刀庫式加工中心自動換刀系統故障診斷與維修

雷波 劉華華 許穎

摘 要： 我國是制造大國，數控機床作為工業生產的重要設備，能夠有效提升工業生產自動化水平。主要探討了刀庫式加工中心自動換刀系統的故障診斷與維修策略，詳細介紹了自動換刀系統的組成，包括自動換刀裝置和自動換刀控制系統，并分析了刀庫故障、換刀機械手故障以及主軸松刀故障等多種常見問題。在自動換刀控制系統故障方面，著重分析了換刀點漂移、刀庫亂刀和換刀超時等問題，并提出了相應的診斷和維修策略。希望本文的研究能為相關技術人員提供參考和借鑒。

關鍵詞： 加工中心 自動換刀系統 故障診斷 維修 策略

中圖分類號： TG659文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）05-0094-03

Fault Diagnosis and Maintenance of the Automatic ToolChanging System in Magazine-Type Machining Centers

LEI Bo LIU Huahua XU Ying

Hubei Three Gorges Polytechnic， Yichang， Hubei Province， 443000 China

Abstract： China is a large manufacturing country， and CNC machine tools， as important equipment for industrial production， can effectively improve the automation level of industrial production. This paper mainly discusses the fault diagnosis and maintenance strategy of the automatic tool-changing system in magazine-type machining cen‐ters， introduces the compositions of the automatic tool-changing system in detail， including the automatic toolchanging device and automatic tool-changing control system， and analyzes various common problems such as tool magazine failures， tool-changing manipulator failures and spindle tool release failures. In the terms of the failure of the automatic tool-changing control system， this paper focuses on the analysis of problems such as tool-changing point drift， tool magazine chaos and tool-changing timeout， and puts forward corresponding diagnosis and mainte‐nance strategies. It is hoped that the research in this paper can provide reference and models for related technical personnel.

Key Words： Machining center； Automatic tool-changing system； Fault diagnosis； Maintenance； Strategy

在現代制造業中，數控機床作為提升生產效率和加工精度的關鍵設備，其自動化水平的高低直接影響到整個生產流程的效率和成本。刀庫式加工中心的自動換刀系統是數控機床自動化的重要組成部分，它通過一次性裝夾完成多道工序的加工，顯著提高了生產效率。然而，自動換刀系統在長時間高負荷運行過程中，難免會出現各種故障，這些故障若不能及時發現和有效處理，將嚴重影響生產進度和產品質量。

本文旨在深入探討刀庫式加工中心自動換刀系統的故障診斷與維修策略，通過分析自動換刀系統的組成結構和工作原理，識別故障發生的常見原因，并提出相應的維修措施。本文將重點關注刀庫故障、換刀機械手故障以及自動換刀控制系統故障等方面的問題，并探討如何通過有效的故障診斷和維修方法，提高系統的穩定性和可靠性，從而確保數控機床的高效運行。本文的研究旨在為相關技術人員提供實用的指導和參考，以促進制造業的持續發展和技術創新。

1 自動換刀系統的組成

1.1 自動換刀裝置

目前，磚塔式和刀庫式是應用比較廣泛的自動換刀裝置。這里主要介紹刀庫式自動換刀裝置。刀庫接收指令后，會根據指令需求對指定刀具傳送，并在規定位置上更換，換下的刀具會存儲到刀庫內，完成整個換刀過程。鼓磬式、鏈式等是生產中常見的刀庫形式。

刀具交換裝置的主要功能是在刀庫和主軸之間進行刀具的裝卸和傳遞，包括無機械手換刀和有機械手換刀。

無機械手換刀依靠刀庫和主軸的相對運動完成換刀，在換刀過程中，機床處于停運狀態，加工速度比較慢，而且存儲刀具非常有限。

有機械手換刀是在液壓缸的作用下完成，插刀和拔刀工作在主軸軸線上完成，借助于液壓電機完成擺動送刀和旋轉換刀。在換刀時，機械手和刀庫軸線處于平行狀態。先從刀庫中提出即將更換的刀具，之后擺動到和主軸軸線平行的位置，并且向前移動。將原有刀具從主軸中拔出，沿著自身軸線進行旋轉運動。將兩把刀的位置交換，通過前移在主軸中插入新刀。主軸會鎖住刀具，并將刀爪縮回，擺動到刀庫位置后放回刀具[1]。

