加工中心斗笠式刀库控制原理与故障诊断

2019-12-23仲兴国

设备管理与维修 2019年16期

仲兴国

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159）

0 引言

加工中心由于具有自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库，改变传统以人为主的生产方式。由程序的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本。学校实训中心使用的加工中心分别配备有斗笠式、盘式和链式刀库。由于刀库及换刀机构结构较复杂，且在工作中又频繁运动，所以故障率较高。以斗笠式刀库为例，从分析掌握其工作原理入手，对于使用中出现的一些故障，给出查找思路和解决办法。

1 斗笠式刀库控制

1.1 斗笠式刀库电气控制

斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴平行移动，首先，取下主轴上原有刀具，当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具；其次主轴安装新刀具，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。

PLC 在整个换刀过程中主要控制刀库的正/反转、刀库的前进/后退、松刀/紧刀阀的动作以及换刀动作顺序。主轴的上升、下降和定位都是由NC 程序控制的，所以在整个换刀过程中PLC 与NC 程序的配合是重点也是难点。

斗笠式刀库相关的输入信号有手动松刀开关、刀具夹紧检测开关等，对应的PMC 输入地址分配如图1 所示。斗笠式刀库相关的输出信号有主轴吹气电磁阀、刀盘正反转信号等，对应的PMC 输出地址分配如图2 所示。

1.2 刀库控制原理

使用宏程序完成换刀的主体动作和时序思路，PMC 的作用主要是指令机床外围设备，实现宏程序的各种辅助功能代码动作。

图1 PMC 输入地址分配

图2 PMC 输出地址分配

（1）若主轴刀号不为0，则主轴回参考点，同时刀库旋转信号Y3.0 或Y3.1 状态为“1”，控制刀库刀盘转动至主轴当前刀号对应的工位。

（2）气动阀Y3.6 状态为“1”，活塞带动刀库向右移动，同时主轴向下移动到刀具交换位置；

（3）气动阀Y2.3 状态为“1”，发出主轴松刀输出，主轴松刀到位，将当前主轴上的刀具还回到刀库中。

（4）系统发出主轴抬刀信号，回到参考点。（5）若T 代码不为0，则刀库刀盘转动至目标刀号对应的工位。（6）移动气缸活塞带动刀库向右移动到位，主轴向下移动抓刀。（7）系统发出主轴紧刀输出，气动阀Y2.3 状态为“0”主轴紧刀到位。

（8）气动阀Y3.5 状态为“1”，活塞带动刀库向左移动，刀库换刀控制完毕。

2 斗笠式刀库常见故障原因及案例分析

2.1 斗笠式刀库常见故障及原因

（1）刀库移至主轴中心位置，但不执行后面的动作。故障原因可能有：主轴定位没完成；主轴没有返回第一参考点；PMC 没有收到刀库主轴侧到位行程开关发送的信号；PMC 没有收到主轴紧刀或松刀信号。

（2）刀库从主轴取完刀，不旋转到目标刀位。故障原因可能有：电机启动电路故障；刀库电机故障；刀库电机与刀库连接脱离，电机旋转，刀库不旋转。

（3）主轴抓刀后，刀库不移回初始位置。故障原因可能有：PMC 没有收到主轴紧刀完成信号；刀库控制电磁气压阀电路或本身故障。

（4）主轴掉刀或机床抓不住刀。故障原因可能有：气泵压力过低；主轴气路不通畅或有漏气现象；抓刀爪子不能打开或有磨损等。

此外还可能产生松刀故障、刀库换刀不到位等故障。

2.2 典型故障案例分析

（1）换刀中断故障：1 台采用斗笠式刀库的加工中心，在换刀过程中，刀盘右移至主轴侧，主轴没有松刀，换刀中断。

分析与处理：主轴没有松刀原因可能是相关条件不满足，比如右限位行程开关没有发出信号；松刀电磁阀没有吸合。根据操作者描述当时能听到主轴松刀气缸通气的声音，由此判断故障原因是松刀开关没有发出信号的可能性比较大，进入PMC 诊断画面，查看图1 中松刀行程开关的输入地址X0.3 的状态为“0”，拆开防护罩，发现气缸松刀时没有压到行程开关，重新调整行程开关位置后，故障消除。

（2）刀库不能返回故障：1 台采用斗笠式刀库的加工中心，在换完刀后出现刀库不能返回故障，出现L/R ERROR 报警。

分析与处理：该报警是刀库左侧或右侧没有到位报警，由于刀库能够完成换刀动作，说明有刀库右侧到位信号，那么该报警就是刀库左侧没有到位报警。查看梯形图可知，主轴紧刀完成，执行退刀指令，退刀信号已发出，但是刀盘没有动作，刀盘左右移动是由电磁换向阀控制气缸来完成的，出现该故障，原因可能是外围电路故障或电磁换向阀故障，经检查，发现电信号正常。那么故障可能是电磁换向阀故障，将电磁换向阀拆开，发现换向阀中的阀芯有锈迹，左右运动不灵活，有卡死现象，可能由于该斗笠式刀库长时间没有用，气管中的水汽导致阀芯生锈。经过处理，将换向阀重新装上，开机检测，故障排除。

（3）拔插刀滞涩响动故障：1 台配套FANUC 0i MC 系统加工中心，斗笠式刀库在换刀过程中，刀爪移至抓刀位置时，刀库刀爪与主轴传动键有错动，拔插刀时，有明显声响，似卡滞。

换刀时刀库刀爪与主轴传动键有错动，说明刀库零点可能偏移，或是由于刀库传动存在间隙，或者刀库上刀具质量不平衡而向一边偏斜。将刀库刀具全部卸下，将主轴手摇至Z 轴第二参考点附近，用塞尺测量刀库刀爪与主轴传动键之间的间隙，证实有偏移；用手动推拉刀库，也不能利用间隙使其回正；调整参数4077 直至刀库刀爪与主轴传动键之间间隙基本相等。开机后执行换刀正常。