在數(shù)控機床的維修中,，與換刀相關的故障極為多見,。本文基于機械手換刀裝置的結構與動作控制，結合維修實例,，歸納常見故障現(xiàn)象,、原因及處理措施，在數(shù)控機床的維修與改造中具有較大的現(xiàn)實意義,，值得認真探索,、交流與推廣。
數(shù)控機床特別是數(shù)控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次裝夾,、多工序自動加工,，而實現(xiàn)這一功能的關鍵在于自動換刀裝置。由于自動換刀裝置工作頻度高,、控制機構復雜，包括刀庫,、刀具交換以及驅動等部分,，因此出現(xiàn)故障的幾率也大，在數(shù)控機床的維修中占有相當大的比例,。了解其結構特點與控制機理,，熟悉換刀的動作流程，總結歸納常見故障現(xiàn)象,、原因及解決措施,，借鑒相關維修實例，有助于快速,、準確地診斷并排除故障,，提高維修工作的質量與效率。
1.機械手換刀裝置的結構
圖1 多主軸換刀
圖2 雙主軸換刀
圖3 轉塔頭式換刀
圖4 斗笠式換刀
圖5 機械手換刀
數(shù)控機床自動換刀功能的實現(xiàn)有多種方式,，如多主軸換刀（見圖1）,、雙主軸換刀（見圖2）、轉塔頭式換刀（見圖3）,、斗笠式換刀（見圖4）及機械手換刀（見圖5）等,。按是否由機械手換刀可將其分為兩類：無機械手換刀（如斗笠式）大多依靠主軸與刀庫間的軸向相對運動實現(xiàn)拔刀與插刀，換刀時刀庫移至換刀位置,，主軸先將刀具還回刀庫換刀位的空刀座上,，然后刀庫旋轉使下一工序所需刀具進入換刀位置，主軸再從刀庫取走新的刀具,，還刀和取刀兩個動作只能分步進行,，加之主軸的軸向運動以及刀庫的移動和轉動，因此換刀時間長,，加工效率低,，刀庫的容量也較小,；目前數(shù)控機床更多采用的是機械手換刀,，利用機械手快速、準確地對調刀庫中換刀位與主軸上的刀具,，還刀,、取刀同時進行，換刀時間大大縮短，而且刀庫容量不受換刀機構限制,。
圖6 盤式刀庫
圖7 鏈式刀庫
1.刀具固定板架 2.刀座 3.換刀機械手
4.換刀位置刀座 5.取刀機械手縱向導軌
6.取刀機械手橫向導軌
刀庫按刀具的布局可分為盤式,、鏈式和格子式三種。盤式刀庫刀具呈圓周狀分布（見圖6）,，鏈式刀庫刀具布置在鏈條的各個環(huán)節(jié)上（見圖7）,，格子式刀庫刀具縱橫排列（見圖8）。盤式刀庫空間利用率低,、容量小,，一般用于小型加工中心。鏈式與格子式刀庫空間利用率高,、容量大,，用于中型與大型數(shù)控加工中心。刀庫的作用不僅是存放加工過程中所需要的刀具,，還負責把下一工序所要使用的刀具準確地送到換刀位置,。
圖9 凸輪式換刀機械手結構簡圖
刀具交換裝置的驅動方式有液壓、伺服和交流異步電動機驅動三種,。液壓驅動需要足夠的液壓動力,，且運動的速度和準確性受油質、油壓,、油溫及環(huán)境等因素影響,，一般用于不需要頻繁換刀的大中型機床。伺服電動機驅動的換刀裝置換刀速度快,、精度高,、穩(wěn)定性強，但成本較高,。交流異步電動機驅動的換刀裝置,，借助凸輪機構（見圖9），換刀速度快,、定位準,、穩(wěn)定性高、連貫性好且成本低,，廣泛用于頻繁換刀的中小型加工中心,。
2.機械手換刀動作流程與選刀方式
圖10 換刀動作流程圖
圓盤式刀庫與凸輪式換刀機械手的換刀動作流程如圖10所示。
換刀數(shù)據(jù)表
刀庫的選刀有順序選刀,、刀具編碼選刀,、刀座編碼選刀和隨機選刀四種方式。機械手換刀大多采用隨機換刀方式,，從主軸取下的刀具就近放入刀庫中剛取走刀具的換刀位刀座內,，取刀與還刀同步完成,。其原理是在存儲器中建立換刀數(shù)據(jù)表，表中存儲單元的地址與刀座編號及主軸相對應,，因此數(shù)據(jù)表的容量為刀庫中刀座數(shù)加1,，存儲單元中的數(shù)據(jù)與刀具編號一一對應，如附表所示,。換刀時數(shù)據(jù)更新是先將主軸所對應的存儲單元中的數(shù)據(jù)（換刀前刀具的編號）寫入刀庫換刀位刀座所對應的存儲單元中,，再將換刀指令中的刀具編號寫入主軸所對應的存儲單元，完成主軸與換刀位刀具編號的對換,。假設數(shù)據(jù)表存儲單元首地址為D300,，該地址所對應存儲單元中存放的數(shù)據(jù)即為主軸上刀具的編號，地址為D301～D（300+n）的存儲單元中的數(shù)據(jù),，即刀庫中從1#～n#刀座上刀具的編號,。
3.機械手換刀裝置的常見故障與排除方法
