数控车床换刀时无法识别刀具故障诊断与维修

威海职业学院 （山东 264210） 韩鸿鸾

威海某单位一台数控车床在换刀时出现了刀架转动不停，但找不到所换刀具的故障。据机床操作者描述，该故障已经持续近半年时间了，最初几个月出现一次故障，后来一个月出现几次故障，而最近发展到每次换刀都会出现这种故障。据了解，维修人员前几次维修也没有做什么实质性的维修，只要关机一段时间再开机故障就消除了；有时也打开机床检查，并没有发现故障，但把数控机床重新装好后，故障就有可能解决。最近机床出现故障，采用上述方式故障并没有解决。笔者应邀参与了故障的诊断与维修，现将维修过程讲述出来，供读者参考。

图1 就近选刀

表1 局布变量定义

1. 检查用户程序

用户程序若编写成了一个死循环就有可能出现这样的故障，该机床加工的零件不是很复杂，只用三把刀，分别是外圆刀、切断刀和螺纹刀。通过反复检查，该用户程序没有问题，但是当场编写了一个换刀程序，故障虽然没有解决，但该故障变成了时有时无的情况。

怀疑这种故障是针对固定的某把刀具，就把原先的T1、T2和T3换成了T4、T5和T6，故障虽然没有完全消除，但有时能找到所要换的刀具。因根本原因没有找到，若用12把刀的话，故障肯定还会出现，所以需要进一步进行维修。

2. 检查PLC程序

该机床是二手机床，最初配置为SIEMENS 810C系统，后来由于配件买不到换成了802D系统，该机床的PLC控制如下：

（1）就近选刀。就近选刀如图1所示，选刀流程如图2所示，就近选刀子程序梯形图如图3所示，局布变量定义如表1所示。

图2 选刀流程图

图3 就近选刀子程序梯形图

（2）换刀。换刀流程如图4所示，其子程序梯形图如图5所示，局布变量定义如表2所示，全局变量定义如表3所示。

表2 局布变量定义

表3 全局变量定义

通过检查各种信号，发表信号状态与理论值一样（见图5中标红与标绿部分）。这就确定故障不在PLC部分。

3. 检查机械部分

图6所示为数控本车床用的卧式回转刀架结构简图，其转位换刀过程为：

（1）刀盘脱开。接收到数控系统的换刀指令→活塞9右腔进油→活塞推动轴承12连同刀架主轴6左移→动、静鼠牙盘脱开，刀盘解除定位、夹紧。

（2）刀盘转位。液压马达2起动→推动平板共轭分度凸轮→推动齿轮副5、4→刀架主轴6连同刀盘旋转，刀盘转位。

（3）刀盘定位夹紧活塞9左腔进油→刀架主轴6右移→动、静鼠牙盘啮合，实现定位夹紧。

该回转刀架的夹紧与松开、刀盘的转位均由液压系统驱动、PLC顺序控制来实现。11是安装刀具的刀盘，它与刀架主轴6固定联接。当刀架主轴6带动刀盘旋转时，其上的鼠牙盘13和固定在刀架上的鼠牙盘10脱开，旋转到指定刀位后，刀盘的定位由鼠牙盘的啮合来完成。

活塞9支承在一对推力球轴承7和12及双列滚针轴承8上，它可带动刀架主轴移动。当接到换刀指令时，活塞9及轴6在压力油推动下向左移动，使鼠牙盘13与10脱开，液压马达2起动带动平板共轭分度凸轮1转动，经齿轮5和齿轮4带动刀架主轴及刀盘旋转。刀盘旋转的准确位置，通过开关PRS1、PRS2、PRS3和PRS4的通断组合来检测确认。当刀盘旋转到指定的刀位后，开关PRS7通电，向数控系统发出信号，指令液压马达停转，这时压力油推动活塞9向右移动，使鼠牙盘10和13啮合，刀盘被定位夹紧。开关PRS6确认夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位换刀循环完成。

图4 换刀流程图

图5 换刀子程序梯形图

图6 数控车床回转刀架结构简图

在数控车床的回转刀架装置中，采用了平板共轭分度凸轮机构，该机构将液压马达的连续回转运动转换成刀盘的分度运动。

经过仔细检查没有发现故障，运行换刀程序，有一个凸轮的凸起有点斜(见图6b中标红的部分)，检查发现是用胶粘贴上的。

把同一型号废旧的机床上的凸轮换上后，故障排除。同时笔者还总结出以下解决方法：①把检测轴上的凸轮等换为圆光栅或光电编码器等周向检测元件，此方法虽然可以排除故障，但修改比较大。②买新的同型号的检测凸轮换上即可。③加工一个凸轮换上，因为多个凸轮在一起，加工时要注意各个凸起的周向角度应与原件一样（见图6b中标绿的部分），同时要保证凸起的高度也要与原件一样（见图6b中标蓝的部分）。

4. 结语

其实引起本文中描述的故障原因并不多见，在日常使用过程中，检测元件与凸轮接触不到（见图6a中标红的部分）更容易起本换刀时找不到刀的故障。若是在新机床验收时出现此故障，一般是PLC故障或电气故障造成的，在极少数情况下是机械故障与接近开关的原因。对于普通机床改造的数控机床，出现此类故障大都是机械方面造成的。对于正常应用的数控机床，也就是在偶发故障期出现的此类故障，一般是接近开关造成的。这类故障不是指接近开关坏了，而是接近开关到凸轮的距离太远了，只要进行调整一下即可。

[1] 韩鸿鸾. 图解数控机床机械结构维修从新手到高手[M]. 北京：化学工业出版社，2015.