自动换刀系统可靠性分析与维修
2014-05-08石林
石林
摘要： 自动换刀系统作为数控加工中心的重要部件，在极大提高加工效率的同时，也对其自身可靠性提出更高的要求，文章主要根据自身维修经验与大量的维修记录，对自动换刀系统相关故障进行分析总结，为今后相关故障维修提供借鉴与参考。
Abstract： The automatic tool changer as an important part of CNC machining centers， greatly improving the processing efficiency， but also demanding higher for its own reliability. Based on experience and a lot of maintenance records， this paper analyzes and summarizes the related failures of automatic tool changer， and provides reference for future maintenance.
关键词： 自动换刀系统；数控机床；维修
Key words： automatic tool changer；CNC machine tools；maintenance
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）11-0032-02
1 自动换刀系统结构优缺点分析
自动换刀系统主要由刀库、机械手和驱动装置组成，按照机床刀库的结构形式主要分为转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。
①转塔式刀库，刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量少，常用车削中心，该形式的自动换刀系统，因其机械结构和控制方式简单，所以故障率较低。
②圆盘式刀库，刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列、径向排列或成锐角排列，此类刀库结构简单、紧凑，但是由于储刀容量受刀盘大小的限制（刀盘太大，刀库的转动惯量大，换刀时间也相对较长），所以该形式的换刀系统多用于中小型加工中心。圆盘式刀库由于机械结构简单，换刀动作少，所以系统整体可靠性较高，机械故障较少，电气故障较多，主要集中在一些检测与控制元器件上。
③链式刀库，目前最为广泛采用的一种自动换刀装置，该换刀系统的优点是刀盘容量大，占用空间小，换刀速度快，平稳性好，但链式刀库必须采用机械臂配合完成换刀，因此该形式的自动换刀系统自动化程度高，机构运转复杂，换刀动作多、速度快、距离短，对各动作的位置精度要求高，再加上电路和机械方面保护功能，使得该系统的机械结构和电气控制变的十分复杂，所以该系统整体可靠性差，故障率较高。
2 自动换刀系统可靠性分析
根据近些年大量的数控维修统计，其中2200余例维修中与自动换刀系统相关故障416起，占整个机床故障率的18.9%。故障主要原因有电气故障、机械故障、液压故障与软件系统故障等，统计如表1所示。
从故障原因看电气故障原因所占比例最高，此类故障原因具体常见的有以下方面：
①检测刀具、气缸、机械臂、零点等位置传感器损坏；
②驱动器、控制器、控制板、电源、继电器及电磁阀等元器件损坏；
③机械臂、刀盘电机损坏；
④此外常见的还有干扰造成检测元器件或控制元器件的误动作。
常见的机械故障原因造成换刀系统故障有以下方面：
①主轴换刀点、刀盘旋转、机械臂移动位置不准确造成不能正常换刀；
②刀具夹紧装置故障（如拉刀杆损坏）造成换刀时掉刀摔刀现象；
③刀盘变形造成传感器检测不到或发生碰撞现象；
④此外常见的还有机械臂减速器损坏无法动作、刀柄磨损造成主轴吸刀，刀库门气缸密封故障都可能造成整个换刀系统故障。
液压故障原因主要是由于油路堵塞、执行机构漏油或者是液压系统故障（如压力不够）造成的自动换刀系统故障，主要常见的有，机械臂手指密封，主轴刀具夹紧液压缸密封等。
软件系统故障常见的有控制器电池没电造成刀库存储信息丢失；数控系统联网后，软件中毒，造成换刀系统紊乱等。
3 故障实例分析
某型采用盘式刀库的五轴加工中心，在换刀过程中，主轴与刀盘发生碰撞，刀盘严重变形，从事故现象看，刀柄已经进入主轴锥孔，但位置发生偏差，导致主轴与刀柄发生碰撞。引发位置偏差的原因有两种：
①刀盘没有旋转到换刀位；
②主轴在Y轴方向没有运动到换刀位。
经检测发现，刀库各检测传感器功能正常，并无器件损坏，修复刀盘后，执行换刀动作每步皆可正常完成，所以初步判该故障是随机出现。经仔细检查发现，刀库碰撞前机床都出现过“Y轴运动监控报警”，报警后可清除继续加工，经分析总结碰撞故障原因可能是由于Y轴运动监控报警，致使系统混乱，主轴换刀在Y方向的位置发生偏差，从而发生碰撞。运动监控报警的原因很多，有可能是光栅尺检测故障、电机编码器故障、信号干扰等，这种故障偶尔会出现。总之，在出现此类报警后，要求操作者必须关机重启机床，各个轴重新找基准，从而有效的避免了刀库碰撞这类故障的再次发生。
4 结束语
自动换刀装置故障诊断与排除相对比较容易，但故障率较高，为了提高该部件的可靠性，必须做好预防性维护和日常保养工作。
参考文献：
[1]韩金玲，裴帮富.机床电气故障分析与查找[J].机床与液压， 2009（06）.
