加工中心用刀库及换刀装置的常见故障及维护方法

朱建国，张海见，夏康俊，李光中，吴明刚

冈田精机丹阳有限公司，江苏 丹阳 212300

0 引言

近些年我国加工中心用刀库及换刀装置的生产水平取得了长足的进步，但是和一些发达国家相比，还存在不小的差距，主要体现在可靠性和精度保持性等方面，并且可靠性低已经成为制约加工中心用刀库及换刀装置竞争力的重要因素。因此，工作人员必须掌握加工中心用刀库及换刀装置的常见故障及维护方法，从而更好的提高刀库的使用效率。本文主要对刀库及换刀装置的安装调试技术、维护技术、保养技术等进行介绍。

1 刀库及换刀装置安装调试技术

刀库动作调试之前，需要事先检查机床钣金是否干涉，自动门运行平稳，无卡顿现象，相关信号要稳定可靠。

1.1 刀库整体安装及水平调试

刀库整体安装前需清理各安装面，如落地需安装先做好埋地螺栓及垫铁。刀库对应的刀库支架落放到位后，首先用安装螺钉将支架与机床床身的安装面贴平，要求：0.02mm塞尺检测不入。其次在刀库支架安装面上放置水平仪观察上安装面的水平误差，通过调整地脚垫铁使刀库支架水平到位，检测要求为：水平仪偏差在1格以内时可以锁紧螺钉，调整时要求地脚均匀受力，水平仪在刀库支架横向放置，螺钉锁紧时检查水平仪是否变化，如变化需重新调整。待上述程序完成以后，将刀库落放到位，螺钉锁紧即可[1]。

1.2 校刀

在调整刀库之前，首先将主轴上其中一个定位键拆除，并将另一个键转至下端位置。然后旋转换刀臂，使得换刀臂横置在主轴前端，再将表吸在主轴上，用表头打换刀臂后表面，表一端归零，手摇主轴箱确认换刀臂平面与Y轴平行与否，要求0.01/100，若不满足则需要调整刀库底座。

首先将机床的Z轴回零，将Y轴摇至机床最下端的位置，并分别在机床的主轴上装上锥柄，要求BT50系列刀柄与主轴端面之间的间隙在0.5～0.6mm之间，并使用塞尺进行检测。再在换刀臂上装上环，来确保刀库换刀臂旋转至主轴正前方的时候后不会触碰到主轴，然后分别用手脉将机床的Z轴和Y轴摇向刀臂，在锥柄和环之间插入检棒，要求主轴中心与刀库换刀臂中心同心度0.10mm，若同心度满足，则可进行下一步；若不满足，则需要调节刀库前后左右的位置，直至换刀臂与主轴的同心度在0.10mm以内，即检棒可以顺利的插入锥柄孔内。

完成校对后，可卸下校刀器，在换刀臂上装上标准的刀柄，并将刀柄摇至水平位置，后用手脉移动Z轴，将刀柄缓慢进入主轴的锥孔，然后手动摁下抓刀按钮，用塞尺检测，确保刀柄和主轴端面之间的距离在0.10～0.20mm之间即可，系统记录此时Y轴和Z轴的坐标值，设置参数即换刀坐标系（第二参考点）。

完成上述动作后，将刀库与刀库支架、刀库支架与机床床身、刀库调整块的锁紧螺钉分别用标准扭力锁紧，并作红色标记。

1.3 主轴定位键参数设定

刀库的机械安装完成后，还需要对主轴的定位参数进行调整，例如FANUC系统，需要将系统界面调整到参数445界面，换刀臂扣刀爪装夹环，顺时针及逆时针转动主轴，使主轴定位键和环上定位键槽接触，并记录相应的S1数值；将两次测量的S1数值取平均值，并设置到参数4077中。上述参数设置完成后，先用手动方式进行换刀，检查刀套倒刀、换刀机构运转换刀、主轴抓松刀等动作无误后，开始进行CNC自动程序控制。试换刀数次后，确认一切正常后，进行跑刀库测试。

1.4 刀库控制系统调试

根据早期试验故障数据，刀库及机械手故障统计中电气控制故障一般在系统总故障的1/4以上，影响电气控制可靠性的因素有CNC系统、检测元件、电气控制线路及控制程序等。其中控制程序反映了刀库机械手换刀的综合逻辑要求，是可靠性影响因素的重要方面之一[2]。

