高精度機(jī)床換刀系統(tǒng)故障研究

盧 龍

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

高速高精度機(jī)床由國(guó)外引進(jìn)，配備海德漢Millplus 數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床為五軸五聯(lián)動(dòng)高速高精度機(jī)床，擅長(zhǎng)加工空間復(fù)雜殼體類零件，需要強(qiáng)大的工藝技術(shù)以及龐大的刀具系統(tǒng)支持。1 次零件裝夾，利用其強(qiáng)大的換刀系統(tǒng)可以連續(xù)自動(dòng)、高速高精度的完成銑、鉆、鏜、擴(kuò)、鉸、攻絲以及拉削等多工序的加工。

由于復(fù)雜的機(jī)械加工特性，要求機(jī)床換刀系統(tǒng)頻繁工作，且由于在加工過(guò)程中的大吃刀量，以及由于人為因素引起的刀具零件撞擊等原因，造成換刀系統(tǒng)損壞，機(jī)床功能精度喪失，直至機(jī)床停機(jī)，嚴(yán)重影響設(shè)備利用率。通過(guò)對(duì)機(jī)床換刀系統(tǒng)的換刀流程進(jìn)行分解，分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理，解決換刀故障。

1 換刀系統(tǒng)理論研究

1.1 換刀系統(tǒng)概述

此類型高速高精度機(jī)床具有獨(dú)特的空間曲面加工能力，具備五軸五聯(lián)動(dòng)、立臥轉(zhuǎn)換、電主軸單元。換刀系統(tǒng)由拉刀機(jī)構(gòu)和盤(pán)式刀庫(kù)組成。拉刀機(jī)構(gòu)采用液壓油缸作為推力元件，預(yù)緊彈簧作為拉力元件。盤(pán)式刀庫(kù)與常見(jiàn)的刀庫(kù)形式一樣，具有相同的結(jié)構(gòu)功能。

換刀系統(tǒng)的拉刀機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是具備預(yù)緊功能，拉緊力穩(wěn)定，材料性能穩(wěn)定，安全性高，尺寸緊湊便于安裝。但是由于機(jī)床換刀動(dòng)作頻次高，整個(gè)換刀系統(tǒng)都要承受長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的屈服力，容易誘發(fā)材質(zhì)性疲勞。機(jī)床有效利用期過(guò)后，換刀系統(tǒng)容易發(fā)生故障，影響機(jī)床的使用效率。拉刀機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 換刀系統(tǒng)研究

高速高精度機(jī)床換刀系統(tǒng)由拉刀機(jī)構(gòu)和盤(pán)式刀庫(kù)組成，兩部分互相配合共同完成一次換刀動(dòng)作。拉刀機(jī)構(gòu)是主軸用于拉緊和放松刀具的一種機(jī)械裝置，主要由拉桿、拉爪、拉力彈簧以及液壓油缸組成。拉桿的作用是整個(gè)拉刀機(jī)構(gòu)的載體，起固定作用；拉爪主要是拉緊刀具上的拉釘，從而拉緊整個(gè)刀具；拉力彈簧在液壓油缸作用下受力變形，從而在拉桿上產(chǎn)生位移，蓄積能量用于拉緊刀具；液壓油缸是松刀動(dòng)力提供者。整個(gè)拉刀機(jī)構(gòu)安裝與主軸內(nèi)孔里面，主軸移動(dòng)到盤(pán)式刀庫(kù)換刀位置進(jìn)行刀具交換。

2 故障介紹

換刀系統(tǒng)在換刀過(guò)程中出現(xiàn)E370 報(bào)警，機(jī)床在換刀位置停止動(dòng)作，消除報(bào)警后，再次執(zhí)行換刀程序，時(shí)好時(shí)壞，機(jī)床時(shí)常會(huì)出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，不能正常使用。

3 換刀系統(tǒng)修理

3.1 換刀流程概述

圖1 拉刀機(jī)構(gòu)

機(jī)床換刀動(dòng)作簡(jiǎn)介：機(jī)床操作系統(tǒng)使用的是海德漢Millplus數(shù)控系統(tǒng)，首先由HMI（Human-Machine Interface，人機(jī)對(duì)話單元）輸入換刀指令，例如T1M6 后，執(zhí)行此指令，刀庫(kù)門打開(kāi)，主軸運(yùn)行到換刀位置，然后主軸下到刀庫(kù)中取刀，就在此時(shí)主軸上端液壓油缸推動(dòng)拉力彈簧，主軸拉爪此時(shí)松開(kāi)，然后主軸抓刀，拉刀油缸縮回，在拉力彈簧作用下主軸拉緊刀具，主軸回到加工位置，刀庫(kù)門合上，此次換刀結(jié)束。換刀流程如圖2 所示。

圖2 換刀流程

3.2 換刀系統(tǒng)修理

換刀系統(tǒng)由執(zhí)行元件、控制元件兩部分組成。兩部分互相配合來(lái)完成一次完整的換刀動(dòng)作。這兩方面內(nèi)容分別如下：

控制元件：包括機(jī)床控制面板、伺服驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集觸點(diǎn)、PLC、I/O、各種電磁閥以及電氣元件等。

