數控車床刀塔故障分析

劉少鋒

（西安航空動力控制公司 西安）

刀塔是數控車床的核心部件，也是機床的重要組成部分，換刀過程的好壞直接關系到機床的可靠運行，直接影響數控車床的使用效率。刀塔的種類繁多，從早期的液壓、霍爾元件刀塔，到現在的編碼器電動控制，伺服伺服控制刀塔?？刂七^程雖然存在差異，但是控制過程卻基本相同，基本控制原理為：數控系統發出選刀指令，PLC發出邏輯分析處理，刀架松開，刀位抬起旋轉，選刀指令與目標到位比較，符合到位應答，翻轉定位鎖緊，換刀完成。換刀步驟很多，而且邏輯控制的時序性也很強。

公司的簡易數控車床主要應用的是國產的LDB4系列4工位電動刀架，在長城CK7815和DMG的CTX310用的是意大利Duplomaic 12工位的刀塔（型號為BSV-N200），以這2種刀塔為例探討。

一、簡易數控車床CJK6140H的4工位刀架

1.工作原理

圖1 4工位電動刀架結構圖

刀架屬于4工位刀架，由電機、蝸輪和蝸桿結構、絲杠和螺母結構、霍爾元件定位系統等組成，結構原理圖見圖1?？刂葡到y發出刀架轉位信號，三相異步電機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起，上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上蓋圓盤也隨著螺桿正向轉動（上蓋圓盤通過圓柱銷與螺桿聯接），當轉過約270°時，上蓋圓盤直槽的另一端轉到圓柱銷的正上方，由于彈簧的作用，圓柱銷落入直槽內，于是上蓋圓盤就通過圓柱銷使得上刀體轉動起來（此時端面齒已完全脫開）。上蓋圓盤、圓柱銷以及上刀體在轉動過程中，反靠銷能夠從反靠圓盤中十字槽的左側斜坡滑出，而不影響上刀體尋找刀位時的正向轉動。上刀體帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發信盤上對應的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統收到后，立即控制刀架電機反轉，上蓋圓盤通過圓柱銷帶動上刀體開始反轉，反靠銷馬上就會落入反靠圓盤的十字槽內，至此，完成粗定位。此時，反靠銷從反靠圓盤的十字槽內爬不上來，于是上刀體停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤繼續反轉，其直槽的左側斜坡將圓柱銷的頭部壓入上刀體的銷孔內，之后，上蓋圓盤的下表面開始與圓柱銷的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現精定位，經過設定的延時時間后，刀架電機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩定地工作。

2.常見故障及診斷

在日常維修中在寶雞簡易車和濟南簡易車刀架中經常會遇到幾種問題。

（1）刀架不能啟動。機械方面原因，當用六方扳手插入刀架螺桿前端旋轉不易轉動，基本可以判斷刀架內部機械卡死。一般情況可手動用六方扳手強行旋轉一個角度，使刀架旋轉轉過死點，可恢復刀架的正常使用。如不能手動旋轉，那就要將刀架分解，檢查刀架內部。由于此類刀架在機床多年使用后，上蓋密封性變差，使冷卻液容易進入刀架內部，使刀架內部機械結構生銹磨損，刀架在旋轉時出現卡死現象。分解刀架檢查或更換磨損部位，清除刀架內積存冷卻液及油污，將各個部位調整到合適位置并增加密封，重新加入潤滑油。

電氣方面原因。刀架不旋轉時，電氣首先檢查刀架電機空氣開關是否斷開，如果斷開重新閉合空氣開關，啟動換刀指令，空開立刻斷開，是電路中有短路現象，此時就要檢查電機旋轉接觸器，電機線及刀架電機。還有一種情況就是在拆除過電機線后重新接上，發現刀架不旋轉，空開斷開，此時就要檢查電機相序是否接的正確。

（2）刀架連續旋轉到位不停。由于刀架能夠連續旋轉，所以，機械方面出現故障的可能性很小，主要從電氣方面檢查，此種情況首先考慮控制回路，在刀架旋轉過程中，可以通過PLC輸入信號X21.0，X21.1，X21.2,X21.3，這4個點即4個刀位到位信號是否有0到1或1到0的變化，就可以判斷霍爾元件是否好壞，如果某個點沒有變化，那就可以根據相應的點，判斷對應的霍爾元件損壞或此霍爾元件對應的信號線有短線。如果這4個PLC輸入點都沒有變化，那就要檢查24 V是否到發信盤。同時也要檢查發信盤是否有腐蝕現象，必要時更換發信盤。

（3）刀架不能鎖緊。發信盤位置沒有對正，拆開刀架的頂蓋，旋轉并調整發信盤的位置使刀架的霍爾元件對正磁鐵即可。系統反鎖時間不夠，調整系統反鎖時間參數。檢查機械鎖緊機構，定位銷是否折斷。