在刀库控制过程中，PLC程序经内部逻辑运算确定电机转动方向实现就近选刀。刀库旋转定位使用伺服马达或普通马达加机械结构来实现精准定位，分析产品厂家说明书及结构，使用PLC逻辑完成刀库选刀与刀套定位、刀套翻转与机械手换刀、刀库控制动作时序、控制程序设计等来完成整个换刀动作。

1.5 刀库控制程序可靠性保障措施

首先需要缩短控制程序执行周期及信号处理时间，提高系统灵敏度，选择软件避错设计理论式软件可靠性设计作为首要方法，其基本原则式控制和减少程序的复杂性，在满足换刀要求前提下尽可能设计简单，缩短程序处理时间。

其次进行输入输出信号处理，灵活多变的I/O信号是多发故障源，采用故障隔离技术，程序中加入处理模块提高信号稳定性。

然后是报警、提示信息功能制作。软件查错设计是指在设计中赋予程序某些特殊功能，使程序在运行中自动查找错误，换刀控制程序执行过程中如若遇到故障，如选刀指令出错、机械手信号未到位、机械手动作超时等，报警、提示信息就能帮助我们快速查找原因，提高系统可靠性。

因此在实际工作中，了解和熟悉数控系统丰富的操作功能外，日常的维护和细致的工作态度也是至关重要，这样对外围故障的判断和排除也是有着事半功倍的作用。由于西门子系统应用较广，功能强大，只有掌握好系统应用与机床的操作才能深入研究其功能，才能做好系统调试维修工作，充分发挥出数控加工中心的价值。

1.6 安装调试注意事项

安装调试过程中需要对以下事项进行检查。①检查刀库各部件螺丝及零件，查看是否有松脱或碰撞损毁，若有则请将其固定牢靠或视毁损情况修护及更换新品零件。②核对刀库与主机的立柱及各个部位是否会造成干涉的情形；之后检查电磁阀，近接开关所需的电压，检查接线条件是否与主机的控制系统兼容；然后须注意安装过程控制组件的导线，避免受损。③将刀库与主机结合，并校正刀臂与刀轴的相关位置；之后依据使用说明书将各项控制组件和主机上相关链接点作联机，动作前须检查线路与位置，确认无误后方可进行试运转。④运转的初期尽量采用单步动作，再逐步增加每一单步之间的连贯性，若单步间如有动作不顺即应立刻停机，避免造成几件的损坏；在每一相连的步骤间，如有需要请给予时间延时。⑤连续运转时请注意动作牵制的保护措施有无遗漏的地方，并根据接线图接线，了解换刀动作顺序，最后根据时序图编写换刀程序[3]。

1.7 使用要求

在完成安装调试之后，在使用过程中一样需要注意以下事项。①换刀机构油位，确保油位在靠近油镜中心红点上下附近，最低油位不可低于油镜可见范围。②电压，在刀库配线接上电源前，先检查马达已接好的电压值是否与主机电压匹配。③换刀机构原点位置，换刀机构开始动作时应在原点启动，如换刀机构停留点不在原点位置，处理时必须先切断主机电源手动旋转换刀机构马达，使信号回复到原点位置。④刀具，确保刀具规格、重量与长度满足刀库容许的最大规格、重量和长度要求。刀具应置放于刀套前，并要保证拉钉拧到刀柄上之后刀柄大端到拉钉的尺寸（A）符合机床的要求。⑤换刀位置精度，刀具在主轴端换刀位置时，刀臂刀柄位置中心与主轴中心同轴度应在φ0.02mm之内。⑥外接气源的流量和压力需确保气压稳定，压力控制在0.5～0.6Mpa之间，气体中不能含有水分。⑦润滑，刀库运动部件需添加通用锂基润滑脂3#进行润滑[4]。

换刀机构（ATC）应使用清洁润滑油，不可使用回收油，建议采用表1中的润滑油。

表1 换刀机构建议用油

2 刀库及换刀装置维护技术

刀库的使用维护对刀库的运行可靠性也至关重要，通过系统二次开发，提醒客户对刀库日常维护事项，包括：定期润滑油更换、常见故障的处理方案和步骤等。通过故障统计及分析，统计如下问题及处理方法。

