数控加工中心换刀系统故障分析

0 引言

换刀系统将机械手作为换刀机构的工具，目的是为了提高刀具交换效率，虽然该项技术在数控加工中心应用中取得了突出的成绩，但也存在着亟待解决的问题，例如：换刀系统故障率较高，换刀精度和速度尚有提升空间。对换刀系统进行深入研究，具有突出的现实意义，应当引起重视。

1、换刀系统相关概念

1.1 加工中心

数控加工中心代表着机械行业发展的主流方向。20 世纪70 年代，该项技术的引进为各行各业的发展提供了支持。国内现有加工中心，无论从数量还是质量上来说，均无法满足行业需求。要想使加工效率得到保证，关键是优化加工中心的换刀系统，换刀系统成为研究的重点。

1.2 换刀系统

换刀系统具备交换、存储刀具的功能。其中，负责对刀具进行交换的主体为换刀机构，具体流程如下：数控系统发出换刀指令后，换刀机构对主轴在用刀具进行抓回，再将目标刀具交换至主轴，为零件加工工序提供保证。此项工作对主轴、刀具位置均提出具体的要求，降低换刀系统出现故障的概率，成为机床制造行业需要解决的瓶颈问题。加工中心加工的零件工序较多，要想提高工件加工的可靠性，关键是根据不同工序所提出需求，进行刀具交换，因此换刀系统对加工中心的意义重大。从零件加工角度来说，换刀系统是否稳定，直接影响换刀的效率。

现阶段，较为常见的换刀方式为机械换刀，具体来说，就是用机械手对人换刀的动作进行模拟，其优势主要体现为灵活、具有可操作性，这也是该项技术得到推广的原因[1]。但是，受刀库和主轴距离的影响，仅使用机械换刀，无法保证换刀效率，要想使该问题得到有效解决，需要利用 PLC 程序指令控制刀库动

作，实现自动刀具交换。

2 、故障解决策略

2.1 故障诊断思路

换刀系统包括刀库，即对工件进行加工时，不同刀具的具体位置受功能、容量影响，刀库所呈现出形式有鼓式、盘式等。在对工件进行加工时，若需要对刀具进行交换，加工中心可选择以系统参数为依据，自动准备刀具到机械手并随时等待更换刀具。刀库卡刀是机床警报产生的主要原因之一。若机床系统无报警但ATC（Automatic Tools Change，自动换刀装置）不移动，维护人员应按照以下思路，对故障进行诊断：手动使电磁阀动作，使机械手在油压的作用下处于松开状态，保证 ATC 能够自由移动；若ATC 装置无法做到自由移动，则应先对 ATC 液压回路进行检查；在 MDI 方式下输入换刀指令执行换刀动作，若出现 ATC 动作卡滞的现象，维修人员应对电机进行检查；若 ATC 装置无法满足动作的要求，表明电机存在故障。维护人员应手动转动电机轴，观察传动部件运转是否流畅，因为传动部件往往存在较为明显的齿轮减速情况，如果是传动部件故障，手动转动可以找到故障点；若存在伺服故障且 ATC 不移动的情况，维护人员应根据伺服单元 LED 指示状态判断故障，若 LED 灯被点亮，则应对保险丝、I/O 板进行检查；若 LED 灯未被点亮，维修人员应对输入电源电缆和电机伺服驱动模块进行检查，再判断电气器件是否有故障存在。

2.2 ATC 液压油缸机械故障

自动换刀的常见故障，有超时报警和机械手反应不及时等故障。换刀超时报警信息为“动作并未在规定时间完成”，需要对PMC 到位信号开关进行检查，如 X1.3（机械手滑板左移到位）及X1.4（机械手滑板右移到位）相应动作到位信号变化为 1；对机械手进行手动操作，机械手均能给予相应反应，表明转动机构无异常现象；维护人员对其进行深入的排查，发现刀套到位（X1.0所对应信号变化为 1）动作正常，但动作缓慢；判断机械手满足正常转动的要求。要想使机械手完成抓刀动作，其前提是保证刀套位置正确，维护人员决定对刀套动作进行仔细排查，发现位于刀库侧的预选刀套，向主轴侧进行移动的时间，明显比其他类似机床时间长。控制刀库移动的机构为液压油缸，需对其进行分解进一步排查故障。将油缸拆下分解并检查发现缸壁和活塞间存在较大配合间隙，导致出现漏油故障，主要表现为活塞杆无法达到预定的运动速度，换刀动作完成过程缓慢，由此引发换刀超时故障报警。解决故障的方法是对液压缸整套部件进行更换[2]，试机调试机床正常投入使用。

2.3 机械手传动机构故障

加工中心执行自动换刀指令过程中，机械手未及时做出反应，导致换刀过程终止，报警信息是“机械手未回零点”，维护人员手动将其复位。第二次换刀警报信息是“循环超时”，查阅电气诊断手册可知，致使上述报警产生的主要原因是“机械手未回零点”。检查机械手本身未在零位，零点位置信号开关检测为 0，说

