經濟型數控車床自動換刀裝置的故障分析及排除

沈勝利，張 芬

SHEN Sheng-li, ZHANG Fen

（鄭州職業技術學院，鄭州 450121）

0 引言

自動換刀裝置是數控機床的重要組成部分，特別是在經濟型數控機床中，它起到了關鍵性的作用。因此，對數控機床中自動換刀裝置故障分析和排除技術的研究十分必要。減少故障，及時排除故障不僅有利于生產還有利于整個數控機床操作技術的進步與發展。

圖1 部件位置圖

1 自動換刀裝置與自動刀架

經濟型換刀裝置是經濟型數控機床中最重要的部分之一，而自動刀架則是自動換刀裝置的主要部件。統計資料顯示，目前使用最為廣泛的是四工位自動回轉刀架。它根據改造傳統的機床設備的需要并適合微機數控系統的需要而研究發明和生產。這種刀架兼顧刀架在機床上的獨立操作性與控制性。但是這種刀架只是在我國20世紀90年代使用較為廣泛。目前，我國使用的自動刀架的組成結構主要是插銷式和端齒盤式。

四位工體的自動回轉刀架是目前的一種較為簡單的自動換刀裝置，它的回轉刀架具有良好的強度和剛性，可以承受粗加工時的強切割力。但是，由于切割或者精加工時主要的受力部分在刀尖位置，因此數控機床的加工過程中刀尖的位置是不允許你被移動的，特別是人工的調整。因此，自動換刀裝置必須具有可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架每一次自動換刀之后刀尖的位置不會被移動，具有高精準度，一般在0.001—0.005mm在允許范圍之內。下面，我們舉一個實際的案例。

假設某機床的回轉刀架是用于加工類軸類零件的螺旋式的降式四位工體刀架。那么，它在換刀過程主要有四個步驟：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和刀架夾緊。其中的各個部件位置如圖1所示。

1.1 刀架抬起

在數控機床發出更換刀具的指令之后，如圖1所示首先是電動機開始啟動。然后，是通過平鍵套筒的聯軸器和使蝸桿軸轉動在帶動渦輪絲桿啟動。到家提的內孔一般都有螺紋能夠與螺桿機型連接，渦輪與絲桿作為整體機構。當渦輪開始轉動的時候，刀架底座和刀架體都處于嚙合狀態，且渦輪絲桿軸固定的，這時候刀架體便抬起，完成刀架抬起的工作。

1.2 刀架轉位

刀架體抬起到一定的位置時，端面的齒開始脫開，轉位套便用銷釘和蝸輪絲杠連接在一起。隨著蝸輪絲杠一起轉動，在端面齒完全脫開時，轉位套能夠轉動160°。此時，球頭銷在彈簧力作用下進入另一轉位套的槽中，從而帶動整個刀架體轉位，完成刀架轉為的工作。

1.3 刀架定位

刀架體轉動時會連同電刷座一起轉動，當轉到指定的刀號時，粗定位銷便會在彈簧力的作用下進入粗定位盤的槽中再次進行粗定位。同時，另一電刷會接觸導體使電動機反轉。由于粗定位槽的某些限制，刀架體不能夠轉動，并使其在該位置上垂直落下，此程序中的刀架體和刀架底座上的端面齒嚙合實現精確定位，從而實現刀架的定位工作。

1.4 刀架夾緊

當前三步都如期完成之后，電動機會繼續反轉。這時候蝸輪會停止轉動，蝸桿軸會出現自身的轉動，當兩端面齒增加到一定夾緊力時，電動機停止轉動。此時，刀架夾緊進入下一步的數控技術操作，實現數控機床自動換刀的整個過程。

2 典型故障案例剖析

在對軸類的加工中，數控機床的操作會在進行一根傳動軸的加工過程中完全顯現它對自動換刀裝置的要求。在加工傳動軸的時候，我們往往會發現產品的外圓的尺寸嚴重超標。比數控機床本身程序中的相應要求要超出很多，跟程序輸入的尺寸相比要小很多，但是這并未出動機床的報警系統，說明刀片并沒有出現重大的損傷。研究表明，造成這種現象主要由兩種原因：1）自動換刀裝置的操作滯后；2）自動換到裝置的操作過沖。

“滯后”與過沖現象出現的原因基本一樣，都是刀架旋轉體的位置和刀架座之間的距離相差太大，一般情況下直觀就能分辨出是否出現了滯后和過沖，如圖2所示。

圖2 滯后現象和過沖現象

此次我們采用實地調查法，走訪了幾個數控機床使用工廠，經現場檢查發現：當數控機床處于空機運作的時候，自動換刀裝置在運轉手動換刀的時候，空機運顯示屏上的右下角的刀具位置顯示的是“0”。這項實驗證明當控制系統的電位正常時，也會出現刀架的過沖和滯后現象。經過走訪調查，并且進行反復的試驗，結果依舊如此。經過實踐操作并結合專家意見，我們分析得出有以下四種的機械和電氣的原因造成產生故障可能性。

1）端面齒盤上不干凈有阻礙運作的雜物；2）霍爾開關位置的移動不科學，電機的信號超前或者滯后；3）定位端面上的齒輪出現松動，不能夠形成準確的定位環境；4）粗定位的銷遭到磨損，定位時出現歪斜以致于換刀時不能夠及時到位。但是，綜合分析得出，造成滯后現象和過沖現象可能性最大的是機械故障。

