刀库式加工中心自动换刀系统故障诊断与维修

雷波 刘华华 许颖

摘 要： 我国是制造大国，数控机床作为工业生产的重要设备，能够有效提升工业生产自动化水平。主要探讨了刀库式加工中心自动换刀系统的故障诊断与维修策略，详细介绍了自动换刀系统的组成，包括自动换刀装置和自动换刀控制系统，并分析了刀库故障、换刀机械手故障以及主轴松刀故障等多种常见问题。在自动换刀控制系统故障方面，着重分析了换刀点漂移、刀库乱刀和换刀超时等问题，并提出了相应的诊断和维修策略。希望本文的研究能为相关技术人员提供参考和借鉴。

关键词： 加工中心 自动换刀系统 故障诊断 维修 策略

中图分类号： TG659文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）05-0094-03

Fault Diagnosis and Maintenance of the Automatic ToolChanging System in Magazine-Type Machining Centers

LEI Bo LIU Huahua XU Ying

Hubei Three Gorges Polytechnic， Yichang， Hubei Province， 443000 China

Abstract： China is a large manufacturing country， and CNC machine tools， as important equipment for industrial production， can effectively improve the automation level of industrial production. This paper mainly discusses the fault diagnosis and maintenance strategy of the automatic tool-changing system in magazine-type machining cen‐ters， introduces the compositions of the automatic tool-changing system in detail， including the automatic toolchanging device and automatic tool-changing control system， and analyzes various common problems such as tool magazine failures， tool-changing manipulator failures and spindle tool release failures. In the terms of the failure of the automatic tool-changing control system， this paper focuses on the analysis of problems such as tool-changing point drift， tool magazine chaos and tool-changing timeout， and puts forward corresponding diagnosis and mainte‐nance strategies. It is hoped that the research in this paper can provide reference and models for related technical personnel.

Key Words： Machining center； Automatic tool-changing system； Fault diagnosis； Maintenance； Strategy

在现代制造业中，数控机床作为提升生产效率和加工精度的关键设备，其自动化水平的高低直接影响到整个生产流程的效率和成本。刀库式加工中心的自动换刀系统是数控机床自动化的重要组成部分，它通过一次性装夹完成多道工序的加工，显著提高了生产效率。然而，自动换刀系统在长时间高负荷运行过程中，难免会出现各种故障，这些故障若不能及时发现和有效处理，将严重影响生产进度和产品质量。

本文旨在深入探讨刀库式加工中心自动换刀系统的故障诊断与维修策略，通过分析自动换刀系统的组成结构和工作原理，识别故障发生的常见原因，并提出相应的维修措施。本文将重点关注刀库故障、换刀机械手故障以及自动换刀控制系统故障等方面的问题，并探讨如何通过有效的故障诊断和维修方法，提高系统的稳定性和可靠性，从而确保数控机床的高效运行。本文的研究旨在为相关技术人员提供实用的指导和参考，以促进制造业的持续发展和技术创新。

1 自动换刀系统的组成

1.1 自动换刀装置

目前，砖塔式和刀库式是应用比较广泛的自动换刀装置。这里主要介绍刀库式自动换刀装置。刀库接收指令后，会根据指令需求对指定刀具传送，并在规定位置上更换，换下的刀具会存储到刀库内，完成整个换刀过程。鼓磬式、链式等是生产中常见的刀库形式。

刀具交换装置的主要功能是在刀库和主轴之间进行刀具的装卸和传递，包括无机械手换刀和有机械手换刀。

无机械手换刀依靠刀库和主轴的相对运动完成换刀，在换刀过程中，机床处于停运状态，加工速度比较慢，而且存储刀具非常有限。

有机械手换刀是在液压缸的作用下完成，插刀和拔刀工作在主轴轴线上完成，借助于液压电机完成摆动送刀和旋转换刀。在换刀时，机械手和刀库轴线处于平行状态。先从刀库中提出即将更换的刀具，之后摆动到和主轴轴线平行的位置，并且向前移动。将原有刀具从主轴中拔出，沿着自身轴线进行旋转运动。将两把刀的位置交换，通过前移在主轴中插入新刀。主轴会锁住刀具，并将刀爪缩回，摆动到刀库位置后放回刀具[1]。

