數(shù)控車床電動(dòng)刀架故障的深度剖析

謝祥強(qiáng)，湛年遠(yuǎn)

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007）

0 引言

電動(dòng)刀架是數(shù)控車床非常重要的部件，一旦出現(xiàn)故障將使整臺(tái)數(shù)控機(jī)床不能正常工作，甚至?xí)霈F(xiàn)機(jī)床或人身傷害事故。數(shù)控車床用戶在使用中會(huì)碰到故障，大部分用戶是不能正確地診斷并排除故障，在沒有掌握電動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)與工作原理情況下對刀架進(jìn)行拆卸極容易造成故障的擴(kuò)大化，甚至?xí)斐刹豢尚迯?fù)的故障。現(xiàn)以HNC-21TD系統(tǒng)及LDB4系列刀架為例，深度剖析電動(dòng)刀架故障的診斷與排除方法。

1 數(shù)控車床電動(dòng)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 電動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)控車床電動(dòng)刀架的工作原理

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過蝸桿、蝸輪、螺桿上的離合盤聯(lián)動(dòng)銷轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，在彈簧的推力下離合銷進(jìn)入離合盤的槽中，在螺桿的傳動(dòng)作用下，刀架銷盤上升一定高度，端齒與反靠盤分離，然后離合盤帶動(dòng)離合銷，再帶動(dòng)刀架銷盤，銷盤帶動(dòng)上刀架體轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)上刀架體轉(zhuǎn)到指令的刀位時(shí)，霍爾元件發(fā)出到位信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷進(jìn)入反靠盤的槽中，離合銷從離合器盤中的槽中爬出，完成粗定位，同時(shí)刀架銷盤下降與端齒嚙合完成精定位，刀架鎖緊后電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成換刀過程。

1.2 數(shù)控車床電動(dòng)刀架常見機(jī)械故障診斷與排除

1）離合盤聯(lián)動(dòng)銷斷

這種故障主要是在換刀過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈撞刀所致。故障現(xiàn)象是上刀架體不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，被切斷的離合盤聯(lián)動(dòng)銷一段留在離合中，另一段留在螺桿中，要仔細(xì)看才會(huì)發(fā)現(xiàn)。處理方法是拆開刀架，把被切斷的銷拿出來，找廠家買兩個(gè)安裝上就解決了，還可根據(jù)銷孔的尺寸，自己配作兩個(gè)銷也行。

2）離合銷與反靠銷之間的彈簧彈力不足

刀架的頻繁換刀，日久之后，彈簧的彈力不足，使離合銷不能靠緊離合盤，致使換刀不能順利換刀。處理方法是將刀架拆下，換上相同規(guī)格的彈簧即可。

2 數(shù)控機(jī)床電動(dòng)刀架電氣控制

刀架的電氣控制原理圖分為三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路及刀位信號(hào)檢測電路兩部分。刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時(shí)，由PLC的Y0.6輸出電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號(hào)，使中間繼電器KA1得電，常開觸頭閉合；接觸器KM1得電，主觸頭閉合，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)檢測到目標(biāo)刀號(hào)時(shí)，停止正轉(zhuǎn)，并由PLC的Y0.7輸出反轉(zhuǎn)信號(hào)，中間繼電器KA2得電，常開觸頭閉合，接觸器KM2得電，主觸頭閉合，刀架反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的時(shí)間由數(shù)控系統(tǒng)的刀架控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定(約1500ms左右)。當(dāng)?shù)都芊崔D(zhuǎn)時(shí)間到，刀架被鎖緊，換刀過程結(jié)束。電路中的KA1與KA2，KM1與KM2實(shí)現(xiàn)了電氣互鎖 ，避免刀架電動(dòng)機(jī)在正、反轉(zhuǎn)切換過程中產(chǎn)生短路。

