经济型数控车床电动方刀架常见故障的诊断

段明忠+王小华

摘要： 文章通过介绍经济型数控车床电动方刀架的结构和工作原理，对常见数控系统的数控车床中电动方刀架常见故障进行详细的分析与诊断，并找到解决此类故障的有效方法和手段。

Abstract： This paper is introducing the structure and operational principle of economical CNC lathe square rotary tool. And the analysis and diagnosis of the common faults of CNC lathe square rotary tool is made in detail. Finally the solutions to the similar faults are found.

关键词： 数控车床；方刀架；霍尔元件；故障

Key words： CNC lathe；square rotary tool；hall element；faults

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0230-02

0 引言

随着经济的飞速发展，数控机床的应用越来越广泛，数量已占到机床总量的三分之一以上，已经成为了各企业不可或缺的一个关键设备，不仅有效保证了产品质量，还大大提高了生产效益。数控机床融合了多项技术，包括液压与气动技术、可编程控制技术、检测技术、控制技术、机械制造技术等，是典型的机电一体化的高科技产品。数控机床种类繁多，且融合了多项技术，使得其维修面临较大困难，甚至因为维修困难直接影响到了数控机床的有效使用。数控机床中较为常见的一类有数控车床，它机械传动结构较简单，故障的多发部位集中在刀架系统、CNC装置和伺服系统等。据统计数控车床刀架系统故障占整个数控车床故障的大约40%。由此可知，数控车床的故障处理必须在充分掌握数控车床刀架系统的维修规律和特点的基础上。

1 方刀架的结构和工作原理

数控车床使用的刀架是数控机床中最为常见的一种自动换刀装置，包括转塔刀架、六角刀架、四方刀架等，即在其上装有超过六把、六把或四把的刀具。数控车床对刀架具有一定要求，一方面为了能够承受足够的切削力，其刚度和强度必须良好，另一方面，回转刀架在每次转位的重复定位精度必须符合规范要求。刀架对于数控车床的重要性不言而喻，其结构形式多样，本文重点分析了四方刀架（以下简称方刀架）的结构和工作原理。

数控车床方刀架能够同时安装四把不同的刀具，由加工程序指定转位信号。LD4B型刀架内部结构如图1所示，其工作原理是蜗轮蜗杆传动，三齿盘啮合螺杆锁紧。具体工作程序是：当主机系统发出转位信号后，刀架电动机转动，从而带动蜗杆11转动，然后蜗杆11又带动蜗轮7转动，用键连接蜗轮7与螺杆9，夹紧轮14会由于螺杆9的转动而逐渐往上抬，进而使三齿圈都松开，此时离合销进入离合盘16的槽中，反靠盘10的槽子和反靠销26这时也实现了脱离，上刀体15开始转动，一旦其转动到相应的刀位时，发讯盘24上的霍尔元件会对应磁钢22，并发出到位信号。系统接收到该信号后，会做出一系列相应的动作，完成动作后，主机系统指令下一道工序。

在数控车床刀架安装和调试完成后，刀架的工作顺序应按照如图2所示的步骤完成工作要求，同时要相应的辅助机构来实现。

2 方刀架常见故障的分析与诊断

多种原因都可能会导致数控车床刀架故障，故障现象常见的有以下几种。通过这几种故障现象的分析和诊断，我们可以找到方刀架故障维修的一般规律。

故障现象一：刀架锁不紧。出现这种故障现象的原因可能是控制电路故障或刀架内部锁刀反靠定位销磨损，或者是机床参数中的刀架反锁时间设置的太短、发信盘位置不准等。

面对此类故障，措施方法主要包括以下几种：一若故障是由于系统反锁时间不够造成的，只需合理调整系统反锁时间即可；二若是锁紧机构故障，应将刀架拆开，调整机械，同时检查反靠定位销是否存在异常；三若是刀架强电控制部分中控制电机反锁的接触器故障，应检查接触器的线圈和各触点是否异常；四若是存在发讯盘位置没对正问题，应将刀架的顶盖拆开，旋动并调整发讯盘位置，确保刀位停留在指定位置。