1.2 自动换刀控制系统

自动换刀整个过程环节较多，而且环节之间联系紧密。为了确保自动换刀的进行，必须要加强对整个系统的控制。目前自动换刀系统中，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是其中的控制核心。当接收到程序之后，PLC会明确各控制元件的状况信息，并完成控制刀库、交换装置等动作。

自动换刀系统中，对故障进行诊断时应抓住重点，准确掌握自动换刀系统的运动逻辑和执行逻辑，从中得出故障信息。之后对故障进行鉴别，包括故障类型、问题等，最终采取针对性处理方案，完成对自动换刀系统故障的维修[2]。

2 自动换刀装置故障

2.1 刀库故障

2.1.1 刀库旋转故障

刀库旋转出现的问题，基本上都是机械和电气方面原因引起的。工作人员应重视对电机的检查，排除传动链结构问题。分析检查结果，并根据故障原因采取有效维修措施。

检查电气时应侧重于电信号的稳定性，对继电器等装置运行状态进行检查。当发现运行状态异常时，应更换故障元件。当刀库可以正常转动但动作与要求不相符合时，不应考虑电信号输入问题。根据以往经验来看，造成这一情况的主要原因是电动机输出的转角或者传动结构存在误差。因此，应对刀库传动进行全面、深入的检查[3]。

2.1.2 刀库夹紧故障

自动换刀系统的刀柄上会装有拉钉，刀库中的导套在弹性元件和钢球的配合下构成了锁紧机构，可以夹紧刀具。当刀套无法实现对刀具的夹紧时，则会出现松刀或者掉刀的情况。如果出现了这种问题，应全面检查导套内锁紧机构，如检查弹性元件是不是太松。另外，当刀具重量超过了设计标准时，同样会引发无法夹紧刀具的情况。

2.2 换刀机械手故障

2.2.1 机械手运动故障

当机械手运动速度不符合要求时，应对气动系统的压力和流速进行检查，找到故障原因。

当换刀动作没有全部完成时，此时为了避免故障发生，应立即按下急停按钮停止作业，抑或进行复位操作。由于没有完成换刀动作，需要工作人员采用手动的方式摇回机械手，同时，导套要返回刀库进行复位。而当刀具已经更换完成之后，为了避免出现乱刀的情况，需要将主轴刀具和系统显示刀具进行对比，观察二者的情况。如果相同，则说明没有问题；如果不同，则要手动更换刀具[4]。

2.2.2 机械手更换刀具故障

机械手在夹紧或者松开刀具时可能会发生换刀失败的情况。当机械手不能夹紧刀具时，很有可能是气动系统压力不足或者泄漏造成的。同时，检查刀具松开弹簧情况，察看螺母是否松动。如果发现松锁刀弹簧压合过紧，便会导致机械手无法松开刀具。如果机械手在夹紧和松开刀具都正常，但换刀中发生了掉刀问题，这种情况的出现和换刀点出现漂移有着直接关系。如果机械手的运动尚未达到要求便出现拔刀动作，刀具和机械手相对位置就会出现一定的偏差，机械手便无法夹紧刀具。为了解决这种问题，需要对换刀点做出改变[5]。

2.2.3 机械手传送刀具故障

机械手传送刀具是自动换刀的一个重要环节，在整个换刀过程中发挥着重要作用。在机械手传送刀具时，如果出现了不能夹紧或者掉刀的问题，需要明确故障发生原因。首先检查气动系统和锁紧机构，查看是否存在问题。其次，要考虑刀具超重情况。根据系统设置要求，机械手传送刀具时只能承受合理范围内重量，当重量超出该合理范围后，机械手传送刀具就会出现问题，从而导致故障的发生。

