数控加工中心自动换刀装置的结构原理与维修

1、2一离合器  3、4、12一齿轮  5一套筒  6一端盖  7一主轴  8一螺母
9、16、17一轴承  10一螺钉  1l一推动杆  13一操纵杆  14一液压缸  15一活塞  18一转塔刀架体
由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。
转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床等。
3．带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。
与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。
刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。

   根据刀库所需要的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成多种形式。图8-19列出了最常用的几种。图8-19a~d是单盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置(如图8-19a~c)，图8-19d是刀具可作90º翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单，刀库的容量通常为15～30把，取刀比较方便，因此应用最为广泛。图8-19e是鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量较大，但选刀和取刀的动作较复杂。图8-19f是链式刀库，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高了空间的利用率。图8-19g和8-19h分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，应用较少。刀库的容量一般为10~60，但随着加工工艺的发展，目前刀库的容量似乎有进一步增大的趋势。图8-20为一龙门式加工中心采用的链式刀库实例，图8-21为一立式加工中心的圆盘式刀库实例。

8.4.3  刀具交换装置
数控机床的刀具交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有直接的影响。 

由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置，在换刀时必须先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长。如图8-20所示的龙门加工中心，就是采用这类刀具交换方式的实例。它的选刀运动由伺服电动机驱动链式刀库旋转来完成，换刀运动由主轴箱沿Y和Z轴运动来完成。
采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置(地址)对应地记忆在数控系统的PC中，不论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测装置(一般与电动机装在一起)，可以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时，就近选取，如对于盘式刀库来说，每次选刀运动或正转或反转不会超过180º。

图8-22为凸轮机械手换刀结构图，图8-23为凸轮机械手换刀动作实例。

刀库及换刀机械手结构较复杂，且在工作中又频繁运动，所以故障率较高，目前机床上有50％以上的故障都与之有关。如刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹持刀柄不稳定，机械手动作误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作。因此刀库及换刀机械手的维护十分重要。
1．刀库及换刀机械手的维护要点
1)严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止在机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞。
2)顺序选刀方式必须注意刀具放置在刀库中的顺序要正确，其他选刀方式也要注意所换刀具是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生。
3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位，装牢靠，并检查刀座上的锁紧装置是否可靠。
4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，发现问题要及时调整，否则不能完成换刀动作。
5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。  
6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否正常，刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正常时应及时处理。
2．刀库的故障
刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀套不能夹紧刀具；刀套上下不到位等。
(1)刀库不能转动或转动不到位 刀库不能转动的原因可能有：①联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；②变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是否正常；③PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；④机械连接过紧；⑤电网电压过低。
刀库转不到位的原因可能有：电动机转动故障，传动机构误差。
(2)刀套不能夹紧刀具  原因可能是刀套上的调整螺钉松动，或弹簧太松，造成卡紧力不足；或刀具超重。
(3)刀套上下不到位  原因可能是装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确；限位开关安装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。
3．换刀机械手故障
(1)刀具夹不紧掉刀  原因可能是卡紧爪弹簧压力过小；或弹簧后面的螺母松动；或刀具超重；或机械手卡紧锁不起作用等。
(2)刀具夹紧后松不开  原因可能是松锁的弹簧压合过紧，卡爪缩不回：应调松螺母，使最大载荷不超过额定数值。
(3) 刀具交换时掉刀  换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。这时应重新移动主轴箱，使其回到换刀点位置，重新设定换刀点。
二、  自动换刀装置故障维修10例
1．机械手故障的维修
例1．故障现象：某加工中心采用凸轮机械手换刀，机械手结构及换刀程序如图2-22、图2-23所示。换刀过程中，动作中断，发出2035#报警，显示内容：机械手伸出故障。
分析及处理过程：根据报警内容，机床是因为无法执行下一步“从主轴和刀库中拔出刀具”，而使换刀过程中断并报警。
机械手未能伸出完成从主轴和刀库中拔刀动作，产生故障的原因可能有：
(1)“松刀”感应开关失灵  在换刀过程中，各动作的完成信号均由感应开关发出，只有上一动作完成后才能进行下一动作。第3步为“主轴松刀”，如果感应开关未发信号，则机械手“拔刀”就不会动作。检查两感应开关，信号正常。
(2)“松刀”电磁阀失灵  主轴的“松刀”，是由电磁阀接通液压缸来完成的。如电磁阀失灵，则液压缸未进油，刀具就“松”不了。检查主轴的“松刀”电磁阀动作均正常。
(3)“松刀”液压缸因液压系统压力不够或漏油而不动作，或行程不到位  检查刀库松刀液压缸，动作正常，行程到位；打开主轴箱(图8-2)后罩，检查主轴松刀液压缸，发现也已到达松刀位置，油压也正常，液压缸无漏油现象。
(4)机械手系统有问题，建立不起“拔刀”条件  其原因可能是：电动机控制电路有问题。检查电动机控制电路系统正常。
(5)主轴系统有问题  主轴结构示意图如图8-2所示。刀具是靠碟簧通过拉杆和弹簧卡头而将刀具柄尾端的拉钉拉紧的；松刀时，液压缸的活塞杆顶压顶杆，顶杆通过空心螺钉推动拉杆，一方面使弹簧卡头松开刀具的拉钉，另一方面又顶动拉钉，使刀具右移而在主轴锥孔中变“松”。
主轴系统不松刀的原因估计有以下4点：①刀具尾部拉钉的长度不够，致使液压缸虽已运动到位，而仍未将刀具顶“松”；②拉杆尾部空心螺钉位置起了变化，使液压缸行程满足不了“松刀”的要求；③顶杆出了问题，已变形或磨损；④弹簧卡头出故障，不能张开：⑤主轴装配调整时，刀具移动量调得太小，致使在使用过程中一些综合因素导致不能满足“松刀”条件。
处理方法：拆下“松刀”液压缸，检查发现：这一故障系制造装配时，空心螺钉的“伸出量”调整得太小，故“松刀”液压缸行程到位，而刀具在主轴锥孔中“压出”不够，刀具无法取出。调整空心螺钉的“伸出量”，保证在主轴“松刀”液压缸行程到位后，刀柄在主轴锥孔中的压出量为0.4~0.5mm。经以上调整后，故障排除。
例2．故障现象：JCS-018A立式加工中心(北京精密机床厂生产)机械手失灵；手臂旋转速度快慢不均，气液转换器失油频率加快，机械手旋转不到位，手臂升降不动作，或手臂复位不灵。调整SC-15节流阀配合手动调整，只能维持短时间正常运行，且排气声音逐渐浑浊，不像正常动作时清晰，最后到不能换刀。
分析及处理过程：
1)手臂旋转75º抓主轴和刀套上的刀具，必须到位抓牢，才能下降脱刀。动作到位后旋转180º，换刀位置上升分别插刀，手臂再复位、刀套上。手臂75º、180º旋转，其动力传递是压缩空气源推动气液转换器转换成液压油由电控程序指令控制，其旋转速度由SC-15节流阀调整；换向由5ED-IONl8F电磁阀控制。一般情况下，这些元器部件的寿命很长，可以排除这类元器件存在的问题。

