒有斷線。②編碼器信號輸出狀態是否正常、連接有沒有松動、竄位。此情況需要更換或重新調整編碼器。

5.定位檢測故障

圖一 （左圖）為接口控制原理圖（右圖）為時序控制信號波形

圖二 刀架定位檢測工作原理圖

圖三 系統通訊連機（Link）輸入/輸出信號狀態顯示

數控轉塔刀架選刀結束后，刀架電機反轉經定位檢測鎖緊，換刀完成。圖二為刀架定位檢測工作原理圖。圖中Y1為定位電磁鐵，S2為接近開關。工作過程：當strobe（bit5）見圖一發出定位啟動信號時，經PLC邏輯控制，定位電磁鐵Y1得電，定位銷被推入定位孔中，接近開關S2信號為0，指示燈熄滅，同時給PLC發出定位檢測到達信號。反之信號為1，指示燈亮，PLC處于等待狀態（此時系統會認為定位銷一直沒有打入定位孔，電機不會反轉)。定位檢測故障往往會照成刀盤轉到刀位后，刀架無法鎖緊。此時也可以檢查接近開關S2輸出狀態是否正常，感應距離是否合適（一般在0.3-0.5mm之間），表面是否附著污物（接近開關無反饋信號，無論定位銷打入定位孔與否，系統都因捕捉不到信號而認為定位銷一直在定位孔內，從而使電機處于靜止或原位振動狀態）、電磁鐵是否得電、編碼器strobe輸出狀態是否正常、以及定位銷是否有質量問題，如：彎曲或頂不到位，以及彈簧彈性等機械方面故障原因。

6.刀架與工件碰撞引起的機械故障

刀架在運轉過程中，由于意外因素與工件碰撞，會使刀盤輕微轉位，刀尖與工件軸心偏離，定位銷因變形不能順暢彈出。此時，由于扭矩的作用力，當選刀指令發出后，刀位會有微動，常伴有“嗡嗡”聲響。此時刀架電機處于賭轉狀態，保護開關跳閘等情況發生。遇到上述情況，需要拆下定位銷后面的電磁鐵（圖二所示），摘除定位銷上面的彈簧，檢查或更換定位銷，同時對刀盤重新進行調整。許多應用廠家由于對刀架的機械結構和工作原理缺乏了解，對該故障的處理顯示出束手無策。

7.伺服控制器故障

意大利DUPLOMATIC四工位轉塔刀架，伺服電機驅動，齒輪降速，配有獨立伺服控制系統。特點是轉位速度快、穩定性能好、效率高，但系統控制器較為復雜，故障的診斷需要具備一定的基礎知識和專業應用能力。

（1)故障現象：刀架旋轉不到位，有過位現象（大約15°角)，數控系統顯示用戶自定義報警70002刀架要求回原點。按下刀架回零鍵，報警未消除，系統有顯示70005、70006過壓、過流報警，刀架無法正常運行。

（2)檢測

1）刀架到位檢測信號：鎖緊、原點位均有+24V輸出，檢測正常。

2）編碼器、PLC信號→刀架伺服控制系統確認連接正常。

3）伺服電機檢測：U、V、W繞組值為4-5Ω（正常值)。

4）+24V電源正常。

5）調用PLC程序觀察邏輯狀態，做輔助診斷分析。報警自定義指定狀態位：70002（I10.2）、70005（I10.5）、70006（I10.6）均有報警輸出。

6）供電監測不同時段供電監測表明，電壓在396-416V之間，負載工況對電網電壓波動影響較大。

7）借助轉塔刀架系統軟件SWM 265F100，通過計算機與伺服控制器通訊檢測診斷。

①用筆記本電腦裝載SWM265F100軟件程序，指定端口地址并通過BUF 810轉換器與RS232C接口連接至伺服控制系統，設定參數位（波特率Baud Rate:9600、Date Bits:8、Stop Bits:1）。

②系統通訊連機（Link）輸入/輸出信號狀態顯示如圖三（僅列出相關狀態位）：

③狀態顯示表明：選刀在2號工位，奇偶校驗、刀架鎖緊位均有信號輸出，同時檢測到電機有過熱，有輸出狀態報警提示。與檢測結果一致。

④系統運行RUN，軟件出現報警：Alarms 32。

報警定義：刀盤載荷慣性超出極限。影響這一因素的原因描述為與刀架控制器內的元件、連接及相關設置值的狀態有關。

⑤診斷結論及處理：依據報警定義，結合輸入/輸出信號狀態的進一步確認：控制器內部系統板出現故障，采取更換措施，故障現象消失PLC報警消除，刀架恢復正常。

實例看出：借助系統軟件的輔助診斷，也是快速判斷并排除故障源的行之有效方法。通過該案例的供電監測表明：電網電壓偏高波動較大，現場工況復雜的前提下，未加穩壓電源裝置，進一步分析認為：伺服控制器的損壞與現場工況負荷及電壓波動有關。條件具備時對數控機床增加穩壓電源裝置也許會避免上述情況的發生。

三、結束語

系統掌握和了解數控系統的基本性能、邏輯控制關系、刀架的工作原理和控制過程，以及它們之間的信號傳遞聯系，是準確、快速診斷并排除數控轉塔刀架故障的重要因素。

[1]西門子802D sl簡明調試指南.西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團,2008,1.

[2]發那科簡明聯機調試指南[S].北京發那科技術部,2005,2.

[3]王愛玲,等.數控機床故障診斷與維修[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]葉蓓華.數字控制技術[M].北京:清華大學出版社,2002.