數控加工中心換刀系統故障分析

王 鑫，陳 俠

（中國航發南方工業有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

換刀系統將機械手作為換刀機構的工具，目的是為了提高刀具交換效率，雖然該項技術在數控加工中心應用中取得了突出的成績，但也存在著亟待解決的問題，例如：換刀系統故障率較高，換刀精度和速度尚有提升空間。對換刀系統進行深入研究，具有突出的現實意義，應當引起重視。

1 換刀系統相關概念

1.1 加工中心

數控加工中心代表著機械行業發展的主流方向。20 世紀70 年代，該項技術的引進為各行各業的發展提供了支持。國內現有加工中心，無論從數量還是質量上來說，均無法滿足行業需求。要想使加工效率得到保證，關鍵是優化加工中心的換刀系統，換刀系統成為研究的重點。

1.2 換刀系統

換刀系統具備交換、存儲刀具的功能。其中，負責對刀具進行交換的主體為換刀機構，具體流程如下：數控系統發出換刀指令后，換刀機構對主軸在用刀具進行抓回，再將目標刀具交換至主軸，為零件加工工序提供保證。此項工作對主軸、刀具位置均提出具體的要求，降低換刀系統出現故障的概率，成為機床制造行業需要解決的瓶頸問題。加工中心加工的零件工序較多，要想提高工件加工的可靠性，關鍵是根據不同工序所提出需求，進行刀具交換，因此換刀系統對加工中心的意義重大。從零件加工角度來說，換刀系統是否穩定，直接影響換刀的效率。

現階段，較為常見的換刀方式為機械換刀，具體來說，就是用機械手對人換刀的動作進行模擬，其優勢主要體現為靈活、具有可操作性，這也是該項技術得到推廣的原因[1]。但是，受刀庫和主軸距離的影響，僅使用機械換刀，無法保證換刀效率，要想使該問題得到有效解決，需要利用PLC 程序指令控制刀庫動作，實現自動刀具交換。

2 故障解決策略

2.1 故障診斷思路

換刀系統包括刀庫，即對工件進行加工時，不同刀具的具體位置受功能、容量影響，刀庫所呈現出形式有鼓式、盤式等。在對工件進行加工時，若需要對刀具進行交換，加工中心可選擇以系統參數為依據，自動準備刀具到機械手并隨時等待更換刀具。刀庫卡刀是機床警報產生的主要原因之一。若機床系統無報警但ATC（Automatic Tools Change，自動換刀裝置）不移動，維護人員應按照以下思路，對故障進行診斷：手動使電磁閥動作，使機械手在油壓的作用下處于松開狀態，保證ATC 能夠自由移動；若ATC 裝置無法做到自由移動，則應先對ATC 液壓回路進行檢查；在MDI 方式下輸入換刀指令執行換刀動作，若出現ATC 動作卡滯的現象，維修人員應對電機進行檢查；若ATC 裝置無法滿足動作的要求，表明電機存在故障。維護人員應手動轉動電機軸，觀察傳動部件運轉是否流暢，因為傳動部件往往存在較為明顯的齒輪減速情況，如果是傳動部件故障，手動轉動可以找到故障點；若存在伺服故障且ATC 不移動的情況，維護人員應根據伺服單元LED 指示狀態判斷故障，若LED 燈被點亮，則應對保險絲、I/O 板進行檢查；若LED 燈未被點亮，維修人員應對輸入電源電纜和電機伺服驅動模塊進行檢查，再判斷電氣器件是否有故障存在。

2.2 ATC 液壓油缸機械故障

自動換刀的常見故障，有超時報警和機械手反應不及時等故障。換刀超時報警信息為“動作并未在規定時間完成”，需要對PMC 到位信號開關進行檢查，如X1.3（機械手滑板左移到位）及X1.4（機械手滑板右移到位）相應動作到位信號變化為1；對機械手進行手動操作，機械手均能給予相應反應，表明轉動機構無異?，F象；維護人員對其進行深入的排查，發現刀套到位（X1.0所對應信號變化為1）動作正常，但動作緩慢；判斷機械手滿足正常轉動的要求。要想使機械手完成抓刀動作，其前提是保證刀套位置正確，維護人員決定對刀套動作進行仔細排查，發現位于刀庫側的預選刀套，向主軸側進行移動的時間，明顯比其他類似機床時間長?？刂频稁煲苿拥臋C構為液壓油缸，需對其進行分解進一步排查故障。將油缸拆下分解并檢查發現缸壁和活塞間存在較大配合間隙，導致出現漏油故障，主要表現為活塞桿無法達到預定的運動速度，換刀動作完成過程緩慢，由此引發換刀超時故障報警。解決故障的方法是對液壓缸整套部件進行更換[2]，試機調試機床正常投入使用。