1.2 自動換刀控制系統

自動換刀整個過程環節較多，而且環節之間聯系緊密。為了確保自動換刀的進行，必須要加強對整個系統的控制。目前自動換刀系統中，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是其中的控制核心。當接收到程序之后，PLC會明確各控制元件的狀況信息，并完成控制刀庫、交換裝置等動作。

自動換刀系統中，對故障進行診斷時應抓住重點，準確掌握自動換刀系統的運動邏輯和執行邏輯，從中得出故障信息。之后對故障進行鑒別，包括故障類型、問題等，最終采取針對性處理方案，完成對自動換刀系統故障的維修[2]。

2 自動換刀裝置故障

2.1 刀庫故障

2.1.1 刀庫旋轉故障

刀庫旋轉出現的問題，基本上都是機械和電氣方面原因引起的。工作人員應重視對電機的檢查，排除傳動鏈結構問題。分析檢查結果，并根據故障原因采取有效維修措施。

檢查電氣時應側重于電信號的穩定性，對繼電器等裝置運行狀態進行檢查。當發現運行狀態異常時，應更換故障元件。當刀庫可以正常轉動但動作與要求不相符合時，不應考慮電信號輸入問題。根據以往經驗來看，造成這一情況的主要原因是電動機輸出的轉角或者傳動結構存在誤差。因此，應對刀庫傳動進行全面、深入的檢查[3]。

2.1.2 刀庫夾緊故障

自動換刀系統的刀柄上會裝有拉釘，刀庫中的導套在彈性元件和鋼球的配合下構成了鎖緊機構，可以夾緊刀具。當刀套無法實現對刀具的夾緊時，則會出現松刀或者掉刀的情況。如果出現了這種問題，應全面檢查導套內鎖緊機構，如檢查彈性元件是不是太松。另外，當刀具重量超過了設計標準時，同樣會引發無法夾緊刀具的情況。

2.2 換刀機械手故障

2.2.1 機械手運動故障

當機械手運動速度不符合要求時，應對氣動系統的壓力和流速進行檢查，找到故障原因。

當換刀動作沒有全部完成時，此時為了避免故障發生，應立即按下急停按鈕停止作業，抑或進行復位操作。由于沒有完成換刀動作，需要工作人員采用手動的方式搖回機械手，同時，導套要返回刀庫進行復位。而當刀具已經更換完成之后，為了避免出現亂刀的情況，需要將主軸刀具和系統顯示刀具進行對比，觀察二者的情況。如果相同，則說明沒有問題；如果不同，則要手動更換刀具[4]。

2.2.2 機械手更換刀具故障

機械手在夾緊或者松開刀具時可能會發生換刀失敗的情況。當機械手不能夾緊刀具時，很有可能是氣動系統壓力不足或者泄漏造成的。同時，檢查刀具松開彈簧情況，察看螺母是否松動。如果發現松鎖刀彈簧壓合過緊，便會導致機械手無法松開刀具。如果機械手在夾緊和松開刀具都正常，但換刀中發生了掉刀問題，這種情況的出現和換刀點出現漂移有著直接關系。如果機械手的運動尚未達到要求便出現拔刀動作，刀具和機械手相對位置就會出現一定的偏差，機械手便無法夾緊刀具。為了解決這種問題，需要對換刀點做出改變[5]。

2.2.3 機械手傳送刀具故障

機械手傳送刀具是自動換刀的一個重要環節，在整個換刀過程中發揮著重要作用。在機械手傳送刀具時，如果出現了不能夾緊或者掉刀的問題，需要明確故障發生原因。首先檢查氣動系統和鎖緊機構，查看是否存在問題。其次，要考慮刀具超重情況。根據系統設置要求，機械手傳送刀具時只能承受合理范圍內重量，當重量超出該合理范圍后，機械手傳送刀具就會出現問題，從而導致故障的發生。

