加工中心自动换刀控制及常见故障分析

第27 卷第1期2 0 0 9 年1 月西安航空技术高等专科学校学报Journal of Xi an Aerotechnical CollegeVol 2 7 No 1Jan . 2 0 0 9 自动换刀装置控制原理及故障分析罗庚合1, 黄万长2( 1. 西安航空技术高等专科学校机械工程系, 陕西西安710077; 2. 陕西法士特齿轮有限公司, 陕西西安710077)摘要: 加工中心自动换刀装置提高了数控机床的加工效率, 但由于加工中心换刀装置的动作控制比较复杂, 包含机械、电气与PM C、液压和检测等技术, 所以自动换刀装置的故障率比较高, 主要介绍自动换刀装置的类别和控制,自动换刀装置的故障诊断方法, 列举了自动换刀装置的一些常见故障及维修示例。

关键词: 加工中心; 选刀; 刀具交换; 乱刀与掉刀; PM C 诊断; I/ O 状态诊断中图分类号: T H161+ . 21 文献标识码: A 文章编号: 1008- 9233( 2009) 01- 0014- 051 引言4、6、8、12 工位, 有用电动机驱动的正传和反转, 也有用液压系统通过电磁换相阀和顺序阀进行控制加工中心可分为车削中心、镗铣中心和钻削中心等, 加工中心在加工过程中, 要使用多种刀具, 因此必须有自动换刀装置, 以便选择不同刀具, 完成不同工序的加工工艺。

常用的刀库形式有圆盘式刀库, 链式刀库, 格子盒式刀库。

按有无机械手又可分为不带机械手的自动换刀装置和带机械手的自动换刀装置。

按刀库的旋转和机械手的动作驱动方式可分为有液压、气动控制系统和电气与机械联合控制的驱动系统。

随着加工中心数控机床的普及和应用, 自动换刀装置控制过程中的故障率也比较高。

由于自动换刀装置结构比较复杂、控制为机、电、液联合控制, 复杂系数高等原因。

所以加工中心自动换刀装置的故障维修比较困难。

简要叙述换刀装置的分类和特点, 以立式镗铣中心普遍使用的圆盘式加工中心自动换刀装置为例, 分析自动换刀装置的控制原理及常见故障的维修方法。

1加工中心自动换刀方式及乱刀简介（1）换刀方式简介加工中心自动换刀系统的控制主要分为两部分：刀库选刀控制（T 指令）和刀具交换控制（M06指令）。

目前刀库选刀控制最常见的方式主要有刀套编码方式和计算机记忆随机换刀。

刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后，就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的，斗笠式刀库便是此种控制方式。

计算机记忆随机换刀方式的特点是刀具号和刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器的存储器中，不论刀具放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回，圆盘凸轮机械手刀库便是此种控制方式。

（2）乱刀简介乱刀是指换刀指令刀号与刀库刀座号不一致现象。

例如：程序指定M06 T03，而换刀机械手在换刀时却抓取了5号刀座的刀具称为乱刀现象。

2乱刀原因分析加工中心出现乱刀故障可能由以下几种原因引起：（1）在正常换刀时由于换刀气压不足，导致换刀过程卡住，在手动刀库复位后可能产生刀库亂刀。

（2）由于机床机械结构损坏，或者数控系统参数丢失导致刀库乱刀。

（3）机械手在换刀过程中，由于操作人员按下机床复位键或者急停键，导致换刀意外终止，可能产生刀库错乱。

3、刀库乱刀现象的解决方法（1）斗笠式刀库乱刀解决方法①打开机床电控柜，机床上电②在MDI方式输入换刀指令M06 Txx，观察电控柜中的哪个继电器动作，刀库的正反转是由两个继电器控制，如果此时刀库是顺时针旋转，再输入一个换刀指令，使刀库逆时针旋转，观察电控柜中的哪个交流接触器动作③使机床数控系统断电，拿一根绝缘棒手动按下控制刀库旋转的交流接触器，如顺时针方向乱刀，则按下控制刀库逆时针方向旋转的交流接触器；如逆时针方向乱刀，则按下控制刀库顺时针方向旋转的交流接触器，直到刀库转到与输入的换刀刀号一致的位置注意的问题：1）开机后取下主轴和刀库所有的刀具，避免调整后换刀时发生主轴与刀库中刀具相撞的危险2）注意使用绝缘棒，避免触电的危险3）调整时要有人帮助观察刀库转动的位置是否到达换刀指令指定的刀具号位置4）调整好后输入一个换刀指令，观察刀盘前进与主轴松刀动作时主轴卡刀槽是否与刀库卡刀槽位置一致，否则会发生主轴刀具与刀库相撞的危险（2）圆盘凸轮机械手刀库乱刀现象的解决方法在出现刀号混乱的情况下应立即进行刀具的整理操作，具体步骤如下所示：①取出刀库中的全部刀具，将刀具按刀具表中相对应的关系重新插入刀库中或按刀库中刀具的实际状态修改刀具表（需打开参数开关，参数开关在数控系统CPU板上）。