2.3 機械手傳動機構故障

加工中心執行自動換刀指令過程中，機械手未及時做出反應，導致換刀過程終止，報警信息是“機械手未回零點”，維護人員手動將其復位。第二次換刀警報信息是“循環超時”，查閱電氣診斷手冊可知，致使上述報警產生的主要原因是“機械手未回零點”。檢查機械手本身未在零位，零點位置信號開關檢測為0，說明零位信號檢測正確。導致故障出現的原因可能是刀庫機械傳動部位故障。機械手由電機驅動，中間機構為多級齒輪或皮帶傳動。系統收到“換刀”指令后，ATC 的電機為機械手提供動力，完成換刀過程。維護人員將刀庫門打開，拆卸防護蓋板，排查機械手傳動機構，發現故障的原因一個是小齒輪脫落，另一個是電機軸斷裂。即系統接到換刀指令，機軸斷裂的電機，無法將動力進行傳遞，缺少動力的機械手自然會發出警報。更換電機后，維護人員發現機械手傳動機構齒輪嚙合不順暢，這一現象增加了電機阻力，隨著換刀動作過程的次數越來越頻繁，出現機軸斷裂的情況，在對齒輪間隙進行調整后，傳動機構的故障得到了徹底解決。

2.4 故障分析流程

換刀系統由機械手、刀庫構成，經由PLC 與CNC 對信息進行傳遞，以此來達到對刀具傳送、機械手位移進行精準控制的目的。分析故障及解決策略可知，要想縮短故障解決時間，歸納出故障分析流程、制作標準作業指導書如下：

第一步，按下故障恢復按鍵，警報仍存在，則需要按下復位按鍵，將警報消除；第二步，判斷主軸、換刀位刀套、機械手AB爪是否有刀具存在，若有刀具存在，對刀臂給刀具移動所帶來阻礙進行判斷，如果有阻礙存在，則表明刀庫卡刀的時間應是交換過程中，只需對刀具進行移除；若無刀具存在，只需將機械手手動返回換刀等待位，或執行單步指令讓機械手自動返回等待位；第三步，MDI 方式下進行自動還刀操作，使機械手返回換刀等待位，刀具還回刀庫；另外，還可按下松刀按鈕，先將刀具移除，再對其位置進行手動恢復；第四步，若刀庫亂刀，維護人員應對刀庫進行回零、重新裝刀，并對每把刀具、刀套位進行檢查確認；若從刀庫移除全部刀具的過程中，執行卸刀操作，需要將刀具換到裝刀位逐個移除[3]。使換刀故障從根本上得以排除。

3 優化換刀過程

加工中心由數控系統、機械設施及換刀裝置組成，可以實現對工件進行高效加工。參數、類別不同的機床，通常對應不同的加工中心，設計人員可選擇根據用戶所提出的需求，修改機床功能與部件，但是，類別相同的機床，所存在差別相對細微。例如以表現出的形態為依據，可將加工中心分為多個不同種類，如臥式加工中心、立式加工中心。構成加工中心的元素，除了自動換刀系統，還有主軸系統、基礎附件、冷卻系統和數控系統等。

由電機、傳動機構構成的主軸系統，對加工效率與零件質量起決定性作用。基礎部件由立柱和床身構成，其價值主要體現在對工作負荷的承載，這也決定其對剛度具有較高要求。另外，數控系統包括PLC、CNC、伺服系統和電機，從控制角度來說，數控系統是機床的運動控制核心，完成機床各軸位置精度控制的工作，控制零件加工軌跡，同樣應當引起重視。機床其他輔助系統的功能，主要是冷卻、排屑、潤滑和檢測，目的是為工件加工質量提供保證，使加工中心具備良好的可靠性與穩定性[4]。

現階段，加工中心的使用壽命已延長至15 年，但是，不間斷、高強度的使用，加劇了機械部件磨損的程度，無論是加工精度，還是后續的裝夾精度，均會受到不同程度的影響，若換刀系統出現精度降低的情況，極易導致刀具裝卸位置出現偏差，由此而引發的問題，主要體現在以下3 個方面：①刀具隨加工時間增長有一定磨損，零件加工精度隨之下降，則刀具需要定期進行更換；②主軸錐孔磨損，零件的加工精度無法得到保證，且修復主軸精度難度較大，對維修技能水平要求高；③刀具種類、數量與刀具傳送效果成正比關系，這也是導致傳送位置出現偏差的主要原因。

以PID 為代表的控制策略，其優勢可歸納為可靠、便于計算，上述優勢的存在，使得其在多個行業得到廣泛應用，事實證明，PID 控制策略能夠使位移偏差獲得補償，電機轉動精度自然得到提高。該策略的不足，則體現在不具備在線控制換刀系統功能，如果系統參數出現變更，PID 參數往往無法實時做出反應，控制效果相應會受到影響。要想使換刀過程得到優化，降低出現故障的概率，關鍵是對模糊控制法加以使用，以參數可自動調節PID 為基礎，使位移偏差量得到補償，達到自動校正參數的目的，增加換刀系統的穩定性。

4 結束語

換刀系統是加工中心不可或缺的構成部分，其運行效率直接影響到加工的精度與效率。研究表明，無法完成自動換刀的過程的原因往往與電氣、機械、液壓和氣壓綜合相關，只有對換刀原理及過程進行深入了解，才能做到及時發現并解決潛在故障，為提升各機械行業的加工效率提供支持。