數控加工中心自動換刀裝置的結構原理與維修

1、2一離合器  3、4、12一齒輪  5一套筒  6一端蓋  7一主軸  8一螺母
9、16、17一軸承  10一螺釘  1l一推動桿  13一操縱桿  14一液壓缸  15一活塞  18一轉塔刀架體
由于空間位置的限制，主軸部件的結構不可能設計得十分堅實，因而影響了主軸系統的剛度。為了保證主軸的剛度，主軸數目必須加以限制，否則將會使結構尺寸大為增加。
轉塔主軸頭換刀方式的主要優點在于省去了自動松夾、卸刀、裝刀、夾緊以及刀具搬運等一系列復雜的操作。從而提高了換刀的可靠性，并顯著地縮短了換刀時間。但由于上述結構上的原因，轉塔主軸頭通常只是用于工序較少、精度要求不太高的機床，例如數控鉆床等。
3．帶刀庫的自動換刀系統
帶刀庫的自動換刀系統由刀庫和刀具交換機構組成。首先把加工過程中需要使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整后，按一定的方式放入刀庫中去。換刀時先在刀庫中進行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具，在進行交換刀具之后，將新刀具裝入主軸，把舊刀具放回刀庫。存放刀具的刀庫具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側面或上方，也可作為單獨部件安裝到機床以外，并由搬運裝置運送刀具。
與轉塔主軸頭相比較，由于帶刀庫的自動換刀裝置數控機床主軸箱內只有一個主軸，設計主軸部件就有可能充分增強它的剛度，因而能滿足精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數量很大的刀具，因而能夠進行復雜零件的多工序加工，這樣就明顯提高了機床的適應性和加工效率。所以帶刀庫的自動換刀裝置特別適用于數控鉆床、數控銑床和數控鏜床。
刀庫是自動換刀裝置的主要部件，其容量、布局以及具體結構對數控機床的設計有很大的影響。

   根據刀庫所需要的容量和取刀的方式，可以將刀庫設計成多種形式。圖8-19列出了最常用的幾種。圖8-19a~d是單盤式刀庫，為適應機床主軸的布局，刀庫的刀具軸線可以按不同的方向配置(如圖8-19a~c)，圖8-19d是刀具可作90º翻轉的圓盤刀庫，采用這種結構能夠簡化取刀動作。單盤式刀庫的結構簡單，刀庫的容量通常為15～30把，取刀比較方便，因此應用最為廣泛。圖8-19e是鼓輪彈倉式(又稱刺猬式)刀庫，其結構十分緊湊，在相同的空間內，它的刀庫容量較大，但選刀和取刀的動作較復雜。圖8-19f是鏈式刀庫，其結構有較大的靈活性，存放刀具的數量也較多，選刀和取刀動作十分簡單。當鏈條較長時，可以增加支承鏈輪的數目，使鏈條折疊回繞，提高了空間的利用率。圖8-19g和8-19h分別為多盤式和格子式刀庫，它們雖然也具有結構緊湊的特點，但選刀和取刀動作復雜，應用較少。刀庫的容量一般為10~60，但隨著加工工藝的發展，目前刀庫的容量似乎有進一步增大的趨勢。圖8-20為一龍門式加工中心采用的鏈式刀庫實例，圖8-21為一立式加工中心的圓盤式刀庫實例。

8.4.3  刀具交換裝置
數控機床的刀具交換方式通常分為由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換和采用機械手交換刀具兩類。刀具的交換方式和它們的具體結構對機床的生產率和工作可靠性有直接的影響。 

由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置，在換刀時必須先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此換刀時間長。如圖8-20所示的龍門加工中心，就是采用這類刀具交換方式的實例。它的選刀運動由伺服電動機驅動鏈式刀庫旋轉來完成，換刀運動由主軸箱沿Y和Z軸運動來完成。
采用機械手進行刀具交換的方式應用最為廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性而且可以減少換刀時間。目前在加工中心上絕大多數都使用記憶式的任選換刀方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置(地址)對應地記憶在數控系統的PC中，不論刀具放在哪個刀套內都始終記憶著它的蹤跡。刀庫上裝有位置檢測裝置(一般與電動機裝在一起)，可以檢測出每個刀套的位置，這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時，就近選取，如對于盤式刀庫來說，每次選刀運動或正轉或反轉不會超過180º。