[2]兰建设，刘志刚.数控机床自动换刀装置的故障分析与排除[J].装备制造技术，2007（08）.
[3]于捷，申桂香，贾亚洲.基于三参数威布尔分布的数控机床的可靠性评价[J].现代制造工程，2007（05）.endprint
摘要： 自动换刀系统作为数控加工中心的重要部件，在极大提高加工效率的同时，也对其自身可靠性提出更高的要求，文章主要根据自身维修经验与大量的维修记录，对自动换刀系统相关故障进行分析总结，为今后相关故障维修提供借鉴与参考。
Abstract： The automatic tool changer as an important part of CNC machining centers， greatly improving the processing efficiency， but also demanding higher for its own reliability. Based on experience and a lot of maintenance records， this paper analyzes and summarizes the related failures of automatic tool changer， and provides reference for future maintenance.
关键词： 自动换刀系统；数控机床；维修
Key words： automatic tool changer；CNC machine tools；maintenance
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）11-0032-02
1 自动换刀系统结构优缺点分析
自动换刀系统主要由刀库、机械手和驱动装置组成，按照机床刀库的结构形式主要分为转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。
①转塔式刀库，刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量少，常用车削中心，该形式的自动换刀系统，因其机械结构和控制方式简单，所以故障率较低。
②圆盘式刀库，刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列、径向排列或成锐角排列，此类刀库结构简单、紧凑，但是由于储刀容量受刀盘大小的限制（刀盘太大，刀库的转动惯量大，换刀时间也相对较长），所以该形式的换刀系统多用于中小型加工中心。圆盘式刀库由于机械结构简单，换刀动作少，所以系统整体可靠性较高，机械故障较少，电气故障较多，主要集中在一些检测与控制元器件上。
③链式刀库，目前最为广泛采用的一种自动换刀装置，该换刀系统的优点是刀盘容量大，占用空间小，换刀速度快，平稳性好，但链式刀库必须采用机械臂配合完成换刀，因此该形式的自动换刀系统自动化程度高，机构运转复杂，换刀动作多、速度快、距离短，对各动作的位置精度要求高，再加上电路和机械方面保护功能，使得该系统的机械结构和电气控制变的十分复杂，所以该系统整体可靠性差，故障率较高。
2 自动换刀系统可靠性分析
根据近些年大量的数控维修统计，其中2200余例维修中与自动换刀系统相关故障416起，占整个机床故障率的18.9%。故障主要原因有电气故障、机械故障、液压故障与软件系统故障等，统计如表1所示。
从故障原因看电气故障原因所占比例最高，此类故障原因具体常见的有以下方面：