圖2 刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路原理圖

圖3 刀號(hào)檢測電路原理圖

2.1 數(shù)控車床電動(dòng)刀架電氣控制故障診斷與排除

1）刀架電動(dòng)機(jī)主電路電源相序接錯(cuò)的故障診斷與排除

故障現(xiàn)象是，發(fā)出換刀指令時(shí)，中間繼電器KA1與接觸器KM1動(dòng)作，但是上刀架體不轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)換刀超時(shí)報(bào)警信息，連續(xù)換刀操作幾次后，刀架電動(dòng)機(jī)的外殼發(fā)熱。故障的特點(diǎn)是數(shù)控PLC能發(fā)出刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)(Y0.6接通)，控制KM1動(dòng)作，而數(shù)控系統(tǒng)未檢測到目標(biāo)刀號(hào)，PLC不發(fā)出刀架反轉(zhuǎn)的信號(hào)(Y0.6未接通)，接觸器KM2不動(dòng)作。故障原因是刀架的三相交流異步電動(dòng)機(jī)相序接錯(cuò)。根據(jù)電動(dòng)刀架換刀的原理，先是刀架正轉(zhuǎn)選刀，等刀架到位后，動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊刀架。因電源相序的接錯(cuò)，換刀開始時(shí)應(yīng)正轉(zhuǎn)的電機(jī)，變成了反轉(zhuǎn)，刀架被鎖得更緊了，看不到刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。新購買的數(shù)控車床初次上電、機(jī)床搬遷重新接電及電源變壓器供電相序改變等均可能發(fā)生此類故障。排除方法是將刀架電動(dòng)機(jī)主電路的三條相線任意對換兩條即可。

2）刀架電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)熱繼器故障診斷與排除

刀架電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)熱繼器在電機(jī)被卡死或電源相序接錯(cuò)時(shí)可能會(huì)發(fā)生動(dòng)作而不能自動(dòng)復(fù)位，使電機(jī)斷電。故障現(xiàn)象是系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時(shí)，繼電器KA1與接觸器KM1動(dòng)作，但是電動(dòng)刀架不轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)換刀超時(shí)報(bào)警信息，刀架電動(dòng)機(jī)外殼不發(fā)熱。故障的診斷方法是在接觸器KM1動(dòng)作時(shí)測量刀架電機(jī)是否得電。故障原因是熱繼電器不復(fù)位或損壞。故障排除方法是對熱繼電器進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位或更換熱繼電器。

3）中間繼電器故障的診斷與排除

數(shù)控機(jī)床控制刀架用的中間繼電器是24V的直流繼電器。加工過程要頻繁地?fù)Q刀，時(shí)間長了，繼電器觸頭會(huì)產(chǎn)生磨損或變形，造成接觸不良。故障現(xiàn)象是中間繼電器的線圈得電，指示燈LED也亮，但刀架電動(dòng)機(jī)不得電。故障診斷方法是在的線圈得電時(shí)測量動(dòng)合觸頭是否接通。故障排除方法是換另一對動(dòng)合觸頭或更換中間繼電器。

2.2 刀位號(hào)檢測電路故障的診斷與排除

LDB4系列刀架的刀位號(hào)檢測傳感器使用霍爾元件。將4個(gè)霍爾元件封裝在一個(gè)環(huán)形的塑料盤中，稱為刀架發(fā)信盤。如圖1所示，發(fā)信盤安裝在刀架底座的中軸上，永久磁鋼是安裝在磁鋼座中，換刀時(shí)隨刀架一起轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架發(fā)信盤內(nèi)部將4個(gè)霍爾元件的1腳(+24V)連在一起，把3腳(GND0也連在一起，然后將電源線+24V、GND、T1、T2、T3及T4引到接線端子。對應(yīng)標(biāo)上＋、－、1、2、3及4，引出線顏色對應(yīng)為紅、黃、白、橙、藍(lán)及綠。工作原理是：接通電源后，當(dāng)永久磁鋼靠近霍爾元件時(shí)，霍爾元件的輸出端（2號(hào)腳）輸出為低電平0V；當(dāng)永久磁鋼離開霍爾元件時(shí)，霍爾元件的輸出端（2號(hào)腳）輸出為高電平24V；數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)指令的刀號(hào)與四個(gè)霍爾元件輸出的低電平是否相同來判斷電動(dòng)刀架是否到位。下面剖析常見故障的診斷與排除方法。

1）不管換哪一號(hào)刀，系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時(shí)報(bào)警才停止，找不到相應(yīng)的刀號(hào)，刀架無反轉(zhuǎn)鎖緊動(dòng)作。

故障原因是發(fā)信盤中的4個(gè)霍爾元件均沒有信號(hào)到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)。故障診斷方法：第一步檢查發(fā)信盤的24V電源是否接通或極性是否接反，極性接反很容易燒壞霍爾元件。如果電源正確，第二步檢查永久磁鋼與霍爾元件的相對位置是否合適，過高、過低或水平距離太大也不能產(chǎn)生信號(hào)。第三步檢查磁鋼的磁性及極性。磁性太小也不能產(chǎn)生信號(hào)，用螺絲柸靠近磁鋼試一下，吸力大磁性就好。磁鋼的極性接反也不能產(chǎn)生信號(hào)，將磁鋼正對霍爾元件的一面換成另一面進(jìn)行試驗(yàn)。故障排除方法是，經(jīng)過第一到第三步的檢查還不能排除故障的話，確定是4 個(gè)霍爾元件燒壞了，應(yīng)更換同型號(hào)的發(fā)信盤，要正確接線。