圖8-22為凸輪機械手換刀結構圖，圖8-23為凸輪機械手換刀動作實例。

刀庫及換刀機械手結構較復雜，且在工作中又頻繁運動，所以故障率較高，目前機床上有50％以上的故障都與之有關。如刀庫運動故障，定位誤差過大，機械手夾持刀柄不穩定，機械手動作誤差過大等。這些故障最后都造成換刀動作卡位，整機停止工作。因此刀庫及換刀機械手的維護十分重要。
1．刀庫及換刀機械手的維護要點
1)嚴禁把超重、超長的刀具裝入刀庫，防止在機械手換刀時掉刀或刀具與工件、夾具等發生碰撞。
2)順序選刀方式必須注意刀具放置在刀庫中的順序要正確，其他選刀方式也要注意所換刀具是否與所需刀具一致，防止換錯刀具導致事故發生。
3)用手動方式往刀庫上裝刀時，要確保裝到位，裝牢靠，并檢查刀座上的鎖緊裝置是否可靠。
4)經常檢查刀庫的回零位置是否正確，檢查機床主軸回換刀點位置是否到位，發現問題要及時調整，否則不能完成換刀動作。
5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清潔。  
6)開機時，應先使刀庫和機械手空運行，檢查各部分工作是否正常，特別是行程開關和電磁閥能否正常動作。檢查機械手液壓系統的壓力是否正常，刀具在機械手上鎖緊是否可靠，發現不正常時應及時處理。
2．刀庫的故障
刀庫的主要故障有：刀庫不能轉動或轉動不到位；刀套不能夾緊刀具；刀套上下不到位等。
(1)刀庫不能轉動或轉動不到位 刀庫不能轉動的原因可能有：①聯接電動機軸與蝸桿軸的聯軸器松動；②變頻器故障，應檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；③PLC無控制輸出，可能是接口板中的繼電器失效；④機械連接過緊；⑤電網電壓過低。
刀庫轉不到位的原因可能有：電動機轉動故障，傳動機構誤差。
(2)刀套不能夾緊刀具  原因可能是刀套上的調整螺釘松動，或彈簧太松，造成卡緊力不足；或刀具超重。
(3)刀套上下不到位  原因可能是裝置調整不當或加工誤差過大而造成撥叉位置不正確；限位開關安裝不正確或調整不當而造成反饋信號錯誤。
3．換刀機械手故障
(1)刀具夾不緊掉刀  原因可能是卡緊爪彈簧壓力過小；或彈簧后面的螺母松動；或刀具超重；或機械手卡緊鎖不起作用等。
(2)刀具夾緊后松不開  原因可能是松鎖的彈簧壓合過緊，卡爪縮不回：應調松螺母，使最大載荷不超過額定數值。
(3) 刀具交換時掉刀  換刀時主軸箱沒有回到換刀點或換刀點漂移，機械手抓刀時沒有到位，就開始拔刀，都會導致換刀時掉刀。這時應重新移動主軸箱，使其回到換刀點位置，重新設定換刀點。
二、  自動換刀裝置故障維修10例
1．機械手故障的維修
例1．故障現象：某加工中心采用凸輪機械手換刀，機械手結構及換刀程序如圖2-22、圖2-23所示。換刀過程中，動作中斷，發出2035#報警，顯示內容：機械手伸出故障。
分析及處理過程：根據報警內容，機床是因為無法執行下一步“從主軸和刀庫中拔出刀具”，而使換刀過程中斷并報警。
機械手未能伸出完成從主軸和刀庫中拔刀動作，產生故障的原因可能有：
(1)“松刀”感應開關失靈  在換刀過程中，各動作的完成信號均由感應開關發出，只有上一動作完成后才能進行下一動作。第3步為“主軸松刀”，如果感應開關未發信號，則機械手“拔刀”就不會動作。檢查兩感應開關，信號正常。
(2)“松刀”電磁閥失靈  主軸的“松刀”，是由電磁閥接通液壓缸來完成的。如電磁閥失靈，則液壓缸未進油，刀具就“松”不了。檢查主軸的“松刀”電磁閥動作均正常。
(3)“松刀”液壓缸因液壓系統壓力不夠或漏油而不動作，或行程不到位  檢查刀庫松刀液壓缸，動作正常，行程到位；打開主軸箱(圖8-2)后罩，檢查主軸松刀液壓缸，發現也已到達松刀位置，油壓也正常，液壓缸無漏油現象。
(4)機械手系統有問題，建立不起“拔刀”條件  其原因可能是：電動機控制電路有問題。檢查電動機控制電路系統正常。
(5)主軸系統有問題  主軸結構示意圖如圖8-2所示。刀具是靠碟簧通過拉桿和彈簧卡頭而將刀具柄尾端的拉釘拉緊的；松刀時，液壓缸的活塞桿頂壓頂桿，頂桿通過空心螺釘推動拉桿，一方面使彈簧卡頭松開刀具的拉釘，另一方面又頂動拉釘，使刀具右移而在主軸錐孔中變“松”。
主軸系統不松刀的原因估計有以下4點：①刀具尾部拉釘的長度不夠，致使液壓缸雖已運動到位，而仍未將刀具頂“松”；②拉桿尾部空心螺釘位置起了變化，使液壓缸行程滿足不了“松刀”的要求；③頂桿出了問題，已變形或磨損；④彈簧卡頭出故障，不能張開：⑤主軸裝配調整時，刀具移動量調得太小，致使在使用過程中一些綜合因素導致不能滿足“松刀”條件。
處理方法：拆下“松刀”液壓缸，檢查發現：這一故障系制造裝配時，空心螺釘的“伸出量”調整得太小，故“松刀”液壓缸行程到位，而刀具在主軸錐孔中“壓出”不夠，刀具無法取出。調整空心螺釘的“伸出量”，保證在主軸“松刀”液壓缸行程到位后，刀柄在主軸錐孔中的壓出量為0.4~0.5mm。經以上調整后，故障排除。
例2．故障現象：JCS-018A立式加工中心(北京精密機床廠生產)機械手失靈；手臂旋轉速度快慢不均，氣液轉換器失油頻率加快，機械手旋轉不到位，手臂升降不動作，或手臂復位不靈。調整SC-15節流閥配合手動調整，只能維持短時間正常運行，且排氣聲音逐漸渾濁，不像正常動作時清晰，最后到不能換刀。
分析及處理過程：
1)手臂旋轉75º抓主軸和刀套上的刀具，必須到位抓牢，才能下降脫刀。動作到位后旋轉180º，換刀位置上升分別插刀，手臂再復位、刀套上。手臂75º、180º旋轉，其動力傳遞是壓縮空氣源推動氣液轉換器轉換成液壓油由電控程序指令控制，其旋轉速度由SC-15節流閥調整；換向由5ED-IONl8F電磁閥控制。一般情況下，這些元器部件的壽命很長，可以排除這類元器件存在的問題。