二、長城CK7815意大利BARUFFALDI TS200/12刀塔

公司的長城全功能數控車CK7815和德馬吉公司的數控車床CTX310，都是采用的意大利BARUFFALDI TS200/12電動刀塔，刀塔采用行星輪系傳動的減速機構，結構緊湊，傳動效率高。刀盤無需抬起實現轉位剎緊控制。這樣可以防止機床切屑過程中鐵屑、灰塵、切削液等影響精定位端齒盤，從而保證刀架的高定位精度，其外觀見圖2。刀塔可雙向回轉和任意刀位就近選刀，大大減少了刀塔轉位的輔助時間。

1.工作原理

圖2 TS200/12刀塔外觀圖

圖3 TS200/12刀塔換刀時序圖

CK7815數控車床上轉塔換刀過刀架換刀過程要4工位電動刀架換刀過程復雜得多，各部分的動作都有嚴格的時序關系，圖3是CK7815電動刀塔換刀時序圖，當PLC應用程序接收到數控系統發出的換刀指令后，首先根據當前的刀具位置確定出就近旋轉到目標刀具的方向，刀架制動松開，啟動電機按判定的方向轉動，同時檢測刀位編碼器發出的實際刀位信號和選通信號。當選通信號由1變為0，即選通信號下降沿出現，PLC程序控制預分度電磁鐵通電動作，這時PLC程序監控分度開關的上升沿，直到分度插銷插入機械停止槽。分度開關信號的上升沿出現，電機立即停止轉動，經延時后控制電機向相反方向轉動。這時刀塔進入鎖緊過程，一旦鎖緊開關由0變為1，即鎖緊開關信號的上升沿出現，電機停止轉動，經延時刀塔制動，預分度電磁鐵斷電釋放。為了說明得更清楚明了一些，用圖4流程圖說明整個換刀過程。

圖4 換刀過程

2.常見故障及診斷

（1）刀塔未鎖緊報警。這個報警在工作中經常會遇到，對這類報警一般先要判斷，刀塔是否真的沒有鎖緊，這時可以用手使勁轉動刀塔，看是否能夠刀塔有晃動的現象，如果已經鎖緊，檢查PLC刀塔鎖緊信號X6.6，看是否為1，如不為1，則檢查刀塔鎖緊開關是否損壞或斷線，還有就是檢查鎖緊開關位置是不是調整合適。

當刀塔確實沒有鎖緊或選刀時不停時，就要檢查預分度開關，可在PLC界面查看X5.7在預分度電磁鐵動作時，是否有0和1的變化，如果沒有變化，就要檢查預分度開關的好壞，在實際維修過程中，可能會遇見很多種情況，在一次維修時，曾發現預分度開關信號在換刀時從0到1有，但是在由1到0時，有時正常有時不正常。調整開關位置及檢查預分度電磁鐵等都沒發現問題，在預分度電磁鐵下的2個彈簧長度有些不一樣，試著更換了2個相同長短的彈簧后，故障消除。還有一次，刀架換刀后常無法鎖緊或出現換刀超時報警。經過檢查，發現是固定彈簧的銷子松動，重新固定后，故障現象消除。另有一次，發現刀架塔機在反方向轉動時能機械鎖緊，僅正轉時不能鎖緊。檢查后發現，插銷在反轉時不能插入機械停止槽內。仔細檢查后，發現插銷打磨得很厲害。插銷一插入就滑出來，根本無法正常插入機械停止槽內。取下插銷處理后，故障消除。

影響刀架分度定位的主要部件是刀具位置編碼器、分度開關、預分度電磁鐵、插銷，其中任何一個環節存在問題，都將影響到刀架的預定位。在不拆卸轉塔刀架的情況下，手動控制電機的轉動、制動，通斷預分度電磁鐵24 V直流電源，觀察電機、制動器、電磁鐵、刀具位置編碼器、及插銷的工作情況及信號變化，快速對故障原因做出判斷。

（2）換刀過程中出現空氣開關跳閘現象。出現這種情況，主要是短路和過載，一般情況是在換刀指令執行后，換刀接觸器吸合瞬間跳閘，就要檢查刀塔電機和電源線是否有短路現象，如果是接觸器工作一段時間后再跳閘，那可能是電機缺相或機械上有卡死現象。

（3）換刀中出現亂刀現象。出現該故障的一般是編碼器故障或編碼器短線，需檢查編碼器。

在維修過程中，可能同一故障原因有不同的表現形式，也有可能同一表現形式由不同的原因造成，這就是對維修人員的考驗，只要理解其工作原理，不管是那種刀塔，在實際維修中，都可以對其故障做到快速準確判斷。