數控車床電動刀架的安裝調試與常見故障的排除

陳堅 趙玉鳳

摘?要：本文敘述了數控電動刀架結構和工作原理、與FANUC Oi Mate系統連接的三個步驟：電氣原理圖的設計、PLC程序設計、參數設置;同時還講述了常見故障的一般排除方法。

關鍵詞：電動刀架的安裝調試;FANUC Oi Mate;常見故障排除

LDB4系列電動刀架采用蝸輪蝸桿轉動，三齒盤嚙合螺桿鎖緊，具有轉位穩定、免抬等優點，運用蝸輪蝸桿、三齒盤嚙合等機構，在工作的時候，上刀體不需要抬起，這樣在刀架轉位的時候，不存在受冷卻液和切削力的影響。

我們在使用數控機床時，區別于以前的手動控制，希望工作時間和工作輔助時間減少，這樣我們需要每一個工序盡量快一些，在工藝安排上，盡量一次裝夾完成多道工序，這樣不僅可以節省時間，還可以提高精度，同時需帶有自動換刀裝置。數控車床上的電動刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，一般可分為立式和臥式兩種規格[1-2]。

一、電動刀架

（一）工作原理

LDB4系列電動刀架接收數控系統的換刀信號以后，繼電器開始工作，電動刀架開始選刀，選刀過后，電動機正轉，此時，通過蝸桿、蝸輪、螺桿將銷盤上升至一定高度時，離合銷進入離合盤槽，離合盤帶動離合銷，離合銷帶動銷盤，銷盤帶動上刀體轉位，當上刀體轉到所需刀位時，磁鋼感應霍爾元件，電路發出到位信號，電機反轉，反靠銷進入反靠盤槽，離合銷從離合盤槽中爬出，刀架完成粗定位。同時銷盤下降端齒嚙合，完成精確定位，刀架鎖緊。反轉時間到，繼電器動作電機停止[3]。

（二）刀架工作路線

接收換刀指令—電動機開始正轉—銷盤帶動上刀體轉位—轉動確定位置指令—電動機開始反轉—刀架完成粗定位—開始精定位鎖緊—時間到，電動機停轉—回復指令—加工開始

（三）刀架工作要點

（1）刀架采用三相380V刀架電機，刀架連續運行時，換刀不能過于頻繁，1分鐘不超過6次，換刀過于頻繁容易燒壞電機。（2）在精定位鎖緊時，一般時間為1.2～1.3秒。鎖緊的時間如果比較短，可能會出現不能很好的鎖緊，如果鎖緊的時間置過長會使電機溫升過高而損壞電機。所以在每臺刀架的合格證上都需要注明刀架的準確鎖緊時間。（3）接線時，防止短路。

二、數控刀架與FANUC Oi Mate系統連接的三個步驟

（一）電動刀架的電氣連接設計

電氣線路的主電路為電機正反轉控制線路，刀架的換位和鎖緊動作分別由電機的正反轉控制實現。一般情況下，為了實現過載保護，保護電路，在主電路中串聯一個熱繼電器，同時為了交流接觸器在工作時產生電弧而延遲了電路的開斷、縮短了電器使用壽命，在交流接觸器出線口并上一個三相滅弧器起到滅弧作用。控制電路如下圖所示，刀架內部4個偵測當前刀位的開關（霍爾元件）信號是低電平，而FANUC系統的PLC的輸入端是高電平有效，由于是OC門輸出，為了得到高電平，每個傳感器連接了1.8KΩ的上拉電阻，也可以通過中間繼電器將低電平有效轉換為高電平有效，但會增加成本。PLC的輸出連接了兩個中間繼電器，一個正轉，一個反轉，直接控制正反轉接觸器線圈[1]。

（二）PLC程序設計

FANUC Oi MATE系統，與其他國內系統如廣數系統或國外系統如西門子系統等不同，這些數控系統大部分在出廠時就已經預裝了涵蓋常用功能的PLC程序，而FANUC系統沒有預裝PLC程序，所有的功能控制都必須通過PLC編程軟件FANUC LADDER-III V5.7進行設計，然后再傳輸到系統中。

電動刀架控制部分PLC設計過程簡述：

（1）將四個刀架到位輸入信號X7.0、X7.1、X7.2、X7.3進行賦值到內部繼電器R21.1、R21.2、R21.3、R21.4（刀架到位停止時刀位號地址）和內部繼電器R22.2、R22.3、R22.4、R22.5（手動換刀時下次到達的刀位號地址）中;

（2）在手動方式執行手動換刀時，將內部繼電器R22中的值通過功能指令MOVE邏輯乘數據傳送到內部繼電器R25中;

（3）將手動方式刀架正轉按鍵輸入信號X20.5進行處理，轉換成內部繼電器R24.2，當X20.5為“1”信號時，R24.2就變為“1”信號，且自保，當出現刀架反轉信號R26.3為“1”信號、急停報警或機床復位等信號時，R24.2就變為“0”信號;

（4）在手動換刀時，通過功能指令COIN一次性檢測，將內部繼電器R21中的值與內部繼電器R25中的值進行比較，即將所需到位的刀具號與刀架換刀到位后的刀位號進行比較，如果一致內部繼電器R23.1變為“1”信號;

（5）在自動執行T功能時，將刀具功能代碼信號F26通過功能指令DECB進行二進制譯碼，將譯碼結果存在內部繼電器R20（T1、T2、T3、T4分別對應R20.1、R20.2、R20.3、R20.4）中;

