張軍馬慧

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

0 引言

隨著制造業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，智能制造已將數(shù)控設(shè)備有機結(jié)合在一起，加工中心以刀具的交換方式來實現(xiàn)整個高效的加工生產(chǎn)，再與其他數(shù)控設(shè)備組建柔性加工系統(tǒng)，這就對加工中心換刀有了很高的要求，換刀可靠性、快速性直接影響著機床的生產(chǎn)率和工作可靠性。

從故障率來看，加工中心在進(jìn)行換刀的過程中發(fā)生故障是最多的，本文以VMC1000加工中心為例，詳細(xì)說明了換刀動作原理和分析思路。該機床換刀機構(gòu)是凸輪式的，機床使用過程中出現(xiàn)了系列換刀故障，原因是機床換刀過程中換刀夾持機構(gòu)松動，換刀機械手電機剎車故障，導(dǎo)致?lián)Q刀檢測位置發(fā)生變化，從而引起主軸及刀套的松、緊刀故障。下面簡述故障查找過程并分析其原因。

1 故障現(xiàn)象

換刀時機械手卡住不能換刀，換刀機械手位置偏移，換刀掉刀。

2 故障分析及處理

2.1 換刀原理

該加工中心是回轉(zhuǎn)式刀庫，換刀機構(gòu)是凸輪式的，其換刀過程為：

（1）編寫M06 T01啟動換刀選刀循環(huán)。

（2）主軸將在定向的主軸停止點上停住，冷卻液停止，同時Z軸移動到換刀位置（第二參考點）。

（3）選刀，根據(jù)T指令NC將其編譯至PLC后，開始選刀，刀庫電機旋轉(zhuǎn)，將目標(biāo)刀號旋轉(zhuǎn)至刀庫換刀點，注意此時T指令為刀庫刀套位置。

（4）換刀電機帶動凸輪機構(gòu)機械手機構(gòu)從停放位置旋轉(zhuǎn)90°，以抓住有效刀套中的刀具和主軸中的刀具。與此同時，檢測凸輪機構(gòu)的接近開關(guān)狀態(tài)變化，PMC輸出發(fā)出松刀指令，刀庫刀套松刀和主軸松刀電磁閥得電，凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動機械手向下，將刀柄推下，準(zhǔn)備交換。如圖1所示。

（5）機械手旋轉(zhuǎn)180°交換刀具，凸輪繼續(xù)向上，將刀具安裝到主軸中，將原主軸上刀具安裝到刀庫換刀位置刀套中。同時，檢測開關(guān)給PMC發(fā)出緊刀指令，電磁閥失電，軸刀柄夾緊蝶形彈簧回縮主軸刀具夾緊。

（6）換到機械手繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，停止完成一套換刀動作。

2.2 故障分析

換刀至2.1第四步驟，換刀機械手卡住，主軸一直松刀吹氣，但刀具不能被拔下，斷電手動盤動換刀電機，完成一次換刀動作后，手動裝卸刀，動作正常，初步排除主軸松緊刀方面問題。再次執(zhí)行換刀過程，機械手卡住，刀庫處機械手爪掉刀，發(fā)現(xiàn)換刀后，機械手裝刀至主軸上，位置偏移，如圖2所示。

圖1 換刀機構(gòu)圖

圖2 主軸夾裝位置偏移圖

將刀具取下后空換刀，發(fā)現(xiàn)動作正常，導(dǎo)致這種情況的原因，可能是機械手與主軸位置發(fā)生偏移，或者機械手軸線相對于主軸軸線精度發(fā)生偏差，主軸定位不準(zhǔn)也會導(dǎo)致?lián)Q刀位置偏移。單步執(zhí)行換刀動作，檢查主軸定位準(zhǔn)確，排除了定位不準(zhǔn)引起該故障。經(jīng)打表檢查，機械手、刀套、主軸的軸向位置及回轉(zhuǎn)中心距離一致，因此機械手機械卡阻的故障也被排除。

此機床近期主要加工不銹鋼等材料工件，切削量大，負(fù)載重，長時間運行在重切下，檢查機械手發(fā)現(xiàn)機械手沒有松動，檢查機械手爪伸縮動作靈活，但是發(fā)現(xiàn)機械手上一個調(diào)整塊磨損，拆卸下來觀察此調(diào)整塊主要用來夾持刀柄，重新修補加工后，再次嘗試，主軸位置處偏移消失。引起該故障的主要原因是機械手沖擊大，頻繁換刀，導(dǎo)致夾持卡爪松動磨損，如圖3所示。

圖3 機械手結(jié)構(gòu)圖

再次執(zhí)行換刀，機械手換刀過程中偶爾掉刀，導(dǎo)致機械手掉刀的原因還是機械手位置偏差，機械手換刀機構(gòu)，是凸輪機構(gòu)帶動機械手沿一個方向旋轉(zhuǎn)，通過檢測開關(guān)定位執(zhí)行換刀的過程，執(zhí)行一個完整換刀動作后，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)不對，手動盤換刀電機，檢查感應(yīng)開關(guān)是正常的，最終檢查換刀機械手，發(fā)現(xiàn)機械手不能完全鎖住。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)換刀電機不能完全剎車，導(dǎo)致機械手鎖不住。機械手回轉(zhuǎn)時有一定沖擊慣性，由于剎車故障，機械手的位置有一定角度誤差，感應(yīng)開關(guān)的狀態(tài)時而對時而不對，松緊刀電磁閥動作不對，導(dǎo)致機械手掉刀。

綜上所述，主要是由于設(shè)備使用多年，機械、電氣和機電耦合存在一定出入，再加上整個換刀控制復(fù)雜，誘發(fā)此類故障。理清整個換刀控制原理，一個步驟一個步驟按照時序進(jìn)行確認(rèn)，對排查此類故障有很大的幫助；否則，盲目地檢查，只會越查越繁瑣，影響整個效率。同時，維護(hù)人員也要掌握熟悉換刀動作原理，以便后期有類似故障，能夠快速有效地解決。

3 結(jié)語

加工中心換刀控制邏輯復(fù)雜，一種故障現(xiàn)象可能是由于多個故障點引起的，掌握機床相關(guān)模塊的工作原理和機械結(jié)構(gòu)，了解其操作方法、動作順序，利用有效的檢測方法，對故障現(xiàn)象從原理上作充分分析，一步一步地查找，就一定能找到排除故障的方法，從而達(dá)到預(yù)期效果。