2.1 刀套破裂

刀套破裂是指储存刀具的刀套发生塑性破裂，损坏了其本身的机械结构。

问题原因：刀套在尚未水平定位之前，刀库刀链开始旋转，导致刀套挤破。

处理办法：检查倒刀气缸上面行程开关的信号位置是否正确。如果是因为信号提前，将行程开关稍微向下调整，调整至刀套水平定位后行程开关感应到信号。

2.2 乱刀

乱刀是指刀库所选刀具与实际需要刀具刀号不符，其常见原因有如下两种，如下所示。

问题原因1：刀库参数表错乱。

处理办法：查验刀具表，将参数表中刀具参数与实际的刀库的参数进行对比，正常情况下表内的参数值应当是1～n+1个不同的参数值，且排列是无序的，但是一个都不少，不重复，如果发现有重复或者有缺失，则说明参数表有问题，需要进行排刀。D0000设为主轴刀号的存放地址，D0001-D00n为1-n个刀套，地址表示刀套编号，是一直不变的，可存放任意编号的刀具，而表内的数据是随换刀的过程而变化的，就是从刀库中被选中装入主轴的刀具号。

问题原因2：信号错误。

处理办法：检查刀库数数刀开关是否正常，检查得电是否和刀套转动一致，得电次是否和系统中计数器数值是否符合。如不正常，更换刀库数刀开关。另机床周边不得有焊接等产生强磁场影响开关功能。

2.3 链式刀库链条伸长

链条伸长是指链式刀库存放刀具的链条结构发生形变。

问题原因：刀具放置不当或长时间使用后导致链条疲劳拉长。处理办法：这类故障可以调节刀库本体惰性轮上的调节螺钉来解决问题。

2.4 掉刀

掉刀是指刀具从刀库工作流中因意外因素掉落的现象，其常发生在换刀、倒刀的工作过程中。换刀时掉刀问题原因及处理方法如表2所示。

表2 换刀期间掉刀原因及处理方法

倒刀时掉刀问题原因及处理方法如表3所示。

表3 倒刀时掉刀原因及处理方法

2.5 卡刀

卡刀是指在刀库使用期间发生刀具运行不畅、发生卡顿的现象，其常常发生倒/回刀过程中、刀库无法运转的时候。倒/回刀机构动作不畅问题原因及处理方法，如表4所示。

刀库无法运转问题原因及处理方法，如表5所示。

表5 刀库无法运转问题原因及处理方法

刀臂无法旋转问题原因及处理方法，如表6所示。

表6 刀臂无法旋转问题原因及处理方法

3 刀库及换刀装置保养技术

刀库及换刀装置由于其自身结构复杂，在诸多因素的影响下可能出现各种故障，需要操作者在使用过程中熟悉整个动作流程、了解各个环节的联系逻辑，耐心排查，并在日常维护与保养中做到以下几点：（1）为防止在机械手换刀时发生碰撞，禁止将超重、超长的刀具装进刀库；（2）经常手动松拉刀，清洁主轴的锥孔；（3）注意保持刀具刀柄和刀套的清洁；（4）检查机械手锁刀舌是否正常；（5）经常检查刀库回零位置是否正确，检查机床主轴回零点位置是否到位；（6）检查刀库各个部件是否正常，关键零件是否损坏；（7）检查换刀机构各部油量是否充足，及时补充更换液压油；（8）检查打刀缸打刀量是否正常，及时发现，及时调整；（9）经常检查刀具、拉钉的规格，禁止使用非标刀具、拉钉；（10）刀具存放刀库应均布，尽量减少偏载；（11）对重型刀具，降低机械手转速，定时检查刀库及换刀装置传动系统和定位精度，调节链条的松紧、查看复合凸轮、锥齿轮是否磨损严重；（12）为保证气缸或油缸可靠工作，刀库油泵压力应保持5.5～6.5Mpa，气压在0.5～0.6Mpa[5]。

4 结语

刀库及换刀装置是加工中心的重要组成部分，兼具高速、高效、准确、稳定可靠等特点。尤其是在刀库及换刀装置使用日益增长的今天，显得专业安装调试、维护、保养技术更加重要。所以说，相关的专家学者要对其进行更加深入的研究及分析，探寻更加简单、快捷、准确的故障处理及维护技术，使其更好地服务于机械制造业，切实推动我国加工中心机床产业又好又快发展，迈向世界一流水平。