數控機床刀架故障診斷方法探討

朱東霞，蔡啟培

（山西職業技術學院，山西 太原 030006）

數控機床刀架故障診斷方法探討

朱東霞，蔡啟培

（山西職業技術學院，山西 太原 030006）

研究數控機床在使用過程中電動刀架經常出現的機械和電氣故障，對數控機床刀架的結構與工作原理進行闡述，分析了刀架常見故障現象及原因，并提出相應的解決方案。

數控機床；刀架；發信盤

引言

隨著數控技術的日益發展，數控機床在機械加工行業的使用更加廣泛，然而數控機床的大量使用及數控機床維護工作和設備管理不到位，機床故障的維修工作就成了數控機床使用者最為關注的問題。根據數控機床的構成、工作原理和特點劃分，數控機床常見的故障現象包括：數控系統故障、進給伺服系統故障、機械故障等。在所有故障現象中，刀架故障占有相當大的比例，且具有典范性，在故障的排除過程中，不僅涉及到機械故障，而且要結合電氣和系統參數等方面的知識，本文重在分析刀架的常見故障及常見刀架故障的排除方法。

1　刀架工作原理

數控機床電動刀架常見的有四工位或六工位刀架，主要包括電動機、機械換刀結構，其中機械換刀結構由刀體、活動銷、蝸輪蝸桿機構、霍爾元件、發信盤、磁鋼、發信盤等組成［1］。電動刀架的機械結構圖1所示：

圖1　數控機床刀架示意圖和結構圖

刀架換刀的控制分為：松開、換刀、定位、鎖緊四個步驟。當程序運行到換刀指令或者按下換刀鍵時（如正轉），控制系統發出換刀信號，由此控制特定的刀架正轉繼電器閉合，同時刀架正轉接觸器動作，三相異步電機正向旋轉。當電動機旋轉時，蝸桿副帶動螺桿轉動，上刀體逐漸抬起，上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開，松刀動作完成。當螺桿帶動上刀架上升至一定高度時，離合銷進入離合盤的槽中，進而實現上刀架體的轉位。當上刀體轉到系統所設定的刀位時，刀架對應刀位上的霍爾元件（用永磁鐵做的感應器）發出刀位信號，電動機反轉，進而刀架完成粗定位。在刀架鎖緊過程中，刀架不能動作，絲杠帶著壓板向下運動將刀架鎖緊，刀架反轉時間到，延時繼電器斷開，切斷電源，電動機停止轉動。向微機發出回答信號，換刀完畢。在鎖緊的過程中，電動機的反轉時間是系統參數設定的，不能過長也不能太短，太短刀架不能鎖緊，太長電動機容易燒壞。刀架的控制電路中使用中間繼電器加接觸器的控制方式。中間繼電器用于繼電保護與自動控制系統中，以增加觸點的數量及容量，在控制電路中傳遞中間信號。中間繼電器的結構和原理與交流接觸器基本相同，與接觸器不同之處在于：接觸器的主觸頭可以通過大電流，而中間繼電器的觸頭只能通過小電流。所以，中間繼電器只能用于控制電路。而接觸器兼可高頻率操作，作為電源的開啟與切斷控制，最高操作頻率可達每小時1 200次。接觸器的使用壽命很高，機械壽命通常為數百萬次至一千萬次，電壽命一般則為數十萬次至數百萬次［2］。

2　電動刀架發信盤的工作原理

電動刀架發信盤上1.2.3.4號刀號上正常電壓是24 V。電動刀架發信盤固定在刀架內部中心固定軸上，根據刀架工位數設有四個或六個霍爾元件，四工位發信盤裝有六個接線端子，其中兩個端子為直流電源端，其余四個端子按照順序接四個刀位所對應的霍爾元件的控制端， 霍爾元件與固定在刀架上的磁鋼共同作用來檢測刀具的位置，根據霍爾傳感器的輸出信號來識別和感知刀具的位置狀態。當程序發出指令T020 2，更換2號刀具時，刀架電動機驅動刀架旋轉，當刀架上的磁鋼到達發信盤的2號位置時，霍爾元件發出開關信號傳送給CNC系統刀架位置控制接口，確定刀具已到達確定位置并鎖住刀架。

3　刀架常見故障分析

1）面板按鍵損壞失效，按下按鍵后無換刀信號導致沒有換刀動作；2）控制回路線路虛接或導線失效，造成繼電器不得電，沒有換刀動作；3）控制回路中繼電器或接觸器損壞，無法正常工作或連接線路不正確，造成接觸器不得電，沒有換刀動作；4）刀架電動機驅動電源順序接反或刀架電機正反轉信號接反，造成刀架換刀方向反向，沒有換刀動作；5）刀架電機驅動電源缺相，造成刀架電機無法正常工作，沒有換刀動作；6）刀架機械部件損壞，造成傳動系統卡死導致沒有換刀動作［3］。

