刀庫式加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)故障診斷與維修

雷波 劉華華 許穎

摘 要： 我國是制造大國，數(shù)控機(jī)床作為工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，能夠有效提升工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平。主要探討了刀庫式加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障診斷與維修策略，詳細(xì)介紹了自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成，包括自動(dòng)換刀裝置和自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)，并分析了刀庫故障、換刀機(jī)械手故障以及主軸松刀故障等多種常見問題。在自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)故障方面，著重分析了換刀點(diǎn)漂移、刀庫亂刀和換刀超時(shí)等問題，并提出了相應(yīng)的診斷和維修策略。希望本文的研究能為相關(guān)技術(shù)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞： 加工中心 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 故障診斷 維修 策略

中圖分類號(hào)： TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）05-0094-03

Fault Diagnosis and Maintenance of the Automatic ToolChanging System in Magazine-Type Machining Centers

LEI Bo LIU Huahua XU Ying

Hubei Three Gorges Polytechnic， Yichang， Hubei Province， 443000 China

Abstract： China is a large manufacturing country， and CNC machine tools， as important equipment for industrial production， can effectively improve the automation level of industrial production. This paper mainly discusses the fault diagnosis and maintenance strategy of the automatic tool-changing system in magazine-type machining cen‐ters， introduces the compositions of the automatic tool-changing system in detail， including the automatic toolchanging device and automatic tool-changing control system， and analyzes various common problems such as tool magazine failures， tool-changing manipulator failures and spindle tool release failures. In the terms of the failure of the automatic tool-changing control system， this paper focuses on the analysis of problems such as tool-changing point drift， tool magazine chaos and tool-changing timeout， and puts forward corresponding diagnosis and mainte‐nance strategies. It is hoped that the research in this paper can provide reference and models for related technical personnel.

Key Words： Machining center； Automatic tool-changing system； Fault diagnosis； Maintenance； Strategy

在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床作為提升生產(chǎn)效率和加工精度的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化水平的高低直接影響到整個(gè)生產(chǎn)流程的效率和成本。刀庫式加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化的重要組成部分，它通過一次性裝夾完成多道工序的加工，顯著提高了生產(chǎn)效率。然而，自動(dòng)換刀系統(tǒng)在長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行過程中，難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，這些故障若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文旨在深入探討刀庫式加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的故障診斷與維修策略，通過分析自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，識(shí)別故障發(fā)生的常見原因，并提出相應(yīng)的維修措施。本文將重點(diǎn)關(guān)注刀庫故障、換刀機(jī)械手故障以及自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)故障等方面的問題，并探討如何通過有效的故障診斷和維修方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而確保數(shù)控機(jī)床的高效運(yùn)行。本文的研究旨在為相關(guān)技術(shù)人員提供實(shí)用的指導(dǎo)和參考，以促進(jìn)制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。

1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成

1.1 自動(dòng)換刀裝置

目前，磚塔式和刀庫式是應(yīng)用比較廣泛的自動(dòng)換刀裝置。這里主要介紹刀庫式自動(dòng)換刀裝置。刀庫接收指令后，會(huì)根據(jù)指令需求對(duì)指定刀具傳送，并在規(guī)定位置上更換，換下的刀具會(huì)存儲(chǔ)到刀庫內(nèi)，完成整個(gè)換刀過程。鼓磬式、鏈?zhǔn)降仁巧a(chǎn)中常見的刀庫形式。

刀具交換裝置的主要功能是在刀庫和主軸之間進(jìn)行刀具的裝卸和傳遞，包括無機(jī)械手換刀和有機(jī)械手換刀。

無機(jī)械手換刀依靠刀庫和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成換刀，在換刀過程中，機(jī)床處于停運(yùn)狀態(tài)，加工速度比較慢，而且存儲(chǔ)刀具非常有限。

有機(jī)械手換刀是在液壓缸的作用下完成，插刀和拔刀工作在主軸軸線上完成，借助于液壓電機(jī)完成擺動(dòng)送刀和旋轉(zhuǎn)換刀。在換刀時(shí)，機(jī)械手和刀庫軸線處于平行狀態(tài)。先從刀庫中提出即將更換的刀具，之后擺動(dòng)到和主軸軸線平行的位置，并且向前移動(dòng)。將原有刀具從主軸中拔出，沿著自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將兩把刀的位置交換，通過前移在主軸中插入新刀。主軸會(huì)鎖住刀具，并將刀爪縮回，擺動(dòng)到刀庫位置后放回刀具[1]。

1.2 自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)

