数控车床螺旋型四工位电动刀架的换刀原理及故障诊断

彭永忠 永州职业技术学院 425000

1、前言

目前我国的经济型数控车床刀架以电动刀架为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。电动刀架是数控车床重要的组成部分之一，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与精度的一致性等；另外，加工工艺的适应性和连续稳定的工作能力也明显提高，尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活、方便地完成各种复杂零件的加工。

2、电动刀架的换刀原理

图1 螺旋型四工位刀架结构图

图2 螺旋型四工位刀架控制原理图

图1所示为螺旋型四工位刀架结构，主要由上刀体、蜗轮、下刀体、转盘、蜗杆等组成；图2所示为螺旋型四工位刀架控制原理。四工位电动刀架一般采用单相交流电动机作为其控制电机，刀位检测信号为四个霍尔元件。当数控系统发出换刀信号时，首先继电器K1动作，换刀电动机正转驱动蜗轮蜗杆机构使上刀体上升。当上刀体上升到一定的高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转进行选刀。刀架上方的发信盘中对应的每个刀位都安装有一个霍尔开关，当上刀体旋转到某刀位时，该刀位的霍尔开关向数控系统输出信号，数控系统将刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时数控系统控制继电器K1释放，继电器K2吸合，换刀电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠的作用下，蜗杆带动上刀体下降，直至齿牙盘咬合，完成精定位，并通过蜗轮和蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。此时，数控系统控制继电器K2释放，换刀电动机停转，从而完成换刀动作。

3、数控车电动床刀架故障及诊断

现以目前使用较多的螺旋型四工位自动刀架可能出现的各种故障现象加以分析，确定其排除方法。其它类型的刀架，虽其结构、尺寸、元器件型号等各有差异，但故障原因大多雷同，也可参照此法加以排除。

3.1 刀架不能启动

（1）机械方面的原因

①刀架预紧力过大

当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。

②刀架内部机械卡死

当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。

（2）电器方面的原因

①电源不通、电机不转

检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外，电源不通的原因还可考虑刀架至控制器断线、刀架内部断线、电刷式霍尔元件位置变化导致不能正常通断等情况。

②电源通，电机反转，可确定为电机相序接反

通过检查线路，变换相序排除之。手动换刀正常、机控不换刀，应重点检查NC与刀架控制器引线、通讯I/O接口及刀架到位回答信号等。

3.2 刀架连续运转、到位不停

由于刀架能够连续运转，所以，机械方面出现故障的可能性较小，主要从电气方面检查：检查刀架到位后NC信号是否发出，若没有到位信号，则是发讯盘故障。可检查：发讯盘弹性触头是否磨坏、发讯盘地线是否断路或接触不良或漏接等。此时需要更换弹性片触头或重修，针对其线路中的继电器接触情况、到位开关接触情况、线路连接情况相应地进行线路故障排除。

当仅出现某号刀不能定位时，则是由于该号刀位线断路所至。其故障判断如下：

（1）此刀位的霍尔元件损坏：确认是哪个刀位使刀架运转不停，在系统上输入转动该刀位信号，用万用表测量该刀位触点对+24V触点是否有变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。

（2）此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号：检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。

（3）系统的刀位信号接收电路有问题：当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。

3.3 刀架越位过冲或转不到位

刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大，主要是后靠装置不起作用。首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳，此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧；其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需更换连接销；若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。

出现刀架运转不到位（有时中途位置突然停留），主要是由于发讯盘触点与弹性片触点错位，即刀位信号胶木盘位置固定偏移所致。此时，应重新调整发讯盘与弹性片触头位置并固定牢靠。若仍不能排除故障，则可能是发讯盘夹紧螺母松动，造成位置移动。

3.4 刀架不能正常夹紧

其故障原因如下：

（1）发信盘位置没对正：拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。

（2）系统反锁时间不够：调整系统反锁时间参数即可（新刀架反锁时间t＝1.2s即可）。

（3）锁紧机构故障：拆开刀架，调整机械，并检查定位销是否折断。出现该故障时，首先检查夹紧开关位置是否固定不当，并调整至正常位置；其次，用万用表检查其相应线路继电器是否能正常工作，触点接触是否可靠。若仍不能排除，则应考虑刀架内部机械配合是否松动，有时会出现由于内齿盘上有碎屑造成夹紧不牢而使定位不准，此时，应调整其机械装配并清洁内齿盘。

3.5 其它故障现象

除以上故障外，有时还出现：无法机控选刀、夹紧后无回答信号、启动或松开手控按钮刀架返原来位置等故障现象。出现这些故障的主要原因是电路中继电器接触不良、胶木盘位置不正、电源相序不对所致，可分别加以调整、修复，使故障排除。

4、结束语

数控机床的电动刀架是一个有机整体，机械、电气的控制存在相互联系和相互影响。因此分析解决刀架故障时，应有整体概念和经验，这样才能有效解决实际问题。如果故障既有机械部件的原因，又有电气方面的原因，而且很难分辨出引起这一故障的主要矛盾，就要进行多方面的检测，耐心细致地分析和诊断，直至找出故障根源。

[1]韩鸿鸾，荣维芝.数控机床的结构与维修.北京：机械工业出版社.2004.8

[2]蒋洪平.数控设备故障诊断与维修.北京：北京理工大学出版社.2006.8

[3]黄卫.数控机床及故障诊断技术.北京：机械工业出版社.2004.6

[4]数控车床综合实训系统使用说明书及实验指导书

[5]孙汉卿.数控机床维修技术 .北京：机械工业出版社.2008.5