2）數(shù)控系統(tǒng)顯示的刀號(hào)與刀架上實(shí)際刀號(hào)不對應(yīng)。

故障原因是發(fā)信盤中T1，T2，T3，T4的輸出線錯(cuò)亂造成的，比如將T1與T2的輸出線錯(cuò)誤連接，則會(huì)造成系統(tǒng)換2號(hào)刀時(shí)，刀架會(huì)停在1號(hào)刀的位置，系統(tǒng)換1號(hào)刀時(shí)，刀架會(huì)停在2號(hào)的位置。故障診斷方法是檢查刀架實(shí)際的刀號(hào)與系統(tǒng)中PLC的X輸入的刀號(hào)是否一至。故障排除方法是重新按發(fā)信盤說明正確接線。

3）只有換某一號(hào)刀（如2號(hào)刀）時(shí)，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時(shí)報(bào)警才停止，而換其它刀正常。

故障原因是發(fā)信盤中的某個(gè)（如2號(hào)刀）霍爾元件沒有發(fā)出信號(hào)。故障診斷方法是將發(fā)信盤中2號(hào)刀與1號(hào)刀（前提是換1號(hào)刀是正常的）的連接線對調(diào)進(jìn)行測試，如果系統(tǒng)換2號(hào)刀時(shí)，刀架準(zhǔn)確停在1號(hào)的位置，而換1號(hào)刀時(shí)，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時(shí)報(bào)警才停止，則說明發(fā)信盤中2號(hào)霍爾元件損壞；對調(diào)后如果系統(tǒng)換1號(hào)刀時(shí)，刀架準(zhǔn)確停在2號(hào)的位置，而換2號(hào)刀時(shí)，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時(shí)報(bào)警才停止，則說明2號(hào)霍爾元件到數(shù)控系統(tǒng)的連線斷開或數(shù)控系統(tǒng)的接口損壞。故障排除方法是接通2號(hào)霍爾元件到系統(tǒng)的連線。

查看數(shù)控系統(tǒng)PLC的刀位，可通過面板的故障診斷→PLC→輸入輸出狀態(tài)進(jìn)行觀察與診斷。HNC-21T系統(tǒng)中，T1、T2、T3、T4對應(yīng)的PLC輸入分別為：X3.2、X3.3、X3.4、X3.5，當(dāng)某一號(hào)刀到位時(shí)（如T1到位），則對應(yīng)的PLC輸入（如X3.2）會(huì)顯示紅色點(diǎn)或“1”，其余刀號(hào)對應(yīng)的輸入不顯示紅色點(diǎn)或顯示為“0”。

3 數(shù)控車床電動(dòng)刀架控制參數(shù)故障診斷與排除

數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)是數(shù)控機(jī)床非常重要的組成部分，參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)造成機(jī)床不能發(fā)揮最大的性能甚至不能正常工作。數(shù)控車床電動(dòng)刀架主要的參數(shù)有：

1）工位數(shù)，一般為4工位。

2）換刀時(shí)間（ms）：是指換刀必須在本參數(shù)設(shè)置的時(shí)間內(nèi)完成，否則會(huì)出現(xiàn)換刀超時(shí)報(bào)警。本參數(shù)的設(shè)置一般是在刀架正常轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈所用時(shí)間。

3）刀架反轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間（ms）：是指當(dāng)系統(tǒng)檢測到目標(biāo)刀號(hào)到刀架開始反轉(zhuǎn)的時(shí)間。本參數(shù)設(shè)置不能過大，否則會(huì)使刀架反轉(zhuǎn)的角度過大。

4）刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間（ms）：是指刀架從反轉(zhuǎn)開始到反轉(zhuǎn)停止的時(shí)間。本參數(shù)的設(shè)置要合適，過小會(huì)使刀架鎖不緊，過大會(huì)容易燒壞刀架電動(dòng)機(jī)，要與刀架反轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間配合設(shè)置。

案例：故障現(xiàn)象是刀架正轉(zhuǎn)選刀、反轉(zhuǎn)鎖緊動(dòng)作正常，但是刀架鎖不緊，用手去搖刀架感覺明顯的松動(dòng)。故障的原因是刀架反轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間過大，刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間過短。故障方法應(yīng)適應(yīng)地減小刀架反轉(zhuǎn)延時(shí)間，同時(shí)適當(dāng)增大刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間。

參數(shù)文獻(xiàn)：

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