2)因刀套上下和手臂上下是獨立的氣源推動，排氣也是獨立的消聲排氣口，所以不受手臂旋轉力傳遞的影響；但旋轉不到位時，手臂升降是不可能的。根據這一原理，著重檢查手臂旋轉系統執行元器件成為必要的工作。

3)觀察75º、180º手臂旋轉或不旋轉時液壓缸伸縮對應氣液轉換各油標升降、高低情況，發覺左右配對的氣液轉換器，左邊呈上限右邊就呈下極限，反之亦然，且公用的排氣口有較大量油液排出。分析氣液轉換器、尼龍管道均屬密閉安裝，所以此故障原因應在執行器件液壓缸上。

4)拆卸機械手液壓缸，解體檢查，發現活塞支承環O形圈均有直線性磨損，已不能密封。液壓缸內壁粗糙，環狀刀紋明顯，精度太差。更換上北京精密機床廠生產的80缸筒，重裝調整后故障消失，正常運行至今已7年，未再發生機械手換刀失靈故障。

例3．故障現象：某配套FANUC 11系統的BX-110P加工中心，JOG方式時，機械手在取送刀具時，不能縮爪。機床在JOG狀態下加工工件時，機械手將刀具從主刀庫中取出送入送刀盒中，不能縮爪，但卻不報警；將方式選擇到ATC狀態，手動操作都正常。

