数控加工中心换刀系统故障排除分析
2023-8-17 来源：吉利动力总成有限公司 作者：武超超
摘要：数控加工中心的有效运行能最大程度上保证工作安全，减少故障，对于提升加工企业生产效益具有极大的促进作用。但随着整体使用时间的不断增加以及各类新型生产技术和方法的逐渐出现，故障类型日益复杂，最常见的则是换刀系统故障。对此，这就必须将加工中心中特有的换刀系统作为分析重点，从最常见的故障类型着手，阐述实际排除流程，分析具体的排除和解决策略，优化换刀过程，保证生产加工效率和稳定性。
关键词：数控加工中心；环刀系统；故障排除
在机械制造业的迅速发展下，数控加工中心通过刀具交换的形式实现了高效化的加工生产，但也由此给换刀系统提出了一定要求。由于加工中心加工零件工序繁多，要保证工件加工的可靠性，则需依照各工序提出的具体要求实现刀具顺利交换，所以该系统对于加工中心具有极大的促进作用。当下这一系统虽然取得了良好的应用成就，但依然存在一些问题，系统故障率较高。因此，重点对其进行全面探究，分析相关故障的排除措施具有极大现实意义。
1、换刀系统概述
该系统的主要功能就是进行刀具交换和存储，其中交换功能的实现主要依赖专门的换刀机构，具体流程为：数控系统先发出换刀指令，该机构直接抓回主轴中的已用刀具，并将其放回刀库，这时该机构再从刀库中抓出目标刀具，再装夹在主轴上。整个过程中，刀库刀具和主轴之间的相对位置要完全符合设计标准，在此影响下，自动换刀装置的故障排除就成了整个加工中心换刀系统运行过程中亟需解决的关键问题。
当前应用最多的换刀方式就是机械换刀，即应用机械手对人换刀的具体动作进行模拟，整体较为灵活，可操作性也更强。但受到刀库和主轴距离的影响，如果只使用该模式，则难以保证基本的换刀效率，对此则需通过 PLC 程序指令对刀库动作进行控制，从而实现自动化交换。
2、故障排除措施
与其他设备相比较，该系统故障的出现和设备应用时间存在很大关系，主要包含早期故障、损耗故障和偶发性故障。其中早期故障是指系统在刚投入使用后发生的，最开始发生频率较高，但后续会在使用时间的逐渐增加下慢慢下降。偶发性故障则是系统通过初期使用后，其元件通过老化、调整和磨合进入稳定应用状态，偶尔会产生一些故障，基本上是由外界因素引起的。损耗故障则是在长期应用下，未进行有效保养和维护而产生的老化故障，会在时间增加下不断提升。
2.1 卡刀故障排除的基本思路
该系统中的主要部分为刀库，在工件加工过程中，刀具不同其位置往往会受功能和容量的影响，导致刀库呈现出鼓式和盘式两种基本形式。加工工件时，如果要交换刀具，加工中心则直接根据系统参数将其准备到机械手位置以便随时行更换。其中最常见的故障就是卡刀，一旦发生就会引起机床报警，但如果没有报警且也不移动，排除故障时则应从这几方面着手：在油压作用下使机械手处在松开状态，确保换刀装置能自由移动，如果该装置无法移动，则需先检查其数控加工中心换刀系统故障排除分析
液压回路。在手动输入程序控制模式下输入换刀指令使其执行具体的换刀动作，如果换刀装置依然卡滞，则需检查电机具体情况，如果装置难以达到既定的动作要求则表示电机出现故障。这时可以通过手动的形式拨转电机轴，查看相关部件是否流畅。一般情况下，该类部件都存在较为明显的齿轮减速状况，只要其发生故障，则可以直接看到故障点。如果有伺服故障同时换刀装置也不移动，这时候必须以伺服单元LED 的指示状况对故障情况进行判断，如果 LED 灯点亮，则需检查保险丝等，如果没有点亮，则需对电机伺服驱动模块等进行检查，然后再对电器元件进行判断，查看是否存在故障。
2.2 报警超时故障排除思路
