数控机床刀架故障诊断方法探讨

朱东霞，蔡启培

（山西职业技术学院，山西 太原 030006）

数控机床刀架故障诊断方法探讨

朱东霞，蔡启培

（山西职业技术学院，山西 太原 030006）

研究数控机床在使用过程中电动刀架经常出现的机械和电气故障，对数控机床刀架的结构与工作原理进行阐述，分析了刀架常见故障现象及原因，并提出相应的解决方案。

数控机床；刀架；发信盘

引言

随着数控技术的日益发展，数控机床在机械加工行业的使用更加广泛，然而数控机床的大量使用及数控机床维护工作和设备管理不到位，机床故障的维修工作就成了数控机床使用者最为关注的问题。根据数控机床的构成、工作原理和特点划分，数控机床常见的故障现象包括：数控系统故障、进给伺服系统故障、机械故障等。在所有故障现象中，刀架故障占有相当大的比例，且具有典范性，在故障的排除过程中，不仅涉及到机械故障，而且要结合电气和系统参数等方面的知识，本文重在分析刀架的常见故障及常见刀架故障的排除方法。

1　刀架工作原理

数控机床电动刀架常见的有四工位或六工位刀架，主要包括电动机、机械换刀结构，其中机械换刀结构由刀体、活动销、蜗轮蜗杆机构、霍尔元件、发信盘、磁钢、发信盘等组成［1］。电动刀架的机械结构图1所示：

图1　数控机床刀架示意图和结构图

刀架换刀的控制分为：松开、换刀、定位、锁紧四个步骤。当程序运行到换刀指令或者按下换刀键时（如正转），控制系统发出换刀信号，由此控制特定的刀架正转继电器闭合，同时刀架正转接触器动作，三相异步电机正向旋转。当电动机旋转时，蜗杆副带动螺杆转动，上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开，松刀动作完成。当螺杆带动上刀架上升至一定高度时，离合销进入离合盘的槽中，进而实现上刀架体的转位。当上刀体转到系统所设定的刀位时，刀架对应刀位上的霍尔元件（用永磁铁做的感应器）发出刀位信号，电动机反转，进而刀架完成粗定位。在刀架锁紧过程中，刀架不能动作，丝杠带着压板向下运动将刀架锁紧，刀架反转时间到，延时继电器断开，切断电源，电动机停止转动。向微机发出回答信号，换刀完毕。在锁紧的过程中，电动机的反转时间是系统参数设定的，不能过长也不能太短，太短刀架不能锁紧，太长电动机容易烧坏。刀架的控制电路中使用中间继电器加接触器的控制方式。中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量，在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器不同之处在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，中间继电器只能用于控制电路。而接触器兼可高频率操作，作为电源的开启与切断控制，最高操作频率可达每小时1 200次。接触器的使用寿命很高，机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为数十万次至数百万次［2］。

2　电动刀架发信盘的工作原理

电动刀架发信盘上1.2.3.4号刀号上正常电压是24 V。电动刀架发信盘固定在刀架内部中心固定轴上，根据刀架工位数设有四个或六个霍尔元件，四工位发信盘装有六个接线端子，其中两个端子为直流电源端，其余四个端子按照顺序接四个刀位所对应的霍尔元件的控制端， 霍尔元件与固定在刀架上的磁钢共同作用来检测刀具的位置，根据霍尔传感器的输出信号来识别和感知刀具的位置状态。当程序发出指令T020 2，更换2号刀具时，刀架电动机驱动刀架旋转，当刀架上的磁钢到达发信盘的2号位置时，霍尔元件发出开关信号传送给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置并锁住刀架。

3　刀架常见故障分析

1）面板按键损坏失效，按下按键后无换刀信号导致没有换刀动作；2）控制回路线路虚接或导线失效，造成继电器不得电，没有换刀动作；3）控制回路中继电器或接触器损坏，无法正常工作或连接线路不正确，造成接触器不得电，没有换刀动作；4）刀架电动机驱动电源顺序接反或刀架电机正反转信号接反，造成刀架换刀方向反向，没有换刀动作；5）刀架电机驱动电源缺相，造成刀架电机无法正常工作，没有换刀动作；6）刀架机械部件损坏，造成传动系统卡死导致没有换刀动作［3］。