分析及處理過程：經查看梯型圖，原來是限位開關LS916并沒有壓合；調整限位開關位置后，機床恢復正常。但過一段時間后，再次出現此故障，檢查LS916并沒松動，但卻沒有壓合，由此懷疑機械手的液壓缸拉桿沒伸到位。經查發現液壓缸拉桿頂端鎖緊螺母的緊定螺釘松動，使液壓缸伸縮的行程發生了變化；調整了鎖緊螺母并擰緊緊定螺釘后，此故障排除。
例4．換刀不到位的故障維修
故障現象：自動換刀時刀鏈運轉不到位。當進行到自動換刀程序時，刀庫開始運轉，但是所需要換的刀具沒有傳動到位，刀庫就停止運轉了。3min后機床自動報警。
分析及處理過程：MPA-H100A加工中心是日本三菱公司廣島工機工廠生產，所配CNC系統為FANUC 6M-MODELB，工作臺為1000mm×l000mm，60把刀具。由上述故障查報警知道是換刀時間超出。此時在MDI方式中，無論用手動輸入刀庫順時針旋轉還是逆時針旋轉動作指令，刀庫均不動作。檢查電氣控制系統，沒有發現什么異常；PLC輸出指示器上的發光二極管燃亮，表明PLC有輸出，刀庫順時針和逆時針傳動電磁閥上的逆時針一側的發光二極管燃亮，表明電磁閥有電，此時刀庫不動作，那么問題應該發生在液壓系統或者其他方面。但是液壓系統的壓力正常，各油路均暢通并無堵塞現象；檢查各個液壓閥的液壓器件也沒有發現什么問題，估計故障可能出在液壓馬達上。為此，拆除了防護罩，卸下了液壓馬達，能拆卸檢查的部位，都作了檢查，也沒有發現什么問題；后又將液壓馬達送到大連組合機床研究所去鑒定，其測試結論是液壓馬達是完好的。經在場的同志們仔細分析研究后認為，問題只能有一個，那就是機械方面的故障；但刀庫的各部位，各個零部件均無明顯的損傷痕跡，因此機械損壞故障可排除在外；最后問題歸結為一點，即刀庫負載太重，或者有阻滯的部位，以至液壓馬達帶不動所致。
事實上的確如此。我們在加工10t叉車箱體時，由于工件較復雜，加工面較多，所用刀具多達40多把，而且大的刀具，長的刀具(最長的刀具達550mm)，重的刀具(最重的刀具達25kg以上)用量都很大，而且我們忽略了刀具在刀庫上的分布情況，重而長的刀具在刀庫上沒有均勻分布，而是集中于一段，以至造成刀庫的鏈帶局部拉得太緊，變形較大，并且可能有阻滯現象，所以機床的液壓馬達帶不動。最后我們把刀庫鏈帶的可調部分稍松了一些，結果一切都恢復正常，說明問題的確是出在機械上。
注意：刀庫的鏈帶又不能調得太松，否則會有“飛刀”的危險。有一次機械手在刀庫側抓刀時，當把刀具拔出、然后上升、再進行180º旋轉時，刀具突然被甩出，險些釀成大禍。分析這起故障的原因，就是因為刀庫鏈帶太松的緣故。該機床機械手的兩個卡爪是靠向下的推力而被刀柄的外徑向外擠開，然后靠彈簧的張力來夾緊刀具的。當機械手向下抓刀時，由于鏈帶太松，鏈帶也隨著機械手向下的推力而向下拱曲，結果機械手的卡爪只抓住刀柄的一大半，并沒有完全抓靠、抓牢，當機械手旋轉時，由于刀具很重，在離心力的作用下，刀具就沿切線方向甩出去。經把鏈帶稍微緊了一下，就再也沒有發生類似情況。
維修體會：刀庫的驅動系統不外乎有兩類，一類是機械傳動，一類是液壓傳動。MPA-H100A加工中心是20世紀80年代初的產品，采用液壓傳動方式，即采用液壓馬達、電磁閥、流量控制閥等來驅動刀庫的運轉。與采用變頻調速電動機驅動的刀庫相比，就其電氣控制系統而言，要簡單得多，也比較直觀，一般不容易出現故障。但它也會隨著設備的使用環境、加工條件、工件的復雜程度、所用刀具的多少而有所變化，尤其是刀具的長度、刀具的重量以及刀具在刀庫的分布情況，這些都是故障可能因素。
回轉刀架故障的維修
例5．故障現象：SAG210/2NC數控車床刀架電動機起不動，刀架不能動作。
分析及處理過程：SAG210/2NC及CKD6140及數控車床，與之配套的刀架為LD4-I四工位電動刀架。
分析該故障產生的原因，可能是電動機相序接反或電源電壓偏低，但調整電動機電樞線及電源電壓，故障不能排除。說明故障為機械原因所致。將電動機罩卸下，旋轉電動機風葉，發現阻力過大。拿開電動機進一步檢查發現，蝸桿軸承損壞，電動機軸與蝸桿離合器質量差，使電動機出現阻力。
更換軸承，修復離合器后，故障排除。
例6．故障現象：SAG210/2NC數控車床刀架的上刀體抬起但轉動不到位。
分析及處理過程：該車床所配套的刀架同上例。根據電動刀架的機械原理分析，上刀體不能轉動可能是粗定位銷在錐孔中卡死或斷裂。拆開電動刀架更換新的定位銷后，上刀體仍然不能旋轉到位。在重新拆卸時發現在裝配上刀體時，應與下刀體的四邊對齊，而且齒牙盤必須嚙合，按上述要求裝配后，故障排除。
例7．故障現象：匈牙利EEN-400數控車床刀架定位不準。
分析及處理過程：EEN-400數控車床是由匈牙利SEIN公司生產的，所配的刀架是由保加利亞生產的，可裝6把刀。經查定位不準的主要原因是刀架部分的機械磨損較嚴重，已不能通過常規的調整、刀補間隙補償等手段來解決，需考慮進行整體更換。經了解，國內的數控刀架生產廠家已能生產相同性能的臥式6刀位刀架，作適當的處理，就可以使用。
以陜西省機械研究院生產的JYY臥式數控電動刀架更換了原刀架后，恢復了定位精度，經使用一年多宋，一直正常。
例8．加工尺寸失控的故障維修
故障現象：南京JN系列數控系統加工尺寸不能控制。
分析及處理過程：該機床為采用南京江南機床數控工程公司的JN系列機床數控系統而改造的經濟型數控車床，其刀架為LD4-I型電動刀架。
該機床在產品加工的過程中，發生其加工尺寸不能控制的現象，操作者每次在系統中修改參數后，數碼顯示器顯示的尺寸與實際加工出來的尺寸相差很大，且尺寸的變化無規律可尋，即使不修改系統的加工參數，加工出來的產品尺寸也在不停地變化。因該機床主要是進行內孔加工，因此尺寸的變化主要反應在X軸上。為了確定故障部位，采用替換法，將X軸的驅動信號與Z軸的驅動信號進行交換，即用2軸控制信號去驅動X軸，而用X軸控制信號去驅動Z軸。替換后故障依然存在，這說明X軸的驅動信號無故障，同時也說明故障源應在X軸步進電動機及其傳動機構、滾珠絲杠等硬件上。
檢查上述傳動機構、滾珠絲杠等硬件均無故障，進一步檢查X軸軸向重復定位精度也在其技術指標之內。是何原因產生X軸加工尺寸不能控制呢?思考檢查分析故障的思路，發現在分析檢查中忽略了一個重要的部件——電動刀架。
檢查電動刀架的每一個刀號的重復定位精度，發現電動刀架定位不準。分析電動刀架定位不準的原因，若是電動刀架自身的機械定位不準，故障應該是固定不變的，不應該出現加工尺寸不能控制的現象，定有其他的原因造成該故障現象。檢查電動刀架的轉動情況，發現電動刀架在抬起時，有一鐵屑卡在里面。鐵屑使定位不準，這就是故障源。