2)因刀套上下和手臂上下是独立的气源推动，排气也是独立的消声排气口，所以不受手臂旋转力传递的影响；但旋转不到位时，手臂升降是不可能的。根据这一原理，着重检查手臂旋转系统执行元器件成为必要的工作。

3)观察75º、180º手臂旋转或不旋转时液压缸伸缩对应气液转换各油标升降、高低情况，发觉左右配对的气液转换器，左边呈上限右边就呈下极限，反之亦然，且公用的排气口有较大量油液排出。分析气液转换器、尼龙管道均属密闭安装，所以此故障原因应在执行器件液压缸上。

4)拆卸机械手液压缸，解体检查，发现活塞支承环O形圈均有直线性磨损，已不能密封。液压缸内壁粗糙，环状刀纹明显，精度太差。更换上北京精密机床厂生产的80缸筒，重装调整后故障消失，正常运行至今已7年，未再发生机械手换刀失灵故障。

例3．故障现象：某配套FANUC 11系统的BX-110P加工中心，JOG方式时，机械手在取送刀具时，不能缩爪。机床在JOG状态下加工工件时，机械手将刀具从主刀库中取出送入送刀盒中，不能缩爪，但却不报警；将方式选择到ATC状态，手动操作都正常。

分析及处理过程：经查看梯型图，原来是限位开关LS916并没有压合；调整限位开关位置后，机床恢复正常。但过一段时间后，再次出现此故障，检查LS916并没松动，但却没有压合，由此怀疑机械手的液压缸拉杆没伸到位。经查发现液压缸拉杆顶端锁紧螺母的紧定螺钉松动，使液压缸伸缩的行程发生了变化；调整了锁紧螺母并拧紧紧定螺钉后，此故障排除。
例4．换刀不到位的故障维修
故障现象：自动换刀时刀链运转不到位。当进行到自动换刀程序时，刀库开始运转，但是所需要换的刀具没有传动到位，刀库就停止运转了。3min后机床自动报警。
分析及处理过程：MPA-H100A加工中心是日本三菱公司广岛工机工厂生产，所配CNC系统为FANUC 6M-MODELB，工作台为1000mm×l000mm，60把刀具。由上述故障查报警知道是换刀时间超出。此时在MDI方式中，无论用手动输入刀库顺时针旋转还是逆时针旋转动作指令，刀库均不动作。检查电气控制系统，没有发现什么异常；PLC输出指示器上的发光二极管燃亮，表明PLC有输出，刀库顺时针和逆时针传动电磁阀上的逆时针一侧的发光二极管燃亮，表明电磁阀有电，此时刀库不动作，那么问题应该发生在液压系统或者其他方面。但是液压系统的压力正常，各油路均畅通并无堵塞现象；检查各个液压阀的液压器件也没有发现什么问题，估计故障可能出在液压马达上。为此，拆除了防护罩，卸下了液压马达，能拆卸检查的部位，都作了检查，也没有发现什么问题；后又将液压马达送到大连组合机床研究所去鉴定，其测试结论是液压马达是完好的。经在场的同志们仔细分析研究后认为，问题只能有一个，那就是机械方面的故障；但刀库的各部位，各个零部件均无明显的损伤痕迹，因此机械损坏故障可排除在外；最后问题归结为一点，即刀库负载太重，或者有阻滞的部位，以至液压马达带不动所致。
事实上的确如此。我们在加工10t叉车箱体时，由于工件较复杂，加工面较多，所用刀具多达40多把，而且大的刀具，长的刀具(最长的刀具达550mm)，重的刀具(最重的刀具达25kg以上)用量都很大，而且我们忽略了刀具在刀库上的分布情况，重而长的刀具在刀库上没有均匀分布，而是集中于一段，以至造成刀库的链带局部拉得太紧，变形较大，并且可能有阻滞现象，所以机床的液压马达带不动。最后我们把刀库链带的可调部分稍松了一些，结果一切都恢复正常，说明问题的确是出在机械上。
注意：刀库的链带又不能调得太松，否则会有“飞刀”的危险。有一次机械手在刀库侧抓刀时，当把刀具拔出、然后上升、再进行180º旋转时，刀具突然被甩出，险些酿成大祸。分析这起故障的原因，就是因为刀库链带太松的缘故。该机床机械手的两个卡爪是靠向下的推力而被刀柄的外径向外挤开，然后靠弹簧的张力来夹紧刀具的。当机械手向下抓刀时，由于链带太松，链带也随着机械手向下的推力而向下拱曲，结果机械手的卡爪只抓住刀柄的一大半，并没有完全抓靠、抓牢，当机械手旋转时，由于刀具很重，在离心力的作用下，刀具就沿切线方向甩出去。经把链带稍微紧了一下，就再也没有发生类似情况。