（6）在自動執行T功能時，通過功能指令COIN一次性檢測，將內部繼電器R21中的值與內部繼電器R20中的值進行比較，即將所選的刀具號與刀架換刀到位后的刀位號進行比較，如果一致內部繼電器R23.0變為“1”信號;

（7）在自動方式（或MDI方式）執行T功能或手動方式手動換刀時進行邏輯處理，使刀架正轉輸出信號Y7.0，同時導出刀架正轉指示燈信號Y20.5，當自動換刀到位信號R230為“1”信號、刀架反轉輸出信號Y7.1為“1”信號、刀架正轉停止信號R26.0為“1”信號、急停報警或機床復位等信號時，Y7.0就變為“0”信號;

（8）在自動方式（或MDI方式）執行T功能或手動方式手動換刀后，刀架正轉開始，當自動換刀到位信號R23.0或手動換刀到位信號R23.1為“1”信號時，經過邏輯處理，導出刀架正轉停止信號R26.0為“1”信號;

（9）將刀架正轉停止信號R26.0進行邏輯處理后，再通過功能指令TMR14定時器，導出刀架反轉開始信號R26.2;

（10）在自動方式（或MDI方式）執行T功能或手動方式手動換刀時進行邏輯處理，導出刀架反轉輸出信號Y7.1，同時導出刀架正轉指示燈信號Y20.6，當反轉鎖緊時間結束信號R26.3為“1”信號時，Y7.1就變為“0”信號;

（11）將刀架反轉輸出信號Y7.1進行邏輯處理后，再通過功能指令TMR15定時器，導出反轉鎖緊時間結束信號R26.3;

（12）在自動方式（或MDI方式）執行T功能，通過功能指令TMR16定時器，導出換刀超時信號R26.4，這個信號并入系統報警信號中;

（13）最后經過邏輯處理，導出自動換刀結束信號R282，并入結束信號G4.3，以便程序自動運行下段程序。

（三）PLC參數設置

當刀架使用時間長了，間隙變大之后，為了方便維修，可以通過調整刀架鎖緊時間來進行調整間隙，在PLC中使用功能指令TMR定時器，而沒有使用功能指令TMRB固定定時器。這些定時器的時間在系統參數中的T參數中可以設置或修改，其中T14設為500ms，T15設為1200ms，T16設為5000ms。

三、常見故障及排除方法

由于電動刀架在數控車床的使用和加工過程中，利用頻率較高，出現故障的幾率也較大，刀架的運轉好壞及其穩定性關系到機床是否能夠正常運行，從而影響生產及降低效率。下面就本人在現場調試以及平時對數控車床使用單位的服務過程中，遇到刀架出現的常見故障，以及所采取的排除方法介紹如下：

（一）給出任意換刀指令，刀架轉個不停

當給出任意換刀指令時，出現刀架轉個不停，表示刀架只接受換刀指令，而檢測不到刀位信號，也就是說霍爾元件未發出信號，經檢查霍爾元件所需DC24V電源正常，霍爾元件也正常，磁鋼片與霍爾元件位置也正確，至I/O口連接線等都完好，最后將磁鐵位置和極性進行調整，原來是磁鋼片裝反，更換后刀架選刀正常。上述故障是因為磁鐵的極性不對，而感應不到相應的刀號發出正確的信號造成的。

（二）刀架換刀時，發出急停報警

對于我公司的數控車床，將刀架的熱保護繼電器常閉信號串載于急停回路中，當出現刀架反轉或機械卡死或缺相時，堵轉電流急劇增大，熱保護繼電器斷開，引起急停報警，機床停止動作，無法換刀。通過對線路進行檢查校正，檢查刀架機械連接部分，刀架使用正常。

（三）電動刀架鎖不緊

故障原因分析及處理方法：（1）刀架反鎖時間不夠長：調整系統反鎖時間參數即可（新刀架反鎖時間t=1.2—1.3s即可）;（2）刀架電機正反轉接觸器的接線接觸不良;（3）機械鎖緊機構故障：拆開刀架，并檢查傳動銷是否折斷，蝸輪、蝸桿副是否磨損，中軸是否斷裂等，調整或更換相應機械部件。

（四）刀臺換刀位時不到位或過沖太大

主要是由于電機未反轉或機械傳動卡死的原因導致的，還可能是發信盤位置沒對正，要使刀架的霍爾元件對準磁鋼，使刀位停在準確位置。

四、結語

電動刀架是數控機床中比較小的一個部件，但其中涉及到電氣線路、PLC控制、機械結構等多個方面的內容。在安裝調試電動刀架過程中，可能會出現這樣那樣的故障，這就需要安裝調試人員相互配合，認真研究電路及信號控制過程、機械結構，根據故障現象仔細分析、檢查，便能及時有效地定位故障源頭，迅速排除故障，完成刀架的安裝調試工作[1-2]。

參考文獻：

[1]朱俊.數控車床電動刀架的安裝與調試[J].機床電器，2010，37（06）：10-11.

[2]馮華勇，宋健，初宏偉.數控車床刀架常見故障現象及排除方法[J].四川工程職業技術學院學報，2009，23（01）：30-32.

[3]余仲裕.數控機床維修[M].北京：機械工業出版社，2007：2-3.