动75度，回到机械手原始位置，此时机械手原位开关发出信号，倒刀电磁阀线圈 YV3B 断电，回刀电磁阀线圈YV5C 通电，气缸向下运动推动刀杯向上翻转90度，回 刀定位开关SX5B 检测到信号，为自动加工作准备，完成整个换刀控制过程。

如图 Id 所示。

4、自动换刀装置常见故障及解决方法（1）机械手卡死处理方法加丄中心在加工完零件自动换刀时，出现机械手卡死现象，屏幕出现2103# 报警，无法继续自动加工。

方法一：•设备禁止断电。

•在MDI 方式下输入M39 （强制换刀指令），按循环启动按钮进行强制换刀， 若机械手依然卡死，则参照方法二处理。

方法二：•设备禁止断电。

•在J0G 方式下松开主轴夹具，拆下机械手电机顶罩，手动逆时针盘电机，中途卸下刀座，继续盘电机至原位，消除2103#报警。

-TrtTOTT «C1L_ 9 1 - -UU 1 匸 14-1•按屏幕显示刀号在主轴装入刀座，HD：主轴刀号，XX:等待刀号。

•在MDI方式下输入M06换刀指令，装入另一刀座，若是T2刀座注意定位。

机床空运行一循环，确认主轴刀具与程序制定刀具一致性。

最后正确装夹工件自动加工。

（2）自动换刀时主轴掉刀故障处理方法在换刀时主轴刀座从机械手掉下，自动加工被迫停止。

•检查主轴换刀点是否偏移。

•主轴编码器与主轴连接是否松动，主轴编码器转位信号是否正确。

•检查机械手扣刀开关SX33位置。

•手盘电机察看机械手与主轴刀具换刀点是否干涉。

（3）刀库倒刀时刀座从刀杯内掉落故障处理方法•刀库换刀位置刀杯内弹簧疲劳变形，夹紧力不够，调整弹簧预紧力。

•倒刀气缸拉杆与刀杯定位偏移，倒刀定位开关SX5B信号无，调整螺钉及开关位置，恢复倒刀动作。

•刀座超过允许的重量限制。

（4）刀库乱刀故障处理方法不正确的操作使系统PMC参数丢失或刀库装置维修后，会出现换刀过程中乱刀现象，造成撞刀事故。

•恢复系统PMC参数，调整刀库计数开关、机械手初始开关及倒刀开关位置, 恢复换刀动作。

A c a d e m i c F o r u m /学术论坛89王登亮，王　超（江西铃格有色金属加工有限公司，江西　南昌　330013）摘要：主要介绍马扎克5000-II 型机床换刀系统的机械结构、工作原理、常见故障原因及问题处理措施。

关键词：换刀系统；ATC；刀库；主轴；内冷管1　背景介绍我们公司机加工厂成立于2015年初，机加设备维修班成立时间更短，维修人员平均年龄不到29岁，他们踏出校园大门怀揣着对生活的美好梦想一起组建了机加维修班，这过程工存在许多问题；换刀系统是加工中心生产加工过程中关键的环节，直接影响加工效率、质量、设备稳定性。

公司现有5000-II 型马扎克加工中心14台，主要生产铝合金变速箱壳体，是我们公司生产主力设备。

随着公司产能提升、降本增效要求不断提供，目前设备状态远远达不到使用及费用控制要求；统计2018年1-12月换刀系统故障平均595 min/月，18年发生的维修费用合计约18.62万。

为降低设备故障率、减少设备维修费用、提高生产效率。

18年上半年我们成立攻坚改善小组针对整个换刀系统故障进行统计、分析，从A 矩阵的损失分类统计到B 矩阵的因果关系分类到C 矩阵的货币化转化，把故障转化为实实在在的费用损失，选定攻击对象，有的放矢。

2　工作原理简述换刀系统包含刀库、刀库门、换刀机构、主轴等系统；各个系统精准的配合最终完成一次完美的换刀动作，换刀中弧面凸轮通过控制机械手上轴承来控制机械手的转动；平面凸轮通过连杆机构控制机械手的伸缩与收回。