本文以配置FANUC 0i-TB系统的数控车床为例进行说明。在完成换刀指令后，该车床虽然能够准确定位刀架，但是无法锁紧反转，且没有收到报警指示，严重影响了机床的正常运行。为此，首先怀疑可能是存在机械故障，针对这类故障，维修人员拆卸刀架上的刀体，检查反靠定位销，发现定位销存在一定磨损，但是并不影响机床的正常运行。之后怀疑可能是发讯盘与磁钢之间没有对好，拆下刀架的顶盖后，多次调整发讯盘的位置，发现都无济于事。然后开始怀疑是否是系统的反锁时间不够，并针对反锁时间不够采取了应对措施，但是问题并没有因此得到解决。最后检查刀架的控制电路，工作人员还绘制了机床的控制电路图，如图3所示，对各电器元件进行全面检查，发现控制电机反转的接触器KM6线圈烧坏，从而造成了刀架无法反转锁紧。故障处理：更换烧坏的电器元件后，排除了故障，机床恢复了正常运行。

故障现象二：不换刀。若出现这种故障，首先应分析故障原因，判断故障出现在机械部分还是电气部分，具体的操作是换刀时，用手触摸电机，感受是否存在振动，从而判断是否为电机故障，若由此排除了电力故障，那么就确定是机械问题，通常都是刀架内部机械卡死或损坏问题，处理方式是将损坏零件更换掉即可。

下面以配置SAG210/2NC系统的数控车床为例进行说明。该车床在执行换刀指令时上刀架抬起但不转动。与之配套的刀架为常州生产的LD4四工位电动方刀架。结合刀架的相关工作原理分析，导致上刀体无法转动的原因很可能是粗定位销在锥孔中卡死或断裂。针对这种故障，具体的处理措施是：将电动机架拆开，更换新的定位销，然后恢复刀架的正常运行，故障即可排除。此類故障属于比较容易被诊断和排除的故障，在此不进行过多着墨。

故障现象多种多样，除了上述几种，还可能存在执行换刀指令时系统发出电动机过载报警、夹紧后无回答信号、机床无法控制选刀动作等故障现象，这些故障现象主要是由于机械卡死、电源相序不对所致、电路中继电器接触不良造成的，可分别加以调整、修复，使故障排除。

故障现象三：刀架不动。

若出现这种故障，针对不同原因应采取不同的排除方法，具体如下：

①电源无电或控制箱开关位置不对，检查电动机是否存在异常；

②电动机相序反，检查电动机是否反转；

③夹紧力过大，应用6mm六角扳手插入蜗杆端部，顺时针旋转，若用力可转动，但下一次仍出现了相同问题，可将电动机夹紧电流稍调小（要按照说明书调整）；

④当用6mm六角扳手插入蜗杆端部顺时针转不动时，当属机械卡死，应对症下药：1）观察夹紧位置，检查反靠定位销是否在指定位置，若其不在指定位置，应采取必要的修正措施；2）检查主轴螺母是否锁死，若发现锁死问题，应重新进行调整；3）检查润滑油情况，若存在润滑不良问题，很容易造成旋转零件研死，此时应进行拆开处理。

3 结论

刀架对于数控车床的正常运行而言至关重要，它是数控车床的一个重要装置，其是否存在故障对于数控车床正常运行具有决定性影响，其一旦出现故障很容易造成设备事故，并可能造成人身伤害。分析以上几例故障的排查过程，发现机械部分与普通机床相类似，其故障相对较容易排除，而电气控制部分线路较为复杂，诊断和排除故障难度相对较大。因此，在具体的排除故障的过程中应综合考虑机械和电气两方面，尽快将故障排除。

参考文献：

[1]数控机床数控系统维修技术与实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]蔡厚道.数控机床构造[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[3]彭永忠.电动刀架的换刀原理及故障诊断[J].中国科技信息，2010（7）：121-123.

[4]朱仕学.数控机床系统故障诊断与维修[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]罗永顺，曾伟民，甄任贺.普通机床数控化改造设计中关键问题的研究[J].机床与液压，2005（06）.endprint