数控机床换刀系统常见故障分析
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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。
加工中心的换刀方式有机械手换刀和直接换刀两种方式。
机械手换刀需要主
轴通过指令实现定位，再由抓刀机构、机械手和刀库根据指令相互配合实现，机械手将主轴和刀库上的刀具抓住卸下，相互调换装上，再返回停止位，即完成换刀动作。
直接换刀的加工中心没有机械手，它的刀库刀盘是可以前后移动的，换刀时，主轴先抬高到一定位置定位，刀盘移出卡住主轴上的刀，然后刀爪松刀，主轴再向上抬起到高出刀柄拉钉的位置，此时缷刀完成，再然后刀盘旋转到所选刀位，主轴落下到前一位置抓刀，确定刀具装紧后，刀盘退回到刀库，主轴落下，换刀完成。
由于机械加工过程中，机床换刀的速度可以直接影响到机床运转时间的有效使用率，为了提高机床的使用率，提高生产效益，希望机床的换刀速度越快越好。
数控机床主要担负了复杂零件的加工，特别是加工中心在执行一条零件加工程序时，需要频繁更换刀具，这就对机床的换刀机构能够稳定运行带来了严峻的考验。
因此，对机床换刀机构的日常维护以及维修就显得尤为重要。
下面结合日常工作中遇到的机床抓刀和换刀问题进行分析，并提供相应的解决方法。
3 数控机床抓刀故障例析
例一：一台TH5680数控加工中心，配备SIEMENS 840D系統。
该机床为直接换刀方式，在换刀过程中，出现卡死现象，当刀盘移出，卡住主轴上的刀后，换刀动作停止，机床不能动，无报警。
分析认为：①刀爪没有松开。
检查抓刀液压缸活塞运动是否正常，如不到位，检查装卸刀电磁阀是否阻塞，电磁阀线圈是否烧坏，+24V是否正常，管路是否有泄压漏油之处。
如果到位，检查刀具位置检测开关是否工作正常，若开关损坏，请更换备用元件，若正常，则此项可排除。
②刀盘没有移动到位。
刀盘有前位和后位两个位置检测开关，正常情况下，刀盘在原位时，后位检测开关点亮，前位灭，刀盘移出时，前位亮，后位灭。
先确定刀盘位置是否到位，如不到位，看刀盘有没有被铁屑卡住，再看推动刀盘动作的汽缸气压是否满足要求。
如刀盘到位，检查其两个位置检测开关，其状态应该永不相同，在确定其完好的情况下，可适当调节其位置，保证其正常工作。
③换刀程序出错。
换刀程序为系统默认程序，一般不会出错，如果出错可先将刀盘退回刀库，再重启机床，如若还不行就重新加载程序。
此机床故障经分析检查后发现，刀盘前位检测开关松动，位置改变，将其调回原来位置后，故障消失。
例二：一台FTV-850数控加工中心，配备SIEMENS A2100系统，采用直接换刀方式换刀。
该机床换刀时出现刀库定位销未锁死报警，不能执行换刀程序。
分析：①定位销被铝屑卡住。
打开机床刀库防护罩，查看里面是否有铝屑，将其清除。
若没有，检查定位销是否被撞弯或卡死，再就是检查定位销是否有动
作，检查其动作电磁阀。
②刀库没有旋转到位。
该机床刀库采用伺服驱动，当刀库旋转到位后，定位销探出将刀库锁死在固定位置，以保证主轴顺利完成换刀动作。
经检查①被排除，故障原因为：机床执行换刀指令后，刀库开始旋转寻找相应的刀具，当刀库停止时，位置发生偏差，致使定位销无法插入定位孔所致。
例三：一台XHA788数控加工中心，使用FUNAC-0iA系统，采用机械手换刀方式。
该机床换刀状况良好，倘若连续换刀数把，则会出现机械手卡死现象。
分析：该机床机械手是用一个普通电动机驱动，且没有手动恢复功能，所以处理起来比较困难。
由于该机械手没有手动恢复功能，所以只能强制机械手恢复原位，较简便的方法是：打开机床电气柜，强制控制机械手的电机的接触器闭合接通，促使机械手旋转到原位，然后关闭机床，重新上电，机床恢复正常。
经反复试验，发现机床换刀时，由于主轴套筒内要吹气，而此时空气压力会发生剧烈变化。
经仔细分析认为，该机床配备的空气压缩机储气罐容量太小所致，更换一个容量大的空气压缩机后，此问题再没出现过。
4 结束语
以上所列仅为本人工作中遇到的，当然引起数控机床不能正确抓刀或换刀的原因有很多，机床故障并不一定非要是有元器件损坏引起，也有信号不稳定等因素，而这需要我们更认真仔细，更加有耐心，才能检查出来，需要具体问题具体分析。