由于數控機床結構復雜、裝配精密，維修人員在故障檢測中應盡量避免隨意地啟封、拆卸，先在機床斷電的靜止狀態情況下，通過了解、觀察測試、由外向內逐一進行排查，而對破壞性故障，必須先排除安全隱患后，方可通電。一般來說，機械故障較易發覺，而數控系統故障的診斷則難度較大些。在故障檢修之前，首先注意排除機械性的故障，往往可達到事半功倍的效果。數控機床刀架的故障檢測步驟包括以下方面：

1）首先排除程序錯誤。可以采用排除法，選擇程序鍵，在MDI方式下，輸入一段換刀程序T01 01的刀具指令，按循環啟動。依次輸入T0202、T0303、T0404。2）檢查與某一刀位對應的通信線路，對于通信線路的檢查可以采用換接線方法，將故障刀位的接線連到正常刀位的接線柱上進行測試，以此判斷是線路問題還是發信盤的問題。發信盤的內部結構并不復雜，對于簡單故障可以根據情況自行維修，但是找出發信盤中的故障點和如何更換元件也是一項關鍵問題。3）觀察刀架上的磁鋼位置是否正確，刀架上每一個刀位都配備一個霍爾元件，固定在刀架上的磁鋼與霍爾元件共同作用來檢測刀具換刀是否到位，再將刀架位置狀態發送到PLC數字輸入，確定刀架到位。4）檢查發信盤是否存在短路故障或斷路故障，使用指針式萬用表的電阻檔。首先，將發信盤接入小于2 4 V的直流穩壓電流源，紅表筆接發信盤的負極（標志位“-”），黑表筆接發信盤上四個霍爾器件輸出接線柱上的任意一個點，將磁鐵貼近該霍爾傳感器外側，觀察指針偏轉情況，若指針不偏轉則可判斷該霍爾器件斷路損壞，若四個位置都不偏轉可能是短路故障或者是電路中電阻、穩壓二極管出現故障。發信盤短路故障需要檢查電阻和穩壓二極管是否損壞，對于斷路故障只要更換霍爾器件就可以了。5）電路故障。電動機采用三相異步電動機驅動，采用的電氣控制方法為中間繼電器加接觸器的控制方式，進而實現刀架的正轉和反轉。由于電氣原因引起的故障較為復雜，需根據電路圖逐一進行排查，如檢查繼電器的工作狀態、檢查接觸器的工作狀態、檢查空氣開關的輸出電壓、檢查接觸器輸入端的電壓、檢查刀架電機輸入端的電壓等。6）數控車床換刀時間過長報警處理，首先排除機床刀架機械問題和系統穩定性的問題，如果系統重新起動后，故障依然出現，就應該檢查參數里換刀時間選項。如：從刀架開始正轉計時，經過某一時間后指定的刀架到達信號是否接收到，如未接收到則產生報警。因此可適當延長Ta的值，但延長后仍然會產生報警，則需檢查換刀過程中刀架到位信號問題［4］。

4　結語

數控機床刀架故障很多，不僅包括電氣故障，機械故障也是刀架故障的重要一部分，如機械卡死、刀架軸被撞彎曲、異物卡死等現象。我們應該綜合各方面原因和情況，從機械和電氣兩個方面逐一排除、靈活分析。在日常生產中，要進行設備的正確維護，并在出現故障時迅速診斷，確定故障部位，排除故障，保證生產的正常使用。

［1］周宏甫.數控技術［M］.廣州：華南理工大學出版社，2005.

［2］馬西秦.自動檢測技術［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］黃衛.數控機床與故障診斷技術［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［4］葛金印，許忠美.數控設備管理和維護技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2008.

（編輯：王紅霖）Discussion on Fault Diagnosis Method of NC Machine Tool Rest

Zhu Dongxia，Cai Qipei
（Shanxi Polytechic College，Taiyuan Shanxi 030006）

This paper analyzes the numerical control machine tool in the use process of electric turret often mechanical and electrical failure， carries on the elaboration to the structure and working principle of CNC machine tool， analyzes the turret common fault phenomenon and reason， and puts forward the corresponding solutions.

CNC machine tool； transmitting disk

TG519.1

A

2095-0748（2016）15-0054-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.23

2016-06-29

朱東霞（1983—），女，內蒙古烏蘭察布人，碩士，畢業于中北大學，助理講師，研究方向：教學工作。