①检测刀具、气缸、机械臂、零点等位置传感器损坏；
②驱动器、控制器、控制板、电源、继电器及电磁阀等元器件损坏；
③机械臂、刀盘电机损坏；
④此外常见的还有干扰造成检测元器件或控制元器件的误动作。
常见的机械故障原因造成换刀系统故障有以下方面：
①主轴换刀点、刀盘旋转、机械臂移动位置不准确造成不能正常换刀；
②刀具夹紧装置故障（如拉刀杆损坏）造成换刀时掉刀摔刀现象；
③刀盘变形造成传感器检测不到或发生碰撞现象；
④此外常见的还有机械臂减速器损坏无法动作、刀柄磨损造成主轴吸刀，刀库门气缸密封故障都可能造成整个换刀系统故障。
液压故障原因主要是由于油路堵塞、执行机构漏油或者是液压系统故障（如压力不够）造成的自动换刀系统故障，主要常见的有，机械臂手指密封，主轴刀具夹紧液压缸密封等。
软件系统故障常见的有控制器电池没电造成刀库存储信息丢失；数控系统联网后，软件中毒，造成换刀系统紊乱等。
3 故障实例分析
某型采用盘式刀库的五轴加工中心，在换刀过程中，主轴与刀盘发生碰撞，刀盘严重变形，从事故现象看，刀柄已经进入主轴锥孔，但位置发生偏差，导致主轴与刀柄发生碰撞。引发位置偏差的原因有两种：
①刀盘没有旋转到换刀位；
②主轴在Y轴方向没有运动到换刀位。
经检测发现，刀库各检测传感器功能正常，并无器件损坏，修复刀盘后，执行换刀动作每步皆可正常完成，所以初步判该故障是随机出现。经仔细检查发现，刀库碰撞前机床都出现过“Y轴运动监控报警”，报警后可清除继续加工，经分析总结碰撞故障原因可能是由于Y轴运动监控报警，致使系统混乱，主轴换刀在Y方向的位置发生偏差，从而发生碰撞。运动监控报警的原因很多，有可能是光栅尺检测故障、电机编码器故障、信号干扰等，这种故障偶尔会出现。总之，在出现此类报警后，要求操作者必须关机重启机床，各个轴重新找基准，从而有效的避免了刀库碰撞这类故障的再次发生。
4 结束语
自动换刀装置故障诊断与排除相对比较容易，但故障率较高，为了提高该部件的可靠性，必须做好预防性维护和日常保养工作。
参考文献：
[1]韩金玲，裴帮富.机床电气故障分析与查找[J].机床与液压， 2009（06）.
[2]兰建设，刘志刚.数控机床自动换刀装置的故障分析与排除[J].装备制造技术，2007（08）.
[3]于捷，申桂香，贾亚洲.基于三参数威布尔分布的数控机床的可靠性评价[J].现代制造工程，2007（05）.endprint
摘要： 自动换刀系统作为数控加工中心的重要部件，在极大提高加工效率的同时，也对其自身可靠性提出更高的要求，文章主要根据自身维修经验与大量的维修记录，对自动换刀系统相关故障进行分析总结，为今后相关故障维修提供借鉴与参考。
Abstract： The automatic tool changer as an important part of CNC machining centers， greatly improving the processing efficiency， but also demanding higher for its own reliability. Based on experience and a lot of maintenance records， this paper analyzes and summarizes the related failures of automatic tool changer， and provides reference for future maintenance.
