数控机床机械（xiè）手换刀装置故障与维修

在数控机床的维修中，与换刀（dāo）相（xiàng）关的故（gù）障极为多（duō）见。本（běn）文基于机械手换刀（dāo）装置的结构与动作控制，结合（hé）维修实例，归纳常见故障现象、原因（yīn）及处理措施，在（zài）数控机床的维修与改造中具有较大的现实意义，值得认真探索、交流与推广。

数控机床特别是数控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次装夹、多工序自动加工，而实（shí）现这一功能的关键在于自动换刀装置。由于自动换刀（dāo）装置工作频度高、控制机构复杂，包括刀库、刀具（jù）交换以及驱动等部分，因此出（chū）现故障的几率（lǜ）也大，在数控机床的维修中占有相当大的比例。了解其结构特点与控（kòng）制机理，熟悉换刀（dāo）的动作（zuò）流程，总结归纳常见故障现象、原因及解决措（cuò）施，借鉴相关（guān）维修实例，有助于快速、准确地诊断（duàn）并排除故障，提高（gāo）维修工作的质（zhì）量与效率（lǜ）。

1.机械手（shǒu）换刀装置的结构

数控机床自动换刀功能的实现有多种方（fāng）式。按是否由机械手换刀（dāo）可（kě）将其（qí）分为两类（lèi）：无机械手（shǒu）换（huàn）刀（如斗笠式）大多依靠主轴与刀库间的轴向相对运（yùn）动（dòng）实（shí）现拔刀与插刀，换刀时刀（dāo）库移（yí）至换刀位置，主（zhǔ）轴先将刀具还回刀库换（huàn）刀位的空刀座上，然后刀（dāo）库旋转使（shǐ）下一工序所需刀具进入换刀位（wèi）置，主（zhǔ）轴再从刀库取走新的刀（dāo）具，还刀和取刀两个动（dòng）作只能分步进行，加之主轴的轴向运动以及刀库的移动和转动，因此（cǐ）换刀时间长，加（jiā）工效率低，刀（dāo）库的容量也较小；目前（qián）数控机床更多采用的是机械手换刀，利用机械（xiè）手快速（sù）、准确地对调刀库中（zhōng）换刀位与主轴上的刀具，还刀、取刀同时进行（háng），换刀时间大大缩短，而且刀库容量不受换刀机构限制。

1.刀具固定板架 2.刀座 3.换刀机（jī）械（xiè）手

4.换（huàn）刀位置刀座 5.取（qǔ）刀机械手纵向导轨

6.取刀机械手横向导轨

刀（dāo）库按刀具的布局可分为盘式（shì）、链式和格子式三种。盘式刀库刀具呈圆周状分布，链式刀库刀具布置在链（liàn）条的各个环节上，格子式刀库（kù）刀具纵横（héng）排列。盘式刀库空（kōng）间利用率低、容（róng）量小，一（yī）般用于小型加工中心。链式与格子式刀库空间利用率高、容量大，用于中型与（yǔ）大型数控加工中心。刀库的作用不仅是存放加工（gōng）过（guò）程中所需（xū）要的刀具，还负责把下（xià）一工序所要使用的刀具准确地送到换刀位置。

刀（dāo）具交换装（zhuāng）置的驱动方式有液压、伺服和交流异步电动机驱动三种。液压驱动需（xū）要足够的液压动力，且运动的速度和准（zhǔn）确性受油质、油压、油温及环境等因素影响，一般（bān）用于不需要频繁换（huàn）刀的大中型机（jī）床。伺（sì）服电动机驱动的换刀装置换刀速度快、精度高、稳定性强，但成本较高。交流异步电动机驱动的换刀装置，借助（zhù）凸轮机构，换刀（dāo）速度（dù）快、定位准、稳定性高、连（lián）贯性好且成本低，广泛用（yòng）于频繁换刀的中小型加（jiā）工中心。

2.机械（xiè）手换刀动作流程与选刀方（fāng）式

刀库的（de）选刀有顺序选刀、刀具编码选刀、刀座编码选刀和随机选刀四种方（fāng）式。机（jī）械手换刀大多采用随机（jī）换刀方式，从（cóng）主轴取下的刀具就（jiù）近放入刀库中刚取走刀具的换刀位刀座内，取刀与还刀同步完成。其（qí）原理是在存储器中建立（lì）换刀数据表，表中存储单元的地址与刀座编号及主轴相（xiàng）对应，因此（cǐ）数据表的容量为刀库中刀座数加1，存储单元中的数据与刀具编号一一对应，如附表所示。换刀时（shí）数据更新是先将（jiāng）主（zhǔ）轴所对应的存储单元中的（de）数据（换刀前刀具的编（biān）号）写入刀库换刀位刀座所对应的存储单元中，再将换刀指令中的刀具编号写入主（zhǔ）轴所对应的（de）存储单元（yuán），完成（chéng）主轴与换刀位（wèi）刀具编号的对换。假设数据表存储单元首地址（zhǐ）为D300，该（gāi）地址（zhǐ）所对应存储单元中存放的数据即为主（zhǔ）轴上刀具的编号，地址为D301～D（300+n）的存储单元中的数据，即刀库中从1#～n#刀座上刀具的编号。

3.机械手换刀装置的常见故障与排除方法

在数控机床维修的过程中，经（jīng）常出现与换刀相关的故障，根据其结构特点及换刀动作过（guò）程，归（guī）纳刀库及机械手两大方面常见故（gù）障现（xiàn）象、产生原因与采取措（cuò）施如下。

