在數(shù)控機(jī)床的維修中，與換刀相關(guān)的故障極為多見。本文基于機(jī)械手換刀裝置的結(jié)構(gòu)與動(dòng)作控制，結(jié)合維修實(shí)例，歸納常見故障現(xiàn)象、原因及處理措施，在數(shù)控機(jī)床的維修與改造中具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，值得認(rèn)真探索、交流與推廣。
數(shù)控機(jī)床特別是數(shù)控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次裝夾、多工序自動(dòng)加工，而實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在于自動(dòng)換刀裝置。由于自動(dòng)換刀裝置工作頻度高、控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，包括刀庫(kù)、刀具交換以及驅(qū)動(dòng)等部分，因此出現(xiàn)故障的幾率也大，在數(shù)控機(jī)床的維修中占有相當(dāng)大的比例。了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制機(jī)理，熟悉換刀的動(dòng)作流程，總結(jié)歸納常見故障現(xiàn)象、原因及解決措施，借鑒相關(guān)維修實(shí)例，有助于快速、準(zhǔn)確地診斷并排除故障，提高維修工作的質(zhì)量與效率。
1.機(jī)械手換刀裝置的結(jié)構(gòu)
圖1 多主軸換刀
圖2 雙主軸換刀
圖3 轉(zhuǎn)塔頭式換刀
圖4 斗笠式換刀
圖5 機(jī)械手換刀
數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀功能的實(shí)現(xiàn)有多種方式，如多主軸換刀（見圖1）、雙主軸換刀（見圖2）、轉(zhuǎn)塔頭式換刀（見圖3）、斗笠式換刀（見圖4）及機(jī)械手換刀（見圖5）等。按是否由機(jī)械手換刀可將其分為兩類：無機(jī)械手換刀（如斗笠式）大多依靠主軸與刀庫(kù)間的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拔刀與插刀，換刀時(shí)刀庫(kù)移至換刀位置，主軸先將刀具還回刀庫(kù)換刀位的空刀座上，然后刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)使下一工序所需刀具進(jìn)入換刀位置，主軸再?gòu)牡稁?kù)取走新的刀具，還刀和取刀兩個(gè)動(dòng)作只能分步進(jìn)行，加之主軸的軸向運(yùn)動(dòng)以及刀庫(kù)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此換刀時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低，刀庫(kù)的容量也較小；目前數(shù)控機(jī)床更多采用的是機(jī)械手換刀，利用機(jī)械手快速、準(zhǔn)確地對(duì)調(diào)刀庫(kù)中換刀位與主軸上的刀具，還刀、取刀同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間大大縮短，而且刀庫(kù)容量不受換刀機(jī)構(gòu)限制。
圖6 盤式刀庫(kù)
圖7 鏈?zhǔn)降?span style="font-family: inherit;">庫(kù)
1.刀具固定板架 2.刀座 3.換刀機(jī)械手
4.換刀位置刀座 5.取刀機(jī)械手縱向?qū)к?/p>
6.取刀機(jī)械手橫向?qū)к?/p>
刀庫(kù)按刀具的布局可分為盤式、鏈?zhǔn)胶透褡邮饺N。盤式刀庫(kù)刀具呈圓周狀分布（見圖6），鏈?zhǔn)降稁?kù)刀具布置在鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)上（見圖7），格子式刀庫(kù)刀具縱橫排列（見圖8）。盤式刀庫(kù)空間利用率低、容量小，一般用于小型加工中心。鏈?zhǔn)脚c格子式刀庫(kù)空間利用率高、容量大，用于中型與大型數(shù)控加工中心。刀庫(kù)的作用不僅是存放加工過程中所需要的刀具，還負(fù)責(zé)把下一工序所要使用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置。
圖9 凸輪式換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