在數(shù)控機床維修的過程中,，經常出現(xiàn)與換刀相關的故障,，根據(jù)其結構特點及換刀動作過程，歸納刀庫及機械手兩大方面常見故障現(xiàn)象,、產生原因與采取措施如下,。
（1）刀庫故障,。
?、俪Ｒ姽收?：刀庫不能轉動?？赡茉颍弘妱訖C軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動,；變頻器故障，電動機不得電,；接近開關或磁簧開關故障,；PLC無輸出控制，或PLC有輸出但接口板中的繼電器失效,；氣壓低,。常用措施：檢查調整聯(lián)軸器；檢查變頻器的輸入,、輸出電壓是否正常,；通過PLC的IO監(jiān)控畫面檢查IO狀態(tài)，調整或更換接近開關或磁簧開關,，檢查或更換繼電器,；調整氣壓達到規(guī)定值。
?、?常見故障2：刀盤定位不準,?？赡茉颍弘妱訖C剎車器磨損。常用措施：調整電動機剎車器中調節(jié)螺釘,。
?、鄢Ｒ姽收?：換刀位刀座在倒刀時不正常?？赡茉颍簹鈮翰环弦?、止動螺絲松動、氣缸損壞,、倒刀電磁閥接觸不良或損壞,、刀具超重或超長。常用措施：調整氣壓到符合要求,、鎖緊止動螺絲,、更換氣缸、檢查電磁閥接點或更換元件,、更換刀具,。
④常見故障4：刀套上下不到位,?？赡茉颍喊惭b調整不當或撥叉位置不正確、限位開關安裝不正確或調整不當,，造成反饋信號錯誤,。常用措施：檢查、調整撥叉或限位開關位置,，或更換元件,。
⑤常見故障5：倒刀時刀具掉落,?？赡茉颍旱短變葟椈蓨A力不夠或不能正常復位、刀柄和拉釘?shù)木嚯x不正確,。常用措施：調整或更換元器件,。
⑥常見故障6：刀套破裂,?？赡茉颍旱短孜炊ㄎ磺坝械沟秳幼骰蛭椿匚磺暗侗P轉動、裝入刀具時撞壞,。常用措施：調整刀盤定位近接開關或倒刀氣缸磁簧開關位置,、更換刀套。
?、叱Ｒ姽收?：電動機燒壞,?？赡茉颍弘娫慈毕嗷螂妷翰徽_、剎車燒壞,、刀具超重,、組件不能運轉。常用措施：檢查接觸器接點是否損壞,、電源是否缺相及電壓等級是否匹配,；檢測剎車器線圈是否損壞、接地是否正確,；檢查刀具質量是否超過允許值,；檢查刀套滑動部位是否順暢。
?。?）機械手故障,。
①常見故障1：刀具夾不緊,，時常掉刀,。可能原因：卡爪彈簧的壓力太小,、彈簧后面的螺母松動,、機械手卡緊鎖不起作用,、刀具超重,。常用措施：擰緊彈簧后螺母、調整或更換卡緊鎖,、更換彈簧,、更換刀具。
?、诔Ｒ姽收?：刀具夾緊后松不開,。可能原因：卡爪彈簧壓合過緊,，卡爪縮不回,。常用措施：調松螺母或更換彈簧，使最大載荷不超過額定值,。
?、鄢Ｒ姽收?：刀具交換時掉刀?？赡茉颍簱Q刀時主軸箱沒回到換刀點或換刀點漂移,；機械手抓刀時沒有到位就開始打刀或拔刀、刀臂及刀具的夾刀點不正確,，打刀缸松拉刀位置不準確,，打刀缸壓力不夠,，松刀不正常、刀具太重,、刀臂變形,。常用措施： 應重設定換刀點；校正夾刀點,、調整打刀缸松刀行程,、調整壓力值、檢查刀具質量,、更換刀臂,。
④常見故障4：刀臂不回位,?？赡茉颍弘娐方佑|不良、無夾刀或松刀信號,、刀臂彎曲,。常用措施：執(zhí)行手動換刀，檢查是否電路故障,；用PLC監(jiān)看夾刀或松刀信號,，調整近接開關位置、調整或更換刀臂,。
4.維修實例
?。?）案例1。
故障現(xiàn)象：加工中心VMC1000C換刀時出現(xiàn)主軸掉刀故障,。
故障診斷與排除方法：
?、贆z查機械手手臂上兩個卡爪的彈簧及附件，沒有發(fā)現(xiàn)異常,，說明機械手夾持刀具沒有問題,。
②拆開主軸檢查碟簧能否對刀具夾持緊固,，發(fā)現(xiàn)碟簧完好,。
③打開PLC的I O監(jiān)控畫面,，反復按壓主軸刀具夾緊到位行程開關,，發(fā)現(xiàn)其“0”、“1”狀態(tài)與實際動作不一致,，說明該行程開關有問題, 更換后故障排除,。
（2）案例2,。故障現(xiàn)象：加工中心BX-110P機械手取送刀具時不能縮爪,。
故障診斷與排除方法： 打開PLC的IO監(jiān)控畫面,，發(fā)現(xiàn)相應的限位開關沒有壓合；調整其位置后,，機床恢復正常,。但一段時間之后，再次出現(xiàn)此故障,，檢查限位開關沒有松動,，但卻沒有壓合，進一步檢查發(fā)現(xiàn)液壓缸拉桿頂端鎖緊螺母的緊固螺釘松動,，致使液壓缸伸縮的行程發(fā)生了變化,；調整鎖緊螺母并擰緊緊固螺釘后，此故障排除,。
5.結語
機械手換刀裝置是數(shù)控機床最重要的功能部件之一,，掌握其結構特點、控制機理,，不斷總結歸納常見故障現(xiàn)象,、原因及解決措施，不但有助于提高維修數(shù)控機床的效率與質量,，對機床的維護與改造也有重要的參考意義,。