该系统中的常见故障主要包含超时报警。对于超时报警，如果其呈现出的信息是动作未在规定时间完成，则需要及时检查信号开关，如果并无异常，则需继续检查机械手；通过手动操作后如果发现机械手可以正常给出反应，则表示其转动机构正常，这时还需对其实施进一步排查；如检查刀套，这是因为要使机械手能实现基本的抓刀动作，必须确保刀套位置的准确性，所以维护时必须认真检查刀套的具体动作，一旦发现异常则需及时处理。如果刀套也无异常，则需将重点放在液压油缸上，这是由于它是直接控制刀库移动的重要机构，实际排除时对其进行分解，如果发现活塞杆难以达到既定速度，整个换刀过程速度缓慢，则可能是由于缸壁和活塞之间配合间隙较大，引起漏油，从而引发报警超时。解除故障时，则直接更换整套部件。
2.3 机械手传动机构故障排除
该系统中的常见故障还有机械手传动问题，即在执行自动换刀指令时，不能及时做出反应，致使换刀操作被终止，报警信息呈现出机械手未回零点。针对该问题，一般采取手动复位即可解决，但如果换刀警报信息又呈现出循环超时，则其原因还可能在于机械手没有回零点。而引起该现象的主要原因则在于刀库机械传动部位发生问题，针对这一问题，则需明确机械手的基本工作原理，即由电机驱动，中间机构主要是皮带或多级齿轮传动，系统在接到换刀指令后，其装置电机再给机械手提供动力，最后实现换刀。在排除故障时，先将刀库门打开，把防护盖板拆卸下来，再对其传动机构进行排查。如果是其中存在的问题，一方面，可能是因为小齿轮脱落；另一方面，可能是电机轴断裂，导致动力传递受阻，从而发出警报，对此可以重点进行电机更换，完成后一旦其齿轮啮合存在不顺畅问题，则可能会导致电机阻力增加，并且会在换刀频次逐渐增加下导致机轴断裂，所以还需及时对齿轮间隙进行调整，从而彻底解决传动机构故障。
2.4 故障分析的基本流程
一是先将故障恢复按键按下，如果报警未解决，则需按下复位键，使警报消除。二是对主轴、刀套等进行分析，查看是否存在刀具，如果存在则需判断刀臂给刀具带来的阻碍，如果存在则表示卡刀时间是处在交换中，这时只需要移除刀具即可；如果刀具不存在，只要把机械手手动返回到换刀等待位上，或者通过指令使其自动返回等待位。三是在手动输入程序控制模式下实现自动换刀操作，使其回等待位，并把刀具重新送回刀库。或者还可以将松刀按钮按下，移除刀具，再以手动形式进行位置恢复。
3、优化措施
加工中心主要包含数控系统、换刀装置和机械设施，能实现对工件的高效化加工。一般机床类型和参数不同，对应的加工中心也不同，设计者则需要以用户提出的需求对机床部件和功能进行调整，即便是类别相同，也可能存在一些细微差别。比如，可以把展现出的形态作为基本依据，使加工中心被分为个多类型，如立式和卧式。加工中心的所有元素中，除了换刀系统，还有专门的基础部件、主轴系统、数控系统等。其中主轴系统包含电机与传动机构，重点决定零件质量与加工效率；基础部件包含床身和立柱，主要承载工作负荷，对刚度具有一定要求。数控系统包含 PLC、伺服系统、电机等，这是整个机床的控制中心，实现对轴位精度和零件加工轨迹的有效控制。此外，其他的一些辅助性系统则主要是进行冷却、润滑等，主要是保障加工质量，使整个加工中心始终处在稳定的运行状态中。但如果中心运行时间过长，则会在一定程度上加剧各部件的磨损程度，继而导致精度降低，使得刀具装卸位置产生偏差，从而引起一些问题。如刀具会在使用时间增加下产生较大磨损，导致加工精度受到影响，因此必须定期对其进行更换；主轴锥孔出现磨损也会导致加工精度下降，但因为其主轴精度修复难度较高，对于维修技能的要求也比较高，所以基本上都采取定期更换的方式；刀具类型、数量和其传送效果之间是正相关，一旦类型或数量产生偏差就可能回到导致传送位置产生偏差，所以必须加大对这一方面的重视度，及时检查其数量和类型，使其能满足设计规范和使用要求。
4、 结语
数控加工中心一旦出现换刀系统故障，则可能是由机械、液压、电气等方面引起的自动换刀装置故障。对此，维修人员还必须全方位熟悉和掌握整个换刀系统的实际运行过程以及整体控制原理，确保在故障出现后能够及时调动专业思维依照警报内容分析故障现象，通过基本的排除思路确定出故障点，最大程度上保证该系统的正常操作。
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