刀具交換裝置的驅(qū)動(dòng)方式有液壓、伺服和交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。液壓驅(qū)動(dòng)需要足夠的液壓動(dòng)力，且運(yùn)動(dòng)的速度和準(zhǔn)確性受油質(zhì)、油壓、油溫及環(huán)境等因素影響，一般用于不需要頻繁換刀的大中型機(jī)床。伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的換刀裝置換刀速度快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，但成本較高。交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的換刀裝置，借助凸輪機(jī)構(gòu)（見圖9），換刀速度快、定位準(zhǔn)、穩(wěn)定性高、連貫性好且成本低，廣泛用于頻繁換刀的中小型加工中心。
2.機(jī)械手換刀動(dòng)作流程與選刀方式
圖10 換刀動(dòng)作流程圖
圓盤式刀庫(kù)與凸輪式換刀機(jī)械手的換刀動(dòng)作流程如圖10所示。
換刀數(shù)據(jù)表
刀庫(kù)的選刀有順序選刀、刀具編碼選刀、刀座編碼選刀和隨機(jī)選刀四種方式。機(jī)械手換刀大多采用隨機(jī)換刀方式，從主軸取下的刀具就近放入刀庫(kù)中剛?cè)∽叩毒叩膿Q刀位刀座內(nèi)，取刀與還刀同步完成。其原理是在存儲(chǔ)器中建立換刀數(shù)據(jù)表，表中存儲(chǔ)單元的地址與刀座編號(hào)及主軸相對(duì)應(yīng)，因此數(shù)據(jù)表的容量為刀庫(kù)中刀座數(shù)加1，存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)與刀具編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，如附表所示。換刀時(shí)數(shù)據(jù)更新是先將主軸所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)（換刀前刀具的編號(hào)）寫入刀庫(kù)換刀位刀座所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，再將換刀指令中的刀具編號(hào)寫入主軸所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，完成主軸與換刀位刀具編號(hào)的對(duì)換。假設(shè)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)單元首地址為D300，該地址所對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元中存放的數(shù)據(jù)即為主軸上刀具的編號(hào)，地址為D301～D（300+n）的存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，即刀庫(kù)中從1#～n#刀座上刀具的編號(hào)。
3.機(jī)械手換刀裝置的常見故障與排除方法
在數(shù)控機(jī)床維修的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)與換刀相關(guān)的故障，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及換刀動(dòng)作過程，歸納刀庫(kù)及機(jī)械手兩大方面常見故障現(xiàn)象、產(chǎn)生原因與采取措施如下。
?。?）刀庫(kù)故障。
?、俪Ｒ姽收?：刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。可能原因：電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動(dòng)；變頻器故障，電動(dòng)機(jī)不得電；接近開關(guān)或磁簧開關(guān)故障；PLC無輸出控制，或PLC有輸出但接口板中的繼電器失效；氣壓低。常用措施：檢查調(diào)整聯(lián)軸器；檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；通過PLC的IO監(jiān)控畫面檢查IO狀態(tài)，調(diào)整或更換接近開關(guān)或磁簧開關(guān)，檢查或更換繼電器；調(diào)整氣壓達(dá)到規(guī)定值。
② 常見故障2：刀盤定位不準(zhǔn)?？赡茉颍弘妱?dòng)機(jī)剎車器磨損。常用措施：調(diào)整電動(dòng)機(jī)剎車器中調(diào)節(jié)螺釘。