自動(dòng)換刀整個(gè)過程環(huán)節(jié)較多，而且環(huán)節(jié)之間聯(lián)系緊密。為了確保自動(dòng)換刀的進(jìn)行，必須要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。目前自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是其中的控制核心。當(dāng)接收到程序之后，PLC會(huì)明確各控制元件的狀況信息，并完成控制刀庫、交換裝置等動(dòng)作。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，對(duì)故障進(jìn)行診斷時(shí)應(yīng)抓住重點(diǎn)，準(zhǔn)確掌握自動(dòng)換刀系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)邏輯和執(zhí)行邏輯，從中得出故障信息。之后對(duì)故障進(jìn)行鑒別，包括故障類型、問題等，最終采取針對(duì)性處理方案，完成對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)故障的維修[2]。

2 自動(dòng)換刀裝置故障

2.1 刀庫故障

2.1.1 刀庫旋轉(zhuǎn)故障

刀庫旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題，基本上都是機(jī)械和電氣方面原因引起的。工作人員應(yīng)重視對(duì)電機(jī)的檢查，排除傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)問題。分析檢查結(jié)果，并根據(jù)故障原因采取有效維修措施。

檢查電氣時(shí)應(yīng)側(cè)重于電信號(hào)的穩(wěn)定性，對(duì)繼電器等裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，應(yīng)更換故障元件。當(dāng)?shù)稁炜梢哉＾D(zhuǎn)動(dòng)但動(dòng)作與要求不相符合時(shí)，不應(yīng)考慮電信號(hào)輸入問題。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來看，造成這一情況的主要原因是電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角或者傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在誤差。因此，應(yīng)對(duì)刀庫傳動(dòng)進(jìn)行全面、深入的檢查[3]。

2.1.2 刀庫夾緊故障

自動(dòng)換刀系統(tǒng)的刀柄上會(huì)裝有拉釘，刀庫中的導(dǎo)套在彈性元件和鋼球的配合下構(gòu)成了鎖緊機(jī)構(gòu)，可以夾緊刀具。當(dāng)?shù)短谉o法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的夾緊時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)松刀或者掉刀的情況。如果出現(xiàn)了這種問題，應(yīng)全面檢查導(dǎo)套內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，如檢查彈性元件是不是太松。另外，當(dāng)?shù)毒咧亓砍^了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，同樣會(huì)引發(fā)無法夾緊刀具的情況。

2.2 換刀機(jī)械手故障

2.2.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)故障

當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度不符合要求時(shí)，應(yīng)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的壓力和流速進(jìn)行檢查，找到故障原因。

當(dāng)換刀動(dòng)作沒有全部完成時(shí)，此時(shí)為了避免故障發(fā)生，應(yīng)立即按下急停按鈕停止作業(yè)，抑或進(jìn)行復(fù)位操作。由于沒有完成換刀動(dòng)作，需要工作人員采用手動(dòng)的方式搖回機(jī)械手，同時(shí)，導(dǎo)套要返回刀庫進(jìn)行復(fù)位。而當(dāng)?shù)毒咭呀?jīng)更換完成之后，為了避免出現(xiàn)亂刀的情況，需要將主軸刀具和系統(tǒng)顯示刀具進(jìn)行對(duì)比，觀察二者的情況。如果相同，則說明沒有問題；如果不同，則要手動(dòng)更換刀具[4]。

2.2.2 機(jī)械手更換刀具故障

機(jī)械手在夾緊或者松開刀具時(shí)可能會(huì)發(fā)生換刀失敗的情況。當(dāng)機(jī)械手不能夾緊刀具時(shí)，很有可能是氣動(dòng)系統(tǒng)壓力不足或者泄漏造成的。同時(shí)，檢查刀具松開彈簧情況，察看螺母是否松動(dòng)。如果發(fā)現(xiàn)松鎖刀彈簧壓合過緊，便會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手無法松開刀具。如果機(jī)械手在夾緊和松開刀具都正常，但換刀中發(fā)生了掉刀問題，這種情況的出現(xiàn)和換刀點(diǎn)出現(xiàn)漂移有著直接關(guān)系。如果機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)尚未達(dá)到要求便出現(xiàn)拔刀動(dòng)作，刀具和機(jī)械手相對(duì)位置就會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，機(jī)械手便無法夾緊刀具。為了解決這種問題，需要對(duì)換刀點(diǎn)做出改變[5]。

2.2.3 機(jī)械手傳送刀具故障

機(jī)械手傳送刀具是自動(dòng)換刀的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)換刀過程中發(fā)揮著重要作用。在機(jī)械手傳送刀具時(shí)，如果出現(xiàn)了不能夾緊或者掉刀的問題，需要明確故障發(fā)生原因。首先檢查氣動(dòng)系統(tǒng)和鎖緊機(jī)構(gòu)，查看是否存在問題。其次，要考慮刀具超重情況。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置要求，機(jī)械手傳送刀具時(shí)只能承受合理范圍內(nèi)重量，當(dāng)重量超出該合理范圍后，機(jī)械手傳送刀具就會(huì)出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致故障的發(fā)生。