3 自動換刀裝置的故障研討

根據現有的研究經驗總結得出，走動換刀裝置的故障主要在這樣幾個方面可能造成故障。分別是：電路故障和機械故障（刀架本身故障）。

3.1 電路故障分析

在對電路故障的考察分析的時候，1）確認刀架換刀位置是否正確。如果刀架的位置再進行下一步操作，如果不正確就必須先矯正刀架的位置以免由于刀架的位置不正確而造成的電路檢測不準確。2）打開刀架的上蓋觀察刀架內部的開關的位置，一般來講，有4個霍爾開關分別在四個角落。3）裝上蓋子，試著運行機床，觀察機床的運行效果。如果還是有滯后和過沖現象的出現，那么故障便依然存在。證明開關的位置與故障無關。因此，電路原因造成滯后和過沖幾乎是不可能的。

3.2 機械的故障

要弄清楚是不是自動換刀裝置機械的原因必須對自動換刀裝置進行拆卸，自動換刀裝置的自動刀架采用的是內螺旋組成而成的螺旋傳動，在拆卸時必須有以下四種步驟和方法。

1）是由上至下的拆卸，打開刀架的上蓋罩。觀察霍爾開關是否是否出現松動或者位置是否有所改變。同時，做好相應的記錄。在相應的斷頭和線頭做上相應的記號以便確認是否出現故障。

2）是拆下軸上的螺母，取出相應的發信體進行放置。然后是從刀架的兩側將球頭銷取出。按照相應的操作規則將蝸桿的端頭插入，順時針進行旋轉。當刀架拖出時，再對端齒進行檢查。

3）是對端齒盤進行檢查。主要的檢查事項是：端齒盤上是否存在雜物；端齒盤是否出現了磨損；端齒盤的固定位置是否發生的改變。

4）是對自動換到裝置檢查結果的統計及確認。檢查發現，端齒盤出現了嚴重的磨損，位置發生了改變。因此，還造成了灰塵雜物的進入，從而造成了換刀裝置的滯后和過沖。

4 排除自動換刀裝置故障的措施探析

在實施排除自動換刀裝置的措施之前必須搞清故障的原因。在上述分析的基礎上，我們可以明確的知道造成故障的主要原因存在于自動換到裝置的機械上。因此，排除故障的主要步驟分別是：故障原因的分析、對癥下藥和修復后的精準度試行。

4.1 故障原因分析

在對故障原因進行分析和定位的時候，首先要做的是檢查定位銷，要確保定位銷的位置不被改變。然后是對小孔的測量，對小孔的測量一般會比測量其他定位銷的外徑尺寸的難度大一些。特別要注意在刀架抬起時各個機械的位置與距離。當刀架抬起時，銷的后端由于彈簧的作用力，銷的內控的長度會縮小，會有所彎曲，以致于刀架前會沖過一個齒。但是，當阻力大一些的時候，刀架落下就會之后一個齒。這就是造成刀架滯后和過沖現象的主要原因之一。

4.2 對癥下藥——治理機械故障

1）更換圓柱銷：圓柱銷的作用是定位。工作的時候圓柱銷需要在孔內要上下滑動，必須具備耐磨性，同時還要具備較高的強度和韌性。目前，一般選用65mm的材料來加工圓柱銷。UQ所采用的材料是基孔制間隙配合原料，即圓柱銷外圓尺寸加工，然后經過熱處理淬火使硬度達到HRC48—52的要求。然后再進行相應的裝配和后期處理。

2）檢測并修復蝸輪蝸桿機構：在對刀架的檢測和修復的過程中，渦輪桿機構的修復是重點和難點。不僅要小心的拆卸和組裝和要做好相應位置的精確定位。另外，在蝸輪蝸桿的修復后還要在齒面涂上紅丹粉以起到保護的作用。最后再拆下蝸桿和蝸輪，成蝸輪蝸桿機構的修復。

4.3 修復后的精準度檢測試行

自動刀架裝配完成后，進行了精度檢測，重點是檢測刀架的重復定位精度。主要分為三個步驟：

第一步：開車后手動換刀。實現四個到位的輪流換刀。第二步：重復對刀，記錄沒一把刀具體換刀的位置數據并進行對比，調整刀片的位置。第三步：設計車階梯軸程序，進行實行。如圖3所示。

圖3 試樣零件圖

在試刀之后，要對每個工位都裝上外圓刀，每個工件都要經仔細檢測后才能夠進行運作，并作仔細的記錄。所有的工序都必須達到工件精度達到圖紙要求。具體的檢測方法如下：外圓的檢測使用千分尺測量2個相互垂直的圓截面。主要分析圓度公差，標準的長度測量采用50mm的規格和千分表在車床上檢測，千分表吸附在中拖板E。現將實驗的試車中的3個工件精度檢測對照如表2和表3所示。基本的尺寸精度穩定，其圓度誤差0.001mm，重復定位精度0.001—0.002mm。

當故障排除了，恢復了自動刀架換刀的重復定位精度，維修成功。

表1 障時檢測情況

表2 復后試件檢測情況

5 結論

經濟型數控機床對自動換刀裝置的要求越來越高。數控機床需要控制力好、剛性好、換刀時間短、定位精準度高、安全性能高德刀架并要求能夠及時排除故障。雖然我們隊換刀裝置的過沖和滯后故障現象有了一定的研究，但是這還是不能夠及時滿足數控機床發展的需要，我們還必須作進一步的研究，研制出高精度、高效率和低故障的換刀裝置。

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