高精度機床換刀系統故障研究

盧 龍

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

高速高精度機床由國外引進，配備海德漢Millplus 數控系統。機床為五軸五聯動高速高精度機床，擅長加工空間復雜殼體類零件，需要強大的工藝技術以及龐大的刀具系統支持。1 次零件裝夾，利用其強大的換刀系統可以連續自動、高速高精度的完成銑、鉆、鏜、擴、鉸、攻絲以及拉削等多工序的加工。

由于復雜的機械加工特性，要求機床換刀系統頻繁工作，且由于在加工過程中的大吃刀量，以及由于人為因素引起的刀具零件撞擊等原因，造成換刀系統損壞，機床功能精度喪失，直至機床停機，嚴重影響設備利用率。通過對機床換刀系統的換刀流程進行分解，分析機械結構，掌握其工作原理，解決換刀故障。

1 換刀系統理論研究

1.1 換刀系統概述

此類型高速高精度機床具有獨特的空間曲面加工能力，具備五軸五聯動、立臥轉換、電主軸單元。換刀系統由拉刀機構和盤式刀庫組成。拉刀機構采用液壓油缸作為推力元件，預緊彈簧作為拉力元件。盤式刀庫與常見的刀庫形式一樣，具有相同的結構功能。

換刀系統的拉刀機構特點是具備預緊功能，拉緊力穩定，材料性能穩定，安全性高，尺寸緊湊便于安裝。但是由于機床換刀動作頻次高，整個換刀系統都要承受長時間、高頻率的屈服力，容易誘發材質性疲勞。機床有效利用期過后，換刀系統容易發生故障，影響機床的使用效率。拉刀機構如圖1 所示。

1.2 換刀系統研究

高速高精度機床換刀系統由拉刀機構和盤式刀庫組成，兩部分互相配合共同完成一次換刀動作。拉刀機構是主軸用于拉緊和放松刀具的一種機械裝置，主要由拉桿、拉爪、拉力彈簧以及液壓油缸組成。拉桿的作用是整個拉刀機構的載體，起固定作用；拉爪主要是拉緊刀具上的拉釘，從而拉緊整個刀具；拉力彈簧在液壓油缸作用下受力變形，從而在拉桿上產生位移，蓄積能量用于拉緊刀具；液壓油缸是松刀動力提供者。整個拉刀機構安裝與主軸內孔里面，主軸移動到盤式刀庫換刀位置進行刀具交換。

2 故障介紹

換刀系統在換刀過程中出現E370 報警，機床在換刀位置停止動作，消除報警后，再次執行換刀程序，時好時壞，機床時常會出現報警現象，不能正常使用。

3 換刀系統修理

3.1 換刀流程概述

圖1 拉刀機構

機床換刀動作簡介：機床操作系統使用的是海德漢Millplus數控系統，首先由HMI（Human-Machine Interface，人機對話單元）輸入換刀指令，例如T1M6 后，執行此指令，刀庫門打開，主軸運行到換刀位置，然后主軸下到刀庫中取刀，就在此時主軸上端液壓油缸推動拉力彈簧，主軸拉爪此時松開，然后主軸抓刀，拉刀油缸縮回，在拉力彈簧作用下主軸拉緊刀具，主軸回到加工位置，刀庫門合上，此次換刀結束。換刀流程如圖2 所示。

圖2 換刀流程

3.2 換刀系統修理

換刀系統由執行元件、控制元件兩部分組成。兩部分互相配合來完成一次完整的換刀動作。這兩方面內容分別如下：

控制元件：包括機床控制面板、伺服驅動、信號采集觸點、PLC、I/O、各種電磁閥以及電氣元件等。

執行元件：主軸松刀油缸、拉力彈簧、拉桿、拉爪、刀庫等。

首先從控制元件入手，機床使用海德漢MILLPLUS 數控操作系統，進入I/O 界面，觀察主軸拉松刀所對應的I/O 點。主軸松刀油缸上有3 個位置檢測開關，C2-03B31、C2-03B51、C2-03B71，通過感應油缸上的感應塊，檢測油缸運動時所處的位置，把感應到的信號發送到NC，此3 個檢測開關依次對應I/O點中的WS：E9.6.1、WS：E9.6.2、WS：E9.6.3，其具體的關系如下：

主軸松刀，信號感應開關C2-03B31 亮，把信號輸入NC，在I/O 點中WS：E9.6.1 亮顯示；

主軸有刀拉緊，信號感應開關C2-03B51 亮，把信號輸入NC，在I/O 點中WS：E9.6.2 亮顯示；

主軸無刀拉緊，信號感應開關C2-03B51、C2-03B71 同時亮，把信號輸入NC，在I/O 點中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同時亮顯示。

然后手動進行松刀、有刀拉緊、無刀拉緊3 個動作，發現主軸有刀拉緊后I/O點中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同時亮，而主軸松刀、主軸無刀拉緊后I/O 窗口中顯示正常。主軸有刀拉緊后信號采集時出現異常，調整主軸上有刀拉緊信號檢測開關。調整好之后，嘗試手動換刀，然而還會偶爾出現松不開刀，檢查I/O點以及上述信號檢測開關均顯示正常。檢查控制松刀油缸的電磁閥、各繼電器、PLC、以及各線路，一切正常，所以排除電氣方面的原因。

圖3 主軸無刀拉緊信號顯示

對執行元件檢查，由于此類電主軸特有的拉刀機構，其拉爪正下方背緊螺釘上標有松刀距離，可以根據此距離來判斷拉刀距離是否正確。松刀拉刀距離測量方法如下：手動松刀后用深度尺測量松刀距離為93.1 mm，然后無刀拉緊再次測量距離為97.6 mm，距離差為4.5 mm，小于正常松拉刀距離差6 mm，且正常松刀距離為93.6 mm，拉刀距離為99.3 mm，同時用OTT拉力檢測裝置檢測拉刀拉力為7 kN，理論值為8 kN，實際拉力值過小。所以拉刀機構上的拉力彈簧可能破碎，這與主軸拉刀后拉不緊，且時有松不開刀的故障現象相吻合。拆卸拉刀機構，必須先把主軸從床身上拆下，然后再分解出拉刀機構，拆下拉刀機構后發現，拉桿上拉力彈簧部分已經碎裂，且上面有許多黑色銹質物，檢查主軸錐孔，發現已經生銹，用除銹劑去除銹質，更換新的拉力彈簧，重新安裝拉刀機構，裝配拉刀機構到主軸，然后重新安裝主軸，同時調整主軸幾何精度，然后進行主軸松刀、拉刀動作試驗，調整松刀距離，拉刀距離到所需距離。調整完成后，進行自動換刀，整個換刀過程正常，故障排除。

4 結束語

通過換刀系統故障的維修，對此類機床的拉刀機構有了深入的理解。此類拉刀機構中的拉力彈簧由于長期不間斷受力，發生應力疲勞變形，甚至斷裂，造成主軸拉不緊刀。還有就是拉刀機構中由于進冷卻液，發生腐蝕、生銹，主軸錐空磨損，與刀柄的配合尺寸發生變化，這些原因最終使主軸拉刀距離發生變化，機床出現換刀故障。此類故障的維修是一項繁雜而又需要細致精神的工作，需要對機械、電氣圖紙進行分析研究，找出故障點，一步一步進行拆卸、安裝、調整，直到滿足使用要求為止。