2.3 主轴松刀故障

在机械手抓取刀具时，有时会出现主轴没有松刀的情况，通常是以下两方面原因引起的。

2.3.1 传递给主轴的信号出现问题

通常根据信号的指示，主轴会做出相应动作。如果主轴没有接收到相关信号，或接收信号出现错误时，就无法完成松刀动作。针对于这种情况，应检查松刀感应开关机信号。另外，由于松刀开关实现控制借助于液动电磁阀，所以需要检查电磁阀和压液回路状态。如果是零件出现了问题，需要更换故障零件，保证更换之后可以正常运转。

2.3.2 主轴内锁紧机构失去了作用

主轴内锁紧机构失去作用的常见情况有弹簧卡头、顶杆变形等，这类问题比较直观，工作人员可以用肉眼观察到，修理起来也比较简单。

3 自动换刀控制系统故障

3.1 换刀点漂移

机械手自动换刀在机床的换刀点进行，换刀点也就是机床的机械原点，该点和电气原点一致。当电气原点与机械原点不在相同位置时，就会影响到机械手换刀，从而导致换刀点漂移的情况的出现。当偏移量不大时，换刀可以进行，但是会有比较大的振动，而且过程中会出现异响。当偏移量比较大时，则不能进行拔刀或者掉刀，这会影响正常换刀。机床在捕捉电气原点时，需要发挥出限位开关和撞块的作用。当机床运动到相应位置时，撞块压下限位开关，信号返回，从而识别电气原点。为了弄清楚换刀点漂移问题，应进行深入检查，如果是因为传统系统误差导致的换刀点漂移，可以采用手动返回参考点的方法。

3.2 刀库乱刀

刀库乱刀是一种比较严重的问题，是指刀库中存储刀具和系统中刀具号混乱，其原因是换刀过程中出现了中断的情况。此时，系统内刀具数据会改变，导致存储刀具和系统中刀具号对不上，变得非常混乱，也就是刀库乱刀。针对这类故障，需要全面检查刀具存储情况，并对数据寄存器做出适当改变，将数据改为实际数据。对于刀库乱刀的故障，应明确故障发生原因，并采取有效处理措施。

3.3 换刀超时

在进行换刀时，如果系统显示换刀超时，则表示无法在正常时间内进行换刀。对于这种情况，应仔细检查机械手传动机构，了解其运行状态。还应检查机械手运动速度，看速度是否过慢，如果发现运动速度比较慢，则应对动力系统进行检查，可以发现问题存在的原因。另外，换刀超时还包括一些其他原因，其中主轴松刀感应开关失灵比较常见。对于换刀超时的问题，应对元件进行全面检修，确保恢复正常运行状态。

4 结语

综上所述，自动换刀系统的稳定运行对于提高生产效率和保证加工质量具有至关重要的作用。如果换刀系统中出现的故障未能及时、有效地得到处理，就会对工业生产活动造成不利影响。为了确保自动换刀系统的高效和可靠运行，技术人员必须深入分析各种故障类型，明确故障的根源，并制定出相应的维修策略。此外，通过持续的技术创新和系统优化，能够进一步降低故障发生率，提升系统的整体性能。技术人员应致力于对自动换刀系统进行深入研究，不断探索新的维修方法和技术，以适应不断变化的生产需求和挑战，最终实现自动换刀系统的持续改进和完善，确保其在现代化生产中发挥关键作用，为企业带来更高的生产效率和更好的经济效益。

参考文献

[1]蔚腾，陈国良，卢西宁.误操作导致自动换刀系统故障典型案例分析[J].设备管理与维修，2023（9）：82-84.

[2]朱卫国，齐琦.KUKA制孔机器人自动换刀系统设计[J].唐山学院学报，2020，33（6）：1-5，30.

[3]蒋君侠，朱文杰，朱伟东.机器人自动换刀系统刀夹受力及排布[J].航空学报，2019，40（9）：327-339.

[4]李桂玲，曹月真，张雨，等.基于单片机控制的普通钻床自动换刀系统的设计与应用[J].科学技术创新， 2022（10）：193-196.

[5]曹东级，柳毅，陈剑锋，等.基于PLC的刀库自动换刀控制系统设计[J].电子制作，2022，30（21）：47-50，43.