?、鄢Ｒ姽收?：換刀位刀座在倒刀時(shí)不正常。可能原因：氣壓不符合要求、止動(dòng)螺絲松動(dòng)、氣缸損壞、倒刀電磁閥接觸不良或損壞、刀具超重或超長(zhǎng)。常用措施：調(diào)整氣壓到符合要求、鎖緊止動(dòng)螺絲、更換氣缸、檢查電磁閥接點(diǎn)或更換元件、更換刀具。
?、艹Ｒ姽收?：刀套上下不到位?？赡茉颍喊惭b調(diào)整不當(dāng)或撥叉位置不正確、限位開關(guān)安裝不正確或調(diào)整不當(dāng)，造成反饋信號(hào)錯(cuò)誤。常用措施：檢查、調(diào)整撥叉或限位開關(guān)位置，或更換元件。
⑤常見故障5：倒刀時(shí)刀具掉落?？赡茉颍旱短變?nèi)彈簧夾力不夠或不能正常復(fù)位、刀柄和拉釘?shù)木嚯x不正確。常用措施：調(diào)整或更換元器件。
?、蕹Ｒ姽收?：刀套破裂?？赡茉颍旱短孜炊ㄎ磺坝械沟秳?dòng)作或未回位前刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)、裝入刀具時(shí)撞壞。常用措施：調(diào)整刀盤定位近接開關(guān)或倒刀氣缸磁簧開關(guān)位置、更換刀套。
⑦常見故障7：電動(dòng)機(jī)燒壞?？赡茉颍弘娫慈毕嗷螂妷翰徽_、剎車燒壞、刀具超重、組件不能運(yùn)轉(zhuǎn)。常用措施：檢查接觸器接點(diǎn)是否損壞、電源是否缺相及電壓等級(jí)是否匹配；檢測(cè)剎車器線圈是否損壞、接地是否正確；檢查刀具質(zhì)量是否超過允許值；檢查刀套滑動(dòng)部位是否順暢。
?。?）機(jī)械手故障。
①常見故障1：刀具夾不緊，時(shí)常掉刀。可能原因：卡爪彈簧的壓力太小、彈簧后面的螺母松動(dòng)、機(jī)械手卡緊鎖不起作用、刀具超重。常用措施：擰緊彈簧后螺母、調(diào)整或更換卡緊鎖、更換彈簧、更換刀具。
②常見故障2：刀具夾緊后松不開?？赡茉颍嚎ㄗ椈蓧汉线^緊，卡爪縮不回。常用措施：調(diào)松螺母或更換彈簧，使最大載荷不超過額定值。
?、鄢Ｒ姽收?：刀具交換時(shí)掉刀?？赡茉颍簱Q刀時(shí)主軸箱沒回到換刀點(diǎn)或換刀點(diǎn)漂移；機(jī)械手抓刀時(shí)沒有到位就開始打刀或拔刀、刀臂及刀具的夾刀點(diǎn)不正確，打刀缸松拉刀位置不準(zhǔn)確，打刀缸壓力不夠，松刀不正常、刀具太重、刀臂變形。常用措施： 應(yīng)重設(shè)定換刀點(diǎn)；校正夾刀點(diǎn)、調(diào)整打刀缸松刀行程、調(diào)整壓力值、檢查刀具質(zhì)量、更換刀臂。
?、艹Ｒ姽收?：刀臂不回位?？赡茉颍弘娐方佑|不良、無夾刀或松刀信號(hào)、刀臂彎曲。常用措施：執(zhí)行手動(dòng)換刀，檢查是否電路故障；用PLC監(jiān)看夾刀或松刀信號(hào)，調(diào)整近接開關(guān)位置、調(diào)整或更換刀臂。
4.維修實(shí)例
（1）案例1。
故障現(xiàn)象：加工中心VMC1000C換刀時(shí)出現(xiàn)主軸掉刀故障。
故障診斷與排除方法：
?、贆z查機(jī)械手手臂上兩個(gè)卡爪的彈簧及附件，沒有發(fā)現(xiàn)異常，說明機(jī)械手夾持刀具沒有問題。
?、诓痖_主軸檢查碟簧能否對(duì)刀具夾持緊固，發(fā)現(xiàn)碟簧完好。
?、鄞蜷_PLC的I O監(jiān)控畫面，反復(fù)按壓主軸刀具夾緊到位行程開關(guān)，發(fā)現(xiàn)其“0”、“1”狀態(tài)與實(shí)際動(dòng)作不一致，說明該行程開關(guān)有問題, 更換后故障排除。
?。?）案例2。故障現(xiàn)象：加工中心BX-110P機(jī)械手取送刀具時(shí)不能縮爪。
故障診斷與排除方法： 打開PLC的IO監(jiān)控畫面，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的限位開關(guān)沒有壓合；調(diào)整其位置后，機(jī)床恢復(fù)正常。但一段時(shí)間之后，再次出現(xiàn)此故障，檢查限位開關(guān)沒有松動(dòng)，但卻沒有壓合，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)液壓缸拉桿頂端鎖緊螺母的緊固螺釘松動(dòng)，致使液壓缸伸縮的行程發(fā)生了變化；調(diào)整鎖緊螺母并擰緊緊固螺釘后，此故障排除。
5.結(jié)語
機(jī)械手換刀裝置是數(shù)控機(jī)床最重要的功能部件之一，掌握其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制機(jī)理，不斷總結(jié)歸納常見故障現(xiàn)象、原因及解決措施，不但有助于提高維修數(shù)控機(jī)床的效率與質(zhì)量，對(duì)機(jī)床的維護(hù)與改造也有重要的參考意義。