数控车床四方刀架的故障诊断与维修

唐 静

(常州信息职业技术学院机电工程学院 江苏常州 213164)

数控车床四方刀架的故障诊断与维修

唐 静

(常州信息职业技术学院机电工程学院 江苏常州 213164)

为了尽快诊断与维修数控车床四方刀架的故障，基于SINUMERIK 802C数控系统的CK0625数控车床为例，介绍了其四方刀架的结构和工作原理、相关的CNC参数和PLC程序，阐述了四方刀架常见故障的类型和诊断方法，列举了四方刀架常见的故障现象，分析了各个故障的可能原因，提出了各类故障的具体维修方法，为类似刀架的故障诊断与维修提供参考。

数控车床； 四方刀架； 故障

数控车床是目前国内使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床。使用方便、通用性强的四方刀架是数控车床中典型的自动换刀装置，其应用广泛，也较容易出现故障。一旦出现故障，数控车床将无法正常工作，直接影响企业正常的生产活动[1]。

1 四方刀架的结构和原理

数控车床常用的四方刀架包括机械本体、霍尔传感器和刀架电动机。四方刀架的故障率较高，大部分学者或技术人员都在机械结构或电气控制方面做诊断与维修[2，3]，其实在深入理解了四方刀架相关的CNC参数和PLC程序后，还可以从软件维修角度更安全、更灵活地解决一些故障。基于SINUMERIK 802C数控系统的CK0625数控车床，其四方刀架的霍尔传感器将检测到的刀架信号输入数控系统的X101接口，刀架电动机的正、反转信号由X200接口输出，具体地址分配如表1所示。

四方刀架的工作原理如图1所示，四个霍尔传感器检测到的刀架信号(I1.0～I1.3)经过软件滤波处理后给控制刀架动作的PLC程序；CNC对输入的T指令进行译码，在CNC参数和PLC程序的联合控制下，通过PLC程序输出软件滤波处理后的刀架电动机正、反转控制信号(Q0.4、Q0.5)来完成自动换刀动作。如果刀架系统出现故障，将不能完成正确的换刀动作，CNC屏幕有时会出现PLC程序激活的用户报警。

表1 四方刀架地址分配表

图1 四方刀架的工作原理

输入T指令后，四方刀架正确换刀的过程分为三步：① 刀架电动机正转，刀架抬起。当刀架电动机正转时，通过蜗杆和蜗轮机构将驱动传递给丝杠，刀架体的内孔加工有内螺纹，丝杠轴头固定装有刀架转位定位销盘，随着丝杠的转动，刀架体内弹簧定位销入位，刀架体向上移动，刀架抬起。② 刀架电动机继续正转，刀架换位。当刀架体抬起一定距离后，刀架体上的端面齿和刀架底座上的端面齿脱开，然后通过销钉和止推槽的作用，使得丝杠转动、刀架转动，从而实现换刀。③ 刀架电动机反转，刀架锁紧。在上述刀架换位的过程中，霍尔传感器会实时检测当前转到加工位的刀位号，并将检测到的刀位号和T指令的刀位号相比较。如果检测到的刀位号和T指令的刀位号一致，刀架电动机将变为反转，并驱动丝杠反转、刀架体向下移动，完成刀架锁紧及整个换刀过程。

2 相关CNC参数和PLC程序

基于SINUMERIK 802C的CK0625数控车床，其与四方刀架相关的CNC参数及其对应的PLC的V变量如表2所示。

四方刀架的PLC程序包括主程序段、刀架子程序和滤波子程序，主程序段如图2所示。表2中的CNC参数，有的直接作为刀架子程序调用参数(如14510[20])；有些经过数据处理后作为调用参数(如14510[21]、14510[22])；还有些用来完成软件滤波处理(如14512[1]～14512[6])。四个刀架信号输入给数控系统的I1.0～I1.3，I1.0～I1.3的逻辑值先与CNC参数145112[3].0～145112[3].3的逻辑值进行“异或”运算，运算结果再与CNC参数145112[1].0～145112[1].3的逻辑值进行“与”运算，最终结果存放在中间寄存器M101.0～M122.0中。上述逻辑运算通过滤波子程序来完成。同理，刀架电动机的转向信号，由中间寄存器M102.4和M102.5经过与相关CNC参数的“异或”运算、“与”运算后输出控制Q0.4和Q0.5。因此，主程序段中的M101.0～M101.3作为四方刀架信号传递给刀架控制子程序，没有直接用X101接口的I1.0～I1.3；刀架控制子程序的返回值先给M102.4和M102.5作为刀架电动机的转向信号，没有直接用X200接口中的Q0.4和Q0.5。此外，图2中的ERR1～ERR4是四方刀架的用户报警，其中ERR1～ERR3可以激活用户报警号700023～700025。

表2 CNC参数及对应的V变量

图2 四方刀架系统的主程序段

3 常见故障的诊断与维修

基于SINUMERIK 802C的数控四方刀架，其常见故障可以分为机械故障、CNC参数设置故障和电气故障三大类。机械故障一般为刀架卡死或锁不紧；CNC参数的正确设置说明如表2所示；电气故障占多数，常见的有刀架不能动作、刀架旋转不停等。常见故障的诊断与维修步骤如下：① 分析故障原因。不同的故障原因可能导致同一故障现象发生，维修人员可以根据用户报警信息或“问、听、触、闻、嗅”等诊断手段来分析故障原因[3]。② 判断故障类型。利用“先机后电、查看参数、信号监测”等方法，判断是机械故障、CNC参数设置故障，还是电气故障。③ 确定故障点并排故。若上一步判断是机械故障，则进行刀架的机械测试与维修；若是CNC参数设置故障，则根据实际的刀架技术参数来修改CNC参数；若是电气故障，则需要进一步确定是信号问题，还是电气线路或元器件故障。电气故障可以从硬件或软件两个角度去考虑维修。有时直接修改PLC程序的软件维修方案更安全、更快捷。若是两处或两处以上故障，可以用上述方法分别排除。四方刀架常见的故障诊断与维修案例如下：