而换刀机构上刀具的夹紧靠摆臂手上的夹指完成。

换刀系统动作顺序为NC 系统接收到换刀指令后，PLC 输出动作到ATC 门、刀库、ATC 单元、主轴等做出相应准备：门打开、主轴移动到第二参考点或者换刀点、主轴定向、刀库备刀至换刀位、换刀气缸将被选刀移至主轴侧、ATC 单元旋转到换刀角度、主轴抓刀单元松开到位、ATC 单元自动移出并旋转至主轴上完成主轴上刀具与待刀位刀具之间的交换、主轴抓刀单元夹紧到位、ATC 臂回到起点。

发那克（FANUC）故障与维修经验总结发那克(FANUC)故障与维修经验总结cnc,电脑锣数控机床的故障分析:数控机床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点。

但由于技术越来越先进、复杂，对维修人员的素质要求很高，要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控机床出现故障才能及时排除。

我公司有几十台数控设备，数控系统有多种类型，几年来这些设备出现一些故障，通过对这些故障的分析和处理，我们取得了一定的经验。

下面结合一些典型的实例，对数控机床的故障进行系统分析，以供参考。

一、NC系统故障1．硬件故障有时由于NC系统出现硬件的损坏，使机床停机。

对于这类故障的诊断，首先必须了解该数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，在有条件的情况下利用交换法准确定位故障点。

例一、一台采用德国西门子SINUMERIK SYSTEM3的数控机床，其PLC采用S5─130W／B，一次发生故障，通过NC 系统PC功能输入的R参数，在加工中不起作用，不能更改加工程序中R参数的数值。

通过对NC系统工作原理及故障现象的分析，我们认为PLC的主板有问题，与另一台机床的主板对换后，进一步确定为PLC主板的问题。

经专业厂家维修，故障被排除。

例二、另一台机床也是采用SINUMERIK SYSTEM3数控系统，其加工程序程序号输入不进去，自动加工无法进行。

经确认为NC系统存储器板出现问题，维修后，故障消除。

例三、一台采用德国HEIDENHAIN公司TNC155的数控铣床，一次发生故障，工作时系统经常死机，停电时经常丢失机床参数和程序。

经检查发现NC系统主板弯曲变形，经校直固定后，系统恢复正常，再也没有出现类似故障。

2．软故障数控机床有些故障是由于NC系统机床参数引起的，有时因设置不当，有时因意外使参数发生变化或混乱，这类故障只要调整好参数，就会自然消失。

还有些故障由于偶然原因使NC系统处于死循环状态，这类故障有时必须采取强行启动的方法恢复系统的使用。

CNC加工中心换刀失灵
（飞舵加工）
CNC加工中心具有自动换刀系统，可以实现自动换刀，完成复杂工件的多工序加工。

这就是CNC加工中心对于普通机床的优势所在。

自动换刀代替了手动换刀，减少人力劳动，提高了加工效率。

但是如果CNC加工中心换刀失灵，那对于加工中心就是个毁灭性的打击，将使加工中心无法工作，耽误加工生产。

下面给大家分析CNC加工中心换刀失灵的原因及解决方法。

造成CNC加工中心换刀失灵主要原因有：机械手没有回到原点；或系统没有采集到机械手原点信号；刀套翻转气缸电磁阀故障，没执行刀套回位动作；刀套翻转气缸的气路故障；刀套翻转机构机械故障。

CNC加工中心换刀失灵解决方法：检查刀库线路以及气路是否正常；检查过手动松夹刀是否有问题；检查CNC加工中心气压是否正常；输入单个指令使刀套上下，查看是否正常。

自动换刀是CNC加工中心的优势，换刀失灵只是偶然的故障，要尽快解决好才能最大发挥CNC加工中心的作用，更快更多地加工生产出高精度的产品。

工作研究—38—圆盘式刀库立加换刀工作原理及故障诊断宁 钊 薛虎成 屈蓬勃（庆安集团有限公司，陕西 西安 710000）本文以某型数控立式加工中心采用的圆盘式刀库为例，介绍一下圆盘式刀库工作原理及常见故障分析。