明零位信号检测正确。导致故障出现的原因可能是刀库机械传动部位故障。机械手由电机驱动，中间机构为多级齿轮或皮带传动。系统收到“换刀”指令后，ATC 的电机为机械手提供动力，完成换刀过程。维护人员将刀库门打开，拆卸防护盖板，排查机械手传动机构，发现故障的原因一个是小齿轮脱落，另一个是电机轴断裂。即系统接到换刀指令，机轴断裂的电机，无法将动力进行传递，缺少动力的机械手自然会发出警报。更换电机后，维护人员发现机械手传动机构齿轮啮合不顺畅，这一现象增加了电机阻力，随着换刀动作过程的次数越来越频繁，出现机轴断裂的情况，在对齿轮间隙进行调整后，传动机构的故障得到了彻底解决。

2.4 故障分析流程

换刀系统由机械手、刀库构成，经由 PLC 与 CNC 对信息进行传递，以此来达到对刀具传送、机械手位移进行精准控制的目的。分析故障及解决策略可知，要想缩短故障解决时间，归纳出故障分析流程、制作标准作业指导书如下：

第一步，按下故障恢复按键，警报仍存在，则需要按下复位按键，将警报消除；第二步，判断主轴、换刀位刀套、机械手 AB爪是否有刀具存在，若有刀具存在，对刀臂给刀具移动所带来阻碍进行判断，如果有阻碍存在，则表明刀库卡刀的时间应是交换过程中，只需对刀具进行移除；若无刀具存在，只需将机械手手动返回换刀等待位，或执行单步指令让机械手自动返回等待位；第三步，MDI 方式下进行自动还刀操作，使机械手返回换刀等待位，刀具还回刀库；另外，还可按下松刀按钮，先将刀具移除，再对其位置进行手动恢复；第四步，若刀库乱刀，维护人员应对刀库进行回零、重新装刀，并对每把刀具、刀套位进行检查确认；若从刀库移除全部刀具的过程中，执行卸刀操作，需要将刀具换到装刀位逐个移除[3]。使换刀故障从根本上得以排除。

3 、优化换刀过程

加工中心由数控系统、机械设施及换刀装置组成，可以实现对工件进行高效加工。参数、类别不同的机床，通常对应不同的加工中心，设计人员可选择根据用户所提出的需求，修改机床功能与部件，但是，类别相同的机床，所存在差别相对细微。例如以表现出的形态为依据，可将加工中心分为多个不同种类，如卧式加工中心、立式加工中心。构成加工中心的元素，除了自动换刀系统，还有主轴系统、基础附件、冷却系统和数控系统等。由电机、传动机构构成的主轴系统，对加工效率与零件质量起决定性作用。基础部件由立柱和床身构成，其价值主要体现在对工作负荷的承载，这也决定其对刚度具有较高要求。另外，数控系统包括 PLC、CNC、伺服系统和电机，从控制角度来说，数控系统是机床的运动控制核心，完成机床各轴位置精度控制的工作，控制零件加工轨迹，同样应当引起重视。机床其他辅助系统的功能，主要是冷却、排屑、润滑和检测，目的是为工件加工质量提供保证，使加工中心具备良好的可靠性与稳定性[4]。

现阶段，加工中心的使用寿命已延长至 15 年，但是，不间断、高强度的使用，加剧了机械部件磨损的程度，无论是加工精度，还是后续的装夹精度，均会受到不同程度的影响，若换刀系统出现精度降低的情况，极易导致刀具装卸位置出现偏差，由此而引发的问题，主要体现在以下 3 个方面：①刀具随加工时间增长有一定磨损，零件加工精度随之下降，则刀具需要定期进行更换；②主轴锥孔磨损，零件的加工精度无法得到保证，且修复主轴精度难度较大，对维修技能水平要求高；③刀具种类、数量与刀具传送效果成正比关系，这也是导致传送位置出现偏差的主要原因。

以 PID 为代表的控制策略，其优势可归纳为可靠、便于计算，上述优势的存在，使得其在多个行业得到广泛应用，事实证明，PID 控制策略能够使位移偏差获得补偿，电机转动精度自然得到提高。该策略的不足，则体现在不具备在线控制换刀系统功能，如果系统参数出现变更，PID 参数往往无法实时做出反应，控制效果相应会受到影响。要想使换刀过程得到优化，降低出现故障的概率，关键是对模糊控制法加以使用，以参数可自动调节PID 为基础，使位移偏差量得到补偿，达到自动校正参数的目的，增加换刀系统的稳定性。

4、 结束语

换刀系统是加工中心不可或缺的构成部分，其运行效率直接影响到加工的精度与效率。研究表明，无法完成自动换刀的过程的原因往往与电气、机械、液压和气压综合相关，只有对换刀原理及过程进行深入了解，才能做到及时发现并解决潜在故障，为提升各机械行业的加工效率提供支持。