由于数控机床结构复杂、装配精密，维修人员在故障检测中应尽量避免随意地启封、拆卸，先在机床断电的静止状态情况下，通过了解、观察测试、由外向内逐一进行排查，而对破坏性故障，必须先排除安全隐患后，方可通电。一般来说，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断则难度较大些。在故障检修之前，首先注意排除机械性的故障，往往可达到事半功倍的效果。数控机床刀架的故障检测步骤包括以下方面：

1）首先排除程序错误。可以采用排除法，选择程序键，在MDI方式下，输入一段换刀程序T01 01的刀具指令，按循环启动。依次输入T0202、T0303、T0404。2）检查与某一刀位对应的通信线路，对于通信线路的检查可以采用换接线方法，将故障刀位的接线连到正常刀位的接线柱上进行测试，以此判断是线路问题还是发信盘的问题。发信盘的内部结构并不复杂，对于简单故障可以根据情况自行维修，但是找出发信盘中的故障点和如何更换元件也是一项关键问题。3）观察刀架上的磁钢位置是否正确，刀架上每一个刀位都配备一个霍尔元件，固定在刀架上的磁钢与霍尔元件共同作用来检测刀具换刀是否到位，再将刀架位置状态发送到PLC数字输入，确定刀架到位。4）检查发信盘是否存在短路故障或断路故障，使用指针式万用表的电阻档。首先，将发信盘接入小于2 4 V的直流稳压电流源，红表笔接发信盘的负极（标志位“-”），黑表笔接发信盘上四个霍尔器件输出接线柱上的任意一个点，将磁铁贴近该霍尔传感器外侧，观察指针偏转情况，若指针不偏转则可判断该霍尔器件断路损坏，若四个位置都不偏转可能是短路故障或者是电路中电阻、稳压二极管出现故障。发信盘短路故障需要检查电阻和稳压二极管是否损坏，对于断路故障只要更换霍尔器件就可以了。5）电路故障。电动机采用三相异步电动机驱动，采用的电气控制方法为中间继电器加接触器的控制方式，进而实现刀架的正转和反转。由于电气原因引起的故障较为复杂，需根据电路图逐一进行排查，如检查继电器的工作状态、检查接触器的工作状态、检查空气开关的输出电压、检查接触器输入端的电压、检查刀架电机输入端的电压等。6）数控车床换刀时间过长报警处理，首先排除机床刀架机械问题和系统稳定性的问题，如果系统重新起动后，故障依然出现，就应该检查参数里换刀时间选项。如：从刀架开始正转计时，经过某一时间后指定的刀架到达信号是否接收到，如未接收到则产生报警。因此可适当延长Ta的值，但延长后仍然会产生报警，则需检查换刀过程中刀架到位信号问题［4］。

4　结语

数控机床刀架故障很多，不仅包括电气故障，机械故障也是刀架故障的重要一部分，如机械卡死、刀架轴被撞弯曲、异物卡死等现象。我们应该综合各方面原因和情况，从机械和电气两个方面逐一排除、灵活分析。在日常生产中，要进行设备的正确维护，并在出现故障时迅速诊断，确定故障部位，排除故障，保证生产的正常使用。

［1］周宏甫.数控技术［M］.广州：华南理工大学出版社，2005.

［2］马西秦.自动检测技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］黄卫.数控机床与故障诊断技术［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［4］葛金印，许忠美.数控设备管理和维护技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2008.

（编辑：王红霖）Discussion on Fault Diagnosis Method of NC Machine Tool Rest

Zhu Dongxia，Cai Qipei
（Shanxi Polytechic College，Taiyuan Shanxi 030006）

This paper analyzes the numerical control machine tool in the use process of electric turret often mechanical and electrical failure， carries on the elaboration to the structure and working principle of CNC machine tool， analyzes the turret common fault phenomenon and reason， and puts forward the corresponding solutions.

CNC machine tool； transmitting disk

TG519.1

A

2095-0748（2016）15-0054-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.23

2016-06-29

朱东霞（1983—），女，内蒙古乌兰察布人，硕士，毕业于中北大学，助理讲师，研究方向：教学工作。