2.3 主軸松刀故障

在機械手抓取刀具時，有時會出現主軸沒有松刀的情況，通常是以下兩方面原因引起的。

2.3.1 傳遞給主軸的信號出現問題

通常根據信號的指示，主軸會做出相應動作。如果主軸沒有接收到相關信號，或接收信號出現錯誤時，就無法完成松刀動作。針對于這種情況，應檢查松刀感應開關機信號。另外，由于松刀開關實現控制借助于液動電磁閥，所以需要檢查電磁閥和壓液回路狀態。如果是零件出現了問題，需要更換故障零件，保證更換之后可以正常運轉。

2.3.2 主軸內鎖緊機構失去了作用

主軸內鎖緊機構失去作用的常見情況有彈簧卡頭、頂桿變形等，這類問題比較直觀，工作人員可以用肉眼觀察到，修理起來也比較簡單。

3 自動換刀控制系統故障

3.1 換刀點漂移

機械手自動換刀在機床的換刀點進行，換刀點也就是機床的機械原點，該點和電氣原點一致。當電氣原點與機械原點不在相同位置時，就會影響到機械手換刀，從而導致換刀點漂移的情況的出現。當偏移量不大時，換刀可以進行，但是會有比較大的振動，而且過程中會出現異響。當偏移量比較大時，則不能進行拔刀或者掉刀，這會影響正常換刀。機床在捕捉電氣原點時，需要發揮出限位開關和撞塊的作用。當機床運動到相應位置時，撞塊壓下限位開關，信號返回，從而識別電氣原點。為了弄清楚換刀點漂移問題，應進行深入檢查，如果是因為傳統系統誤差導致的換刀點漂移，可以采用手動返回參考點的方法。

3.2 刀庫亂刀

刀庫亂刀是一種比較嚴重的問題，是指刀庫中存儲刀具和系統中刀具號混亂，其原因是換刀過程中出現了中斷的情況。此時，系統內刀具數據會改變，導致存儲刀具和系統中刀具號對不上，變得非常混亂，也就是刀庫亂刀。針對這類故障，需要全面檢查刀具存儲情況，并對數據寄存器做出適當改變，將數據改為實際數據。對于刀庫亂刀的故障，應明確故障發生原因，并采取有效處理措施。

3.3 換刀超時

在進行換刀時，如果系統顯示換刀超時，則表示無法在正常時間內進行換刀。對于這種情況，應仔細檢查機械手傳動機構，了解其運行狀態。還應檢查機械手運動速度，看速度是否過慢，如果發現運動速度比較慢，則應對動力系統進行檢查，可以發現問題存在的原因。另外，換刀超時還包括一些其他原因，其中主軸松刀感應開關失靈比較常見。對于換刀超時的問題，應對元件進行全面檢修，確保恢復正常運行狀態。

4 結語

綜上所述，自動換刀系統的穩定運行對于提高生產效率和保證加工質量具有至關重要的作用。如果換刀系統中出現的故障未能及時、有效地得到處理，就會對工業生產活動造成不利影響。為了確保自動換刀系統的高效和可靠運行，技術人員必須深入分析各種故障類型，明確故障的根源，并制定出相應的維修策略。此外，通過持續的技術創新和系統優化，能夠進一步降低故障發生率，提升系統的整體性能。技術人員應致力于對自動換刀系統進行深入研究，不斷探索新的維修方法和技術，以適應不斷變化的生產需求和挑戰，最終實現自動換刀系統的持續改進和完善，確保其在現代化生產中發揮關鍵作用，為企業帶來更高的生產效率和更好的經濟效益。

參考文獻

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[2]朱衛國，齊琦.KUKA制孔機器人自動換刀系統設計[J].唐山學院學報，2020，33（6）：1-5，30.

[3]蔣君俠，朱文杰，朱偉東.機器人自動換刀系統刀夾受力及排布[J].航空學報，2019，40（9）：327-339.

[4]李桂玲，曹月真，張雨，等.基于單片機控制的普通鉆床自動換刀系統的設計與應用[J].科學技術創新， 2022（10）：193-196.

[5]曹東級，柳毅，陳劍鋒，等.基于PLC的刀庫自動換刀控制系統設計[J].電子制作，2022，30（21）：47-50，43.