2.3 主軸松刀故障

在機(jī)械手抓取刀具時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)主軸沒有松刀的情況，通常是以下兩方面原因引起的。

2.3.1 傳遞給主軸的信號(hào)出現(xiàn)問題

通常根據(jù)信號(hào)的指示，主軸會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作。如果主軸沒有接收到相關(guān)信號(hào)，或接收信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，就無法完成松刀動(dòng)作。針對(duì)于這種情況，應(yīng)檢查松刀感應(yīng)開關(guān)機(jī)信號(hào)。另外，由于松刀開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制借助于液動(dòng)電磁閥，所以需要檢查電磁閥和壓液回路狀態(tài)。如果是零件出現(xiàn)了問題，需要更換故障零件，保證更換之后可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.2 主軸內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)失去了作用

主軸內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)失去作用的常見情況有彈簧卡頭、頂桿變形等，這類問題比較直觀，工作人員可以用肉眼觀察到，修理起來也比較簡單。

3 自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)故障

3.1 換刀點(diǎn)漂移

機(jī)械手自動(dòng)換刀在機(jī)床的換刀點(diǎn)進(jìn)行，換刀點(diǎn)也就是機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)，該點(diǎn)和電氣原點(diǎn)一致。當(dāng)電氣原點(diǎn)與機(jī)械原點(diǎn)不在相同位置時(shí)，就會(huì)影響到機(jī)械手換刀，從而導(dǎo)致?lián)Q刀點(diǎn)漂移的情況的出現(xiàn)。當(dāng)偏移量不大時(shí)，換刀可以進(jìn)行，但是會(huì)有比較大的振動(dòng)，而且過程中會(huì)出現(xiàn)異響。當(dāng)偏移量比較大時(shí)，則不能進(jìn)行拔刀或者掉刀，這會(huì)影響正常換刀。機(jī)床在捕捉電氣原點(diǎn)時(shí)，需要發(fā)揮出限位開關(guān)和撞塊的作用。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，撞塊壓下限位開關(guān)，信號(hào)返回，從而識(shí)別電氣原點(diǎn)。為了弄清楚換刀點(diǎn)漂移問題，應(yīng)進(jìn)行深入檢查，如果是因?yàn)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的換刀點(diǎn)漂移，可以采用手動(dòng)返回參考點(diǎn)的方法。

3.2 刀庫亂刀

刀庫亂刀是一種比較嚴(yán)重的問題，是指刀庫中存儲(chǔ)刀具和系統(tǒng)中刀具號(hào)混亂，其原因是換刀過程中出現(xiàn)了中斷的情況。此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)刀具數(shù)據(jù)會(huì)改變，導(dǎo)致存儲(chǔ)刀具和系統(tǒng)中刀具號(hào)對(duì)不上，變得非?；靵y，也就是刀庫亂刀。針對(duì)這類故障，需要全面檢查刀具存儲(chǔ)情況，并對(duì)數(shù)據(jù)寄存器做出適當(dāng)改變，將數(shù)據(jù)改為實(shí)際數(shù)據(jù)。對(duì)于刀庫亂刀的故障，應(yīng)明確故障發(fā)生原因，并采取有效處理措施。

3.3 換刀超時(shí)

在進(jìn)行換刀時(shí)，如果系統(tǒng)顯示換刀超時(shí)，則表示無法在正常時(shí)間內(nèi)進(jìn)行換刀。對(duì)于這種情況，應(yīng)仔細(xì)檢查機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，了解其運(yùn)行狀態(tài)。還應(yīng)檢查機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度，看速度是否過慢，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度比較慢，則應(yīng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行檢查，可以發(fā)現(xiàn)問題存在的原因。另外，換刀超時(shí)還包括一些其他原因，其中主軸松刀感應(yīng)開關(guān)失靈比較常見。對(duì)于換刀超時(shí)的問題，應(yīng)對(duì)元件進(jìn)行全面檢修，確?；謴?fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，自動(dòng)換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。如果換刀系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障未能及時(shí)、有效地得到處理，就會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成不利影響。為了確保自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效和可靠運(yùn)行，技術(shù)人員必須深入分析各種故障類型，明確故障的根源，并制定出相應(yīng)的維修策略。此外，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，能夠進(jìn)一步降低故障發(fā)生率，提升系統(tǒng)的整體性能。技術(shù)人員應(yīng)致力于對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，不斷探索新的維修方法和技術(shù)，以適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求和挑戰(zhàn)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)和完善，確保其在現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為企業(yè)帶來更高的生產(chǎn)效率和更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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