執(zhí)行元件：主軸松刀油缸、拉力彈簧、拉桿、拉爪、刀庫(kù)等。

首先從控制元件入手，機(jī)床使用海德漢MILLPLUS 數(shù)控操作系統(tǒng)，進(jìn)入I/O 界面，觀察主軸拉松刀所對(duì)應(yīng)的I/O 點(diǎn)。主軸松刀油缸上有3 個(gè)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，C2-03B31、C2-03B51、C2-03B71，通過(guò)感應(yīng)油缸上的感應(yīng)塊，檢測(cè)油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所處的位置，把感應(yīng)到的信號(hào)發(fā)送到NC，此3 個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)依次對(duì)應(yīng)I/O點(diǎn)中的WS：E9.6.1、WS：E9.6.2、WS：E9.6.3，其具體的關(guān)系如下：

主軸松刀，信號(hào)感應(yīng)開(kāi)關(guān)C2-03B31 亮，把信號(hào)輸入NC，在I/O 點(diǎn)中WS：E9.6.1 亮顯示；

主軸有刀拉緊，信號(hào)感應(yīng)開(kāi)關(guān)C2-03B51 亮，把信號(hào)輸入NC，在I/O 點(diǎn)中WS：E9.6.2 亮顯示；

主軸無(wú)刀拉緊，信號(hào)感應(yīng)開(kāi)關(guān)C2-03B51、C2-03B71 同時(shí)亮，把信號(hào)輸入NC，在I/O 點(diǎn)中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同時(shí)亮顯示。

然后手動(dòng)進(jìn)行松刀、有刀拉緊、無(wú)刀拉緊3 個(gè)動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)主軸有刀拉緊后I/O點(diǎn)中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同時(shí)亮，而主軸松刀、主軸無(wú)刀拉緊后I/O 窗口中顯示正常。主軸有刀拉緊后信號(hào)采集時(shí)出現(xiàn)異常，調(diào)整主軸上有刀拉緊信號(hào)檢測(cè)開(kāi)關(guān)。調(diào)整好之后，嘗試手動(dòng)換刀，然而還會(huì)偶爾出現(xiàn)松不開(kāi)刀，檢查I/O點(diǎn)以及上述信號(hào)檢測(cè)開(kāi)關(guān)均顯示正常。檢查控制松刀油缸的電磁閥、各繼電器、PLC、以及各線路，一切正常，所以排除電氣方面的原因。

圖3 主軸無(wú)刀拉緊信號(hào)顯示

對(duì)執(zhí)行元件檢查，由于此類電主軸特有的拉刀機(jī)構(gòu)，其拉爪正下方背緊螺釘上標(biāo)有松刀距離，可以根據(jù)此距離來(lái)判斷拉刀距離是否正確。松刀拉刀距離測(cè)量方法如下：手動(dòng)松刀后用深度尺測(cè)量松刀距離為93.1 mm，然后無(wú)刀拉緊再次測(cè)量距離為97.6 mm，距離差為4.5 mm，小于正常松拉刀距離差6 mm，且正常松刀距離為93.6 mm，拉刀距離為99.3 mm，同時(shí)用OTT拉力檢測(cè)裝置檢測(cè)拉刀拉力為7 kN，理論值為8 kN，實(shí)際拉力值過(guò)小。所以拉刀機(jī)構(gòu)上的拉力彈簧可能破碎，這與主軸拉刀后拉不緊，且時(shí)有松不開(kāi)刀的故障現(xiàn)象相吻合。拆卸拉刀機(jī)構(gòu)，必須先把主軸從床身上拆下，然后再分解出拉刀機(jī)構(gòu)，拆下拉刀機(jī)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，拉桿上拉力彈簧部分已經(jīng)碎裂，且上面有許多黑色銹質(zhì)物，檢查主軸錐孔，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)生銹，用除銹劑去除銹質(zhì)，更換新的拉力彈簧，重新安裝拉刀機(jī)構(gòu)，裝配拉刀機(jī)構(gòu)到主軸，然后重新安裝主軸，同時(shí)調(diào)整主軸幾何精度，然后進(jìn)行主軸松刀、拉刀動(dòng)作試驗(yàn)，調(diào)整松刀距離，拉刀距離到所需距離。調(diào)整完成后，進(jìn)行自動(dòng)換刀，整個(gè)換刀過(guò)程正常，故障排除。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)換刀系統(tǒng)故障的維修，對(duì)此類機(jī)床的拉刀機(jī)構(gòu)有了深入的理解。此類拉刀機(jī)構(gòu)中的拉力彈簧由于長(zhǎng)期不間斷受力，發(fā)生應(yīng)力疲勞變形，甚至斷裂，造成主軸拉不緊刀。還有就是拉刀機(jī)構(gòu)中由于進(jìn)冷卻液，發(fā)生腐蝕、生銹，主軸錐空磨損，與刀柄的配合尺寸發(fā)生變化，這些原因最終使主軸拉刀距離發(fā)生變化，機(jī)床出現(xiàn)換刀故障。此類故障的維修是一項(xiàng)繁雜而又需要細(xì)致精神的工作，需要對(duì)機(jī)械、電氣圖紙進(jìn)行分析研究，找出故障點(diǎn)，一步一步進(jìn)行拆卸、安裝、調(diào)整，直到滿足使用要求為止。