（1）刀库故障。

①常见（jiàn）故障1：刀库不能转动。可能原因：电动机轴与（yǔ）蜗杆轴的联轴器松动；变频器故障，电动机不得电；接（jiē）近开关或磁簧开关故障；PLC无输出控（kòng）制，或PLC有输出但（dàn）接口（kǒu）板中的继电器失效；气压低。常用措施：检查调整联轴器；检查变频器（qì）的（de）输入、输出电（diàn）压是（shì）否正常；通（tōng）过（guò）PLC的IO监控画面检查IO状态，调整或更换接近开关或磁簧开关，检查或更换继电（diàn）器；调整（zhěng）气压达到规定值。

② 常见故障2：刀盘定位不准。可能原因：电动机剎车器磨损。常用措施（shī）：调整（zhěng）电动机剎车器中调节螺钉。

③常见故障3：换刀（dāo）位刀座在倒刀（dāo）时不正常。可能（néng）原因：气压（yā）不符合要求（qiú）、止动螺丝松动、气缸损坏、倒刀电磁阀接触不良或损坏（huài）、刀具超重或超长。常用措施：调整气压到符合要求、锁紧止动螺丝、更换气缸、检查电（diàn）磁阀接点或更换元件、更换刀具。

④常见故障4：刀套上下不到位。可能原因：安装（zhuāng）调整不当（dāng）或拨叉位置（zhì）不（bú）正确（què）、限位开关安装不正（zhèng）确或调（diào）整（zhěng）不当，造成反馈信号错误。常用措施：检查、调整拨叉或限位开关位置，或更换元件。

⑤常见故障5：倒刀时刀具掉落。可能原因：刀套内弹（dàn）簧夹力不（bú）够或不能（néng）正常复位、刀（dāo）柄和拉钉的距离不正确。常用措施：调整（zhěng）或更换元器件。

⑥常见故（gù）障6：刀套（tào）破裂。可能原因：刀套未定位前有倒（dǎo）刀（dāo）动作或（huò）未回位前刀盘转动、装入刀具时撞坏（huài）。常用措施：调整刀盘定位近接开关或倒刀气（qì）缸磁簧（huáng）开关位置、更（gèng）换刀套。

⑦常见故障7：电动机烧（shāo）坏。可能原因：电源缺（quē）相或电压不正确、剎车烧坏、刀具超重、组件不能运转。常用措施：检查（chá）接触器接（jiē）点是否损坏、电源是否缺相（xiàng）及电压等（děng）级是否（fǒu）匹配；检测剎车器线圈是否损坏（huài）、接地是否正确；检查刀具质量是否超过允许值；检查刀套滑动部位是否顺畅。

（2）机械手故障。

①常见故障1：刀具夹不紧，时常掉刀。可能原因：卡爪弹簧的压力太（tài）小、弹簧后面的螺母（mǔ）松动、机械手卡紧锁不起作用、刀具超重。常用措施：拧紧弹簧后螺母、调整或更换卡紧锁、更换弹簧、更换刀具。

②常见故障2：刀具夹紧后松不开。可能原因（yīn）：卡爪弹簧压合过紧，卡爪缩不回。常用措施：调松螺母或更换弹簧，使最大载荷不超过额定值。

③常见（jiàn）故（gù）障3：刀具交换时掉（diào）刀。可能原因：换刀时主轴箱没（méi）回到换刀点或换刀点漂移；机械手抓刀时没（méi）有到位就开始打刀或拔刀、刀臂及刀具的夹刀点不正确，打刀缸松拉刀位置不准确，打（dǎ）刀缸压力不够，松刀不正常（cháng）、刀（dāo）具太重、刀臂（bì）变形。常用措施： 应重设定换刀点；校正夹刀点、调整打刀缸松刀（dāo）行程（chéng）、调整压力值、检查（chá）刀具质量、更换刀臂。

④常见故障4：刀臂不回位。可能原因：电路接触不良、无夹刀或松刀信号、刀臂弯曲。常用措施：执行手动换刀，检查是否电路故障；用（yòng）PLC监看夹刀或松（sōng）刀信（xìn）号，调整近接开关位置、调整或更换（huàn）刀臂。

4.维修（xiū）实例

（1）案例1。

故障现象：加工中心VMC1000C换（huàn）刀（dāo）时出现主轴掉（diào）刀故障。

故障诊断与排除方法：

①检查机械手手臂上两个（gè）卡爪的弹簧及附件，没有发现（xiàn）异常，说明机械手夹持刀具没有问题。

②拆开主轴检查碟簧能否（fǒu）对刀具夹持紧固，发现碟簧完好。

③打开（kāi）PLC的（de）I O监控画面，反复按压主轴刀具夹紧到位行程开关，发（fā）现其“0”、“1”状态与实际动作不一致，说明该行程开关有问题, 更换后故障排除。

（2）案例（lì）2。故障现象：加工中心BX-110P机械手取送刀具时不能缩爪。

故（gù）障诊断与排（pái）除（chú）方法： 打开PLC的IO监控画面，发现相应的限位开关没有（yǒu）压合；调整其位置后，机床恢复正（zhèng）常。但一段时间之（zhī）后，再次出现此故障，检查限位开关没有（yǒu）松动，但却没有压合，进一步检查发（fā）现液压缸拉杆顶（dǐng）端锁紧螺母（mǔ）的紧固螺钉松动，致使液压缸伸缩（suō）的行程发生了变化；调整锁紧螺母并拧紧（jǐn）紧固螺钉后，此故障排除（chú）。

5.结语（yǔ）

机（jī）械手换刀装置是数控机床最重要的功能部件之一，掌握（wò）其（qí）结构特点、控制机理，不断总结归纳常见（jiàn）故障现象、原因（yīn）及（jí）解决措施，不（bú）但有助于提高维修数控机床的效率与质量，对机床的维护与改造也有重要的参考意义。