故障现象1：输入T指令后不换刀，出现700025的用户报警。故障原因分析：700025的用户报警信息是“刀架无位置检测信号”，该故障可能是电气故障中的信号问题，也可能是CNC参数设置问题。故障诊断与维修：① 先检查CNC参数14512[1]和14512[3]低四位值的设置值，确保刀架信号能够有效输入，且连接类型正确。② 排除了CNC参数设置的问题后，可以通过SINUMERIK 802C数控系统的界面监测四个霍尔传感器的状态(根据表1的地址分配，监测IB1)，如果某个刀架信号不正确，即由X101接口对应的接线端子依次去检查对应的硬件接线电路，直至对应的霍尔传感器。最终，确定故障点并排故，这类故障只能硬件维修。

故障现象2：换刀时，刀架电动机一直正转，最终出现700024的用户报警。故障原因分析：在CNC参数14510[21]规定的监控时间内，未完成换刀操作。可能的故障原因有两类：一是CNC参数的设置故障，二是电气故障。故障诊断与维修：① 根据四方刀架的型号和技术参数，确保14510[21]设置的时间足够完成换刀，参与滤波处理的14512[1]和14512[3]的低四位逻辑值设置正确，这样可以排除CNC参数的设置故障。② 通过数控系统的界面监测四个霍尔传感器的信号状态，之后的解决方法同故障现象1。

故障现象3：换刀完成后，实际的刀位与T指令要求的刀位不一致。故障原因分析：四个霍尔传感器接入X101时，与表1中的输入信号地址没有一一对应。故障诊断与维修的方案有两种：① 硬件维修。调整硬件接线，确保刀架信号T1接到I1.0、刀架信号T2接到I1.1、刀架信号T3接到I1.2、刀架信号T4接到I1.3。② 软件维修。不改变硬件接线，上传CNC系统内的PLC程序，在图2所示的主程序段中，调整四个刀架信号的输入参数，确保M101.0～M101.3和实际硬件接线相互匹配，最终将PLC程序下载至数控系统即可。

故障现象4：执行换刀指令时，能听到接触器“啪”的吸合声音，但无任何换刀动作。故障原因分析：一是机械故障中的刀架机械卡死，可以手动旋转刀架、观察能否正常转动；二是电气故障，刀架电动机可能断相或转向接反。若刀架电动机断相，则刀架电动机不动作、不发热；若转向接反，换刀时就直接反转锁紧，也无任何换刀动作，但是电动机会被堵转、会发热。故障诊断与维修：① 先手动旋转刀架，观察能否正常转动。若刀架不能正常转动，则是机械卡死故障，可以使用内六角扳手转动蜗杆端部的内六角孔，手动进行转位和锁紧测试，若存在故障只需更换或修配相应的零部件即可。② 若手动旋转刀架时，刀架能正常转动，则可以判断为电气故障。用手触摸刀架电动机是否发热，或使用万用表测量电动机的电源电压，可以进一步确定是电动机断相还是转向接反的故障。若是刀架电动机断相，则检测各电源接线。若是转向接反，也有两种维修方案：一是硬件维修，对调刀架电动机的两根电源进线；二是软件维修，将图2所示的主程序段中的刀架电动机转向信号M102.4和M102.5交换，直接修改PLC程序也可以完成故障维修。

4 结束语

数控车床四方刀架的故障诊断与维修，建立在对刀架系统的机械结构和硬件电路熟悉，对相关CNC参数和PLC程序理解的基础上。首先，维修人员要熟悉四方刀架常见的故障现象及其可能产生的原因；其次，能根据故障现象尽快判断故障类型；再次，能多角度地考虑和选择故障的维修方案；最后，能思路清晰地快速完成维修工作，并积累经验，争取做到举一反三。

[1] 李和明. 数控四方刀架原理分析与快速故障诊断方法[J]. 机床与液压，2011(8)：193-196.

[2] 喻步贤.数控车床的电动刀架故障诊断与维修[J].机床与液压，2013(11)：160-162.

[3] 申桂香，李怀洋，张英芝. 数控车床刀架系统故障分析[J]. 机床与液压，2011(19)：126-129.

[责任编辑：李娟]

Fault Diagnosis and Maintenance of the CNC Lathe Quartet Tool Turret

TANG Jing

(School of Mechanical and Electrical Engineering， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

To diagnose and maintain the trouble of quartet tool turret of a CNC lathe as soon as possible， this paper introduces the structure and working principle， related CNC parameters and PLC program of the quartet tool turret. The article describes the common fault types and diagnosis methods， lists the common fault phenomena of quartet tool turret， and analyzes the possible causes of each fault phenomenon， puts forward the specific maintenance method of each fault to provide reference for fault diagnosis and maintenance of the similar tools.

CNC lathe; quarter tool turret; fault

TG 519.1

A

1672-2434(2017)05-0026-03

2017-06-14

唐 静(1981-)，女，讲师，从事研究方向：数控技术应用、机械故障诊断