维修体会：刀库的驱动系统不外乎有两类，一类是机械传动，一类是液压传动。MPA-H100A加工中心是20世纪80年代初的产品，采用液压传动方式，即采用液压马达、电磁阀、流量控制阀等来驱动刀库的运转。与采用变频调速电动机驱动的刀库相比，就其电气控制系统而言，要简单得多，也比较直观，一般不容易出现故障。但它也会随着设备的使用环境、加工条件、工件的复杂程度、所用刀具的多少而有所变化，尤其是刀具的长度、刀具的重量以及刀具在刀库的分布情况，这些都是故障可能因素。
回转刀架故障的维修
例5．故障现象：SAG210/2NC数控车床刀架电动机起不动，刀架不能动作。
分析及处理过程：SAG210/2NC及CKD6140及数控车床，与之配套的刀架为LD4-I四工位电动刀架。
分析该故障产生的原因，可能是电动机相序接反或电源电压偏低，但调整电动机电枢线及电源电压，故障不能排除。说明故障为机械原因所致。将电动机罩卸下，旋转电动机风叶，发现阻力过大。拿开电动机进一步检查发现，蜗杆轴承损坏，电动机轴与蜗杆离合器质量差，使电动机出现阻力。
更换轴承，修复离合器后，故障排除。
例6．故障现象：SAG210/2NC数控车床刀架的上刀体抬起但转动不到位。
分析及处理过程：该车床所配套的刀架同上例。根据电动刀架的机械原理分析，上刀体不能转动可能是粗定位销在锥孔中卡死或断裂。拆开电动刀架更换新的定位销后，上刀体仍然不能旋转到位。在重新拆卸时发现在装配上刀体时，应与下刀体的四边对齐，而且齿牙盘必须啮合，按上述要求装配后，故障排除。
例7．故障现象：匈牙利EEN-400数控车床刀架定位不准。
分析及处理过程：EEN-400数控车床是由匈牙利SEIN公司生产的，所配的刀架是由保加利亚生产的，可装6把刀。经查定位不准的主要原因是刀架部分的机械磨损较严重，已不能通过常规的调整、刀补间隙补偿等手段来解决，需考虑进行整体更换。经了解，国内的数控刀架生产厂家已能生产相同性能的卧式6刀位刀架，作适当的处理，就可以使用。
以陕西省机械研究院生产的JYY卧式数控电动刀架更换了原刀架后，恢复了定位精度，经使用一年多宋，一直正常。
例8．加工尺寸失控的故障维修
故障现象：南京JN系列数控系统加工尺寸不能控制。
分析及处理过程：该机床为采用南京江南机床数控工程公司的JN系列机床数控系统而改造的经济型数控车床，其刀架为LD4-I型电动刀架。
该机床在产品加工的过程中，发生其加工尺寸不能控制的现象，操作者每次在系统中修改参数后，数码显示器显示的尺寸与实际加工出来的尺寸相差很大，且尺寸的变化无规律可寻，即使不修改系统的加工参数，加工出来的产品尺寸也在不停地变化。因该机床主要是进行内孔加工，因此尺寸的变化主要反应在X轴上。为了确定故障部位，采用替换法，将X轴的驱动信号与Z轴的驱动信号进行交换，即用2轴控制信号去驱动X轴，而用X轴控制信号去驱动Z轴。替换后故障依然存在，这说明X轴的驱动信号无故障，同时也说明故障源应在X轴步进电动机及其传动机构、滚珠丝杠等硬件上。
检查上述传动机构、滚珠丝杠等硬件均无故障，进一步检查X轴轴向重复定位精度也在其技术指标之内。是何原因产生X轴加工尺寸不能控制呢?思考检查分析故障的思路，发现在分析检查中忽略了一个重要的部件——电动刀架。
检查电动刀架的每一个刀号的重复定位精度，发现电动刀架定位不准。分析电动刀架定位不准的原因，若是电动刀架自身的机械定位不准，故障应该是固定不变的，不应该出现加工尺寸不能控制的现象，定有其他的原因造成该故障现象。检查电动刀架的转动情况，发现电动刀架在抬起时，有一铁屑卡在里面。铁屑使定位不准，这就是故障源。