关键词： 自动换刀系统；数控机床；维修
Key words： automatic tool changer；CNC machine tools；maintenance
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）11-0032-02
1 自动换刀系统结构优缺点分析
自动换刀系统主要由刀库、机械手和驱动装置组成，按照机床刀库的结构形式主要分为转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。
①转塔式刀库，刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量少，常用车削中心，该形式的自动换刀系统，因其机械结构和控制方式简单，所以故障率较低。
②圆盘式刀库，刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列、径向排列或成锐角排列，此类刀库结构简单、紧凑，但是由于储刀容量受刀盘大小的限制（刀盘太大，刀库的转动惯量大，换刀时间也相对较长），所以该形式的换刀系统多用于中小型加工中心。圆盘式刀库由于机械结构简单，换刀动作少，所以系统整体可靠性较高，机械故障较少，电气故障较多，主要集中在一些检测与控制元器件上。
③链式刀库，目前最为广泛采用的一种自动换刀装置，该换刀系统的优点是刀盘容量大，占用空间小，换刀速度快，平稳性好，但链式刀库必须采用机械臂配合完成换刀，因此该形式的自动换刀系统自动化程度高，机构运转复杂，换刀动作多、速度快、距离短，对各动作的位置精度要求高，再加上电路和机械方面保护功能，使得该系统的机械结构和电气控制变的十分复杂，所以该系统整体可靠性差，故障率较高。
2 自动换刀系统可靠性分析
根据近些年大量的数控维修统计，其中2200余例维修中与自动换刀系统相关故障416起，占整个机床故障率的18.9%。故障主要原因有电气故障、机械故障、液压故障与软件系统故障等，统计如表1所示。
从故障原因看电气故障原因所占比例最高，此类故障原因具体常见的有以下方面：
①检测刀具、气缸、机械臂、零点等位置传感器损坏；
②驱动器、控制器、控制板、电源、继电器及电磁阀等元器件损坏；
③机械臂、刀盘电机损坏；
④此外常见的还有干扰造成检测元器件或控制元器件的误动作。
常见的机械故障原因造成换刀系统故障有以下方面：
①主轴换刀点、刀盘旋转、机械臂移动位置不准确造成不能正常换刀；
②刀具夹紧装置故障（如拉刀杆损坏）造成换刀时掉刀摔刀现象；
③刀盘变形造成传感器检测不到或发生碰撞现象；
④此外常见的还有机械臂减速器损坏无法动作、刀柄磨损造成主轴吸刀，刀库门气缸密封故障都可能造成整个换刀系统故障。
液压故障原因主要是由于油路堵塞、执行机构漏油或者是液压系统故障（如压力不够）造成的自动换刀系统故障，主要常见的有，机械臂手指密封，主轴刀具夹紧液压缸密封等。
软件系统故障常见的有控制器电池没电造成刀库存储信息丢失；数控系统联网后，软件中毒，造成换刀系统紊乱等。
3 故障实例分析
某型采用盘式刀库的五轴加工中心，在换刀过程中，主轴与刀盘发生碰撞，刀盘严重变形，从事故现象看，刀柄已经进入主轴锥孔，但位置发生偏差，导致主轴与刀柄发生碰撞。引发位置偏差的原因有两种：
①刀盘没有旋转到换刀位；
②主轴在Y轴方向没有运动到换刀位。
经检测发现，刀库各检测传感器功能正常，并无器件损坏，修复刀盘后，执行换刀动作每步皆可正常完成，所以初步判该故障是随机出现。经仔细检查发现，刀库碰撞前机床都出现过“Y轴运动监控报警”，报警后可清除继续加工，经分析总结碰撞故障原因可能是由于Y轴运动监控报警，致使系统混乱，主轴换刀在Y方向的位置发生偏差，从而发生碰撞。运动监控报警的原因很多，有可能是光栅尺检测故障、电机编码器故障、信号干扰等，这种故障偶尔会出现。总之，在出现此类报警后，要求操作者必须关机重启机床，各个轴重新找基准，从而有效的避免了刀库碰撞这类故障的再次发生。
4 结束语
自动换刀装置故障诊断与排除相对比较容易，但故障率较高，为了提高该部件的可靠性，必须做好预防性维护和日常保养工作。
参考文献：
[1]韩金玲，裴帮富.机床电气故障分析与查找[J].机床与液压， 2009（06）.
[2]兰建设，刘志刚.数控机床自动换刀装置的故障分析与排除[J].装备制造技术，2007（08）.
[3]于捷，申桂香，贾亚洲.基于三参数威布尔分布的数控机床的可靠性评价[J].现代制造工程，2007（05）.endprint