拆開電動刀架，用壓縮空氣將電動刀架定位齒盤上的鐵屑吹干凈，重新裝配好電動刀架后，故障排除。

例．刀庫無法旋轉的故障維修

例9．故障現象：自動換刀時刀鏈運轉不到位。當進行到自動換刀程序時，刀庫開始運轉，但是所需要換的刀具沒有傳動到位，刀庫就停止運轉了。3min后機床自動報警。

分析及處理過程：TH42160龍門加工中心采用的鏈式刀庫如圖8-20所示，其配套的CNC系統為SIEMENS 840D。
 由上述故障查報警知道是換刀時間超出。此時在MDI方式中，無論用手動輸入刀庫順時針旋轉還是逆時針旋轉動作指令，刀庫均不動作。檢查電氣控制系統，沒有發現什么異常；PLC輸出指示器上的發光二極管燃亮，表明PLC有輸出，那么問題應該發生在機械傳動方面。估計故障可能出在減速器上。為此，拆除了防護罩，卸下了伺服電動機，拆開減速器，發現減速器內一傳動軸上的聯接鍵脫落，致使動力傳動路線中斷，刀庫無法旋轉。修復減速器后，故障排除。
例10．故障現象：自動換刀時刀鏈運轉不到位，刀庫就停止運轉了，機床自動報警。
分析及處理過程：TH42160龍門加工中心采用的鏈式刀庫如圖8-20所示，其配套的CNC系統為SIEMENS 840D。
由上述故障查報警知道是刀庫伺服電動機過載。檢查電氣控制系統，沒有發現什么異常，問題應該發生在機械傳動或其他方面：①刀庫鏈或減速器內有異物卡住：②刀庫鏈上的刀具太重：③潤滑不良：經過檢查上述三項正常。卸下伺服電動機，發現伺服電動機內部有許多切削液，致使線圈短路所致。觀察原因是電動機與減速器聯接處的密封圈磨損，從而導致切削液滲入電動機。更換密封圈和伺服電動機后，故障排除。