拆开电动刀架，用压缩空气将电动刀架定位齿盘上的铁屑吹干净，重新装配好电动刀架后，故障排除。

例．刀库无法旋转的故障维修

例9．故障现象：自动换刀时刀链运转不到位。当进行到自动换刀程序时，刀库开始运转，但是所需要换的刀具没有传动到位，刀库就停止运转了。3min后机床自动报警。

分析及处理过程：TH42160龙门加工中心采用的链式刀库如图8-20所示，其配套的CNC系统为SIEMENS 840D。
 由上述故障查报警知道是换刀时间超出。此时在MDI方式中，无论用手动输入刀库顺时针旋转还是逆时针旋转动作指令，刀库均不动作。检查电气控制系统，没有发现什么异常；PLC输出指示器上的发光二极管燃亮，表明PLC有输出，那么问题应该发生在机械传动方面。估计故障可能出在减速器上。为此，拆除了防护罩，卸下了伺服电动机，拆开减速器，发现减速器内一传动轴上的联接键脱落，致使动力传动路线中断，刀库无法旋转。修复减速器后，故障排除。
例10．故障现象：自动换刀时刀链运转不到位，刀库就停止运转了，机床自动报警。
分析及处理过程：TH42160龙门加工中心采用的链式刀库如图8-20所示，其配套的CNC系统为SIEMENS 840D。
由上述故障查报警知道是刀库伺服电动机过载。检查电气控制系统，没有发现什么异常，问题应该发生在机械传动或其他方面：①刀库链或减速器内有异物卡住：②刀库链上的刀具太重：③润滑不良：经过检查上述三项正常。卸下伺服电动机，发现伺服电动机内部有许多切削液，致使线圈短路所致。观察原因是电动机与减速器联接处的密封圈磨损，从而导致切削液渗入电动机。更换密封圈和伺服电动机后，故障排除。