圆盘式刀库的结构特点 圆盘式刀库通常应用于小型立式加工中心，结构简单、便于维修。

刀库容量通常为“15-30”把刀具，本机床刀库容量为24把刀，搭配换刀机械手进行刀具交换。

刀套上下翻转依靠液压缸驱动完成，机械手旋转换刀动作由机械手电机带动凸轮机构完成。

刀库选刀原理为：1号刀套为基准刀套，采用随机换刀方式，即将从主轴换下来的刀具直接放入圆盘式刀库的空刀套中，数控系统刷新生成新的刀库表，实时记录刀套与刀具之间的对应关系。

另外由于圆盘式刀库的刀柄在刀库放置时7:24锥面是敞开式的，无保护，时间长了或者工作环境恶劣，锥面容易被污染，影响刀具的重复安装精度，同时应注意刀库中的刀具应该在刀盘周围均匀放置，尽量使刀库受力均匀，以减少故障发生，延长刀库使用寿命。

本机床机械手采用的是凸轮联动式单臂双爪机械手，这种机械手结构由电机直接驱动，不需要较复杂的液压系统及密封、缓冲装置，没有漏油现象，可靠性高。

机械手臂的旋转、拔刀、插刀动作是联动的，可缩短换刀时间。

由机械手电机旋转带动机械手凸轮机构，依次完成机械手正转75°抓刀，机械手臂下落拔刀，机械手旋转180°，机械手上升插刀，机械手反转75°复位，从而机械手完成一次换刀循环。

机械手凸轮机构由曲线凸轮和6个机械手滚轮组成，从而把机械手电机的旋转运动转化为机械手臂的旋转运动和上下运动。

此机床主轴松拉刀机构是由电磁阀控制的液压回路作用，推动松拉刀液压缸活塞与碟簧动作来完成拉刀松刀动作。

拉刀时电磁阀YV1失电，油缸上腔接回油，下腔接压力油，活塞向上运动，带动拉杆向上移动，从而使拉抓进入刀柄尾部拉丁环槽内，将刀具刀柄拉紧，松刀时，电磁阀YV1得电，油缸上腔接压力油，下腔接回油，活塞向下运动，推动拉杆下移，将拉抓推至主轴孔径较大处可以松开刀柄拉钉。

加工中心常见换刀故障的分类总结及排除方法加工中心已广泛应用于机加生产线中。

在当今时代，任何自动化生产设备都与数控技术密切关联，从数控设备的特征看，在其开发、生产、销售到使用与维护的过程中，都不可避免地涉及到许多相关领域和交叉学科。

因此，学习、理解和掌握数控技术，是从事加工行业人士的必经之路。

为了尽是减少加工中心的故障停机时间，根据个人多年的维修经验，针对加工中心故障频率较高的自动换刀装置部分，总结了一些快速诊断和查找故障的方法。

首先，加工中心常见的换刀方式分为带机械手和不带机械手：带机械手的加工中心换刀动作顺序为①主轴定位；②Z轴运行至换刀点；③刀套向下；④刀臂旋转60°；⑤主轴松刀吹气；⑥刀臂向下拉刀，然后旋转180°；⑦刀臂向上，主轴夹刀；⑧刀臂旋转至原点；⑨刀套向上回位，换刀完毕。

不带机械手的圆盘式刀库，换刀动作顺序为：①主轴定位；②Z轴运行至换刀点；③刀盘旋转至目标刀号；④Z轴向下至原点；⑤换刀完毕。

根据以往维修经验总结，自动换刀装置在换刀时，常见故障有以下几种：1、刀套动作位置错误，气缸故障2、刀臂夹不紧刀，发生掉刀3、主轴拉芯打不开，刀取不下来4、刀臂位置错误，不能刹车定位5、刀库乱刀6、刀库原点丢失7、刀库电机过载，刀臂电机过载8、刀库位置传感器损坏9、不执行换刀动作10、刀具没有夹紧11、主轴刀具不能夹紧到位下面就一些具体的故障排除方法进行总结：1、主轴刀具不能夹紧到位。

故障现象(1)：刀具送入主轴时不能安全进入夹爪。

原因：①打杆与夹爪拉杆之间距离大于5mm。

②主轴换刀压力不够。

排除方法：①调整打杆处的调整螺母，使其与拉杆之间距离1~5mm以内。

②检查换刀液压油是否足够；气液缸及其管路是否存在泄漏；压缩空气压力是否达到0.392Mpa以上。

若有上述现象，则检修，使主轴换刀压力达到3.92~6.868Pma。

故障现象(2)：工件加工质量变坏，如钻孔出现圆柱度变坏等。

数控机床换刀系统常见故障分析摘要本文以在数控机床维修工作中遇到的机床换刀故障为例，结合本人在数控维修工作中积累的经验，分析了数控机床换刀故障的原因，并提供解决方法。

关键词数控机床；刀库；换刀前言为适应生产的快速发展，公司越来越多的引进数控机床，这些设备自动化程度高，生产加工效率高，精度高，承担了全厂军民品以及外协产品零件加工生产的重要任务。

同时因为数控机床是集计算机控制、电气自动控制技术、机械和液压控制等于一体的机电设备，结构较为复杂，所以，对这些设备的日常维护以及维修极为重要。

下面就着重以数控机床的自动换刀系统和抓刀系统的故障为例，讲述其发生的原因以及解决方法。

1 数控铣床抓刀系统的结构及工作原理数控铣床抓刀系统由刀爪、拉刀杆、碟簧、液压缸、活塞杆组成，还有检测刀具位置的检测开关：刀具夹紧位置检测开关和刀具松开位置检测开关组成。

轻型数控机床通常没有液压单元，因此没有采用液压缸，而采用气缸作为动力，从而使得机床的换刀动作更为敏捷，不过，对气源的要求较高：必须高于气缸动作的额定压力，必须干燥不能含有太多水分，更不能夹带固态杂质。

当抓刀时，按松刀按钮，液压缸推动活塞杆运动，活塞杆伸出推动拉刀杆使刀爪张开，同时刀具松开位置检测开关将刀爪张开信号反馈给数控系统，手动将刀具放入刀爪后，按抓刀按钮。

2 数控加工中心换刀系统的构成与工作原理数控加工中心的换刀系统与普通数控铣床不同的是增加了刀库和机械手，另外，其抓刀系统增加了主轴定位和主轴空刀位检测。

主轴定位一般采用在主轴上安装位置检测元件（如旋转编码器等）来实现，或在固定位置安装精确的检测开关。

刀库的驱动可用伺服电动机或普通电动机和旋转编码器配合实现，可根据指令转动一个或多个刀位。

机械手是用来将主轴上的刀具和刀库中的待用刀具进行交换的装置。

机械手常用电机驱动、汽缸驱动等。

由于在换刀过程中经常会出现机械手卡住的现象，故机床厂家一般都设计有机械手的手动恢复功能。

换到不到位卡刀的故障维修故障现象：自动换刀时刀套无法送到位，刀具先夹紧。

当进行到自动换到程序时，刀库调刀程序开始运行，但是频繁的出现卡刀现象，刀库就停止运行。

3min后机床自动报警。

分析及处理过程：FZ12W巨浪立式加工中心是德国一家公司生产，该设备原来的数控系统是西门子810M系统，由于数控系统的使用年限长，元器件老化故障率高，必须把系统改造升级。

我公司把此设备的数控系统改造成FANUC 0I-MD全数字数控系统，三轴联动，刀库是啄木鸟系列刀库，每把刀具上的机械刀臂都是独立的，共20把刀具和机械臂。

机床的换刀过程是：当执行M6和T代码时，程序会调用O9000的刀库宏程序，通过O9000的程序自动判断当前主轴刀具状况，并作出相应的逻辑判断进行换刀动作：刀具松开、刀盘向下并吹气、刀臂返回、译出所要的T码、更换当前T码、执行T码并刀臂送入、刀盘向上并主轴旋转、主轴定向（刀具定向过程是X6.1信号是高、低、高）、刀具夹紧、这样一个换刀过程就结束。

由上述故障查报警知道是换刀时间超出。

经过检查，故障是由于机械控制部分过于磨损导致故障频繁出现，这个部分在主轴刀具定向的一个定向块上，定向块在装刀过程中由于主轴是旋转定向，所以常时间使用就会磨损量增大，这样一来就会出现定向的信号误动作，造成刀具未到位就提前夹紧，使刀具无法送到位在，换刀就会出现超时报警。

更换定向块设计到主轴的精度等系列问题，难度极大。

为此只有在PMC程序方面解决这个问题，通过修改程序，已经彻底的把故障排除。

PMC程序如下：X6.1刀具定向块信号、X6.0刀具上端信号、X7.6刀盘上端信号修改前:修改后：分析体会：刀库的驱动系统不外乎有三类，一类是机械传动，一类是液压传动，一类是气动传动。

：FZ12W 巨浪立式加工中心是20世纪80年代初的产品，采用气动传动方式，即采用气缸、电磁阀、压力控制阀等来驱动刀库运行。

与采用变频调速器电机驱动的刀库相比，就其电气控制系统而言，要简单的多，直观的多。