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数控加工中心换刀系统故障分析
Sep 6, 2021  来源:中国航发南方工业有限公司  作者:王 鑫,陈 侠

      摘要:以加工中心所特有的换刀系统为研究对象,以该系统的常见故障为切入点,分析不同故障所适用的解决策略,详细论述优化换刀过程,阐述故障分析流程。

     关键词:换刀系统;数控加工中心;故障诊断

     0 引言
  
     换刀系统将机械手作为换刀机构的工具,目的是为了提高刀具交换效率,虽然该项技术在数控加工中心应用中取得了突出的成绩,但也存在着亟待解决的问题,例如:换刀系统故障率较高,换刀精度和速度尚有提升空间。对换刀系统进行深入研究,具有突出的现实意义,应当引起重视。
  
     1、换刀系统相关概念
  
     1.1 加工中心
  
     数控加工中心代表着机械行业发展的主流方向。20 世纪70 年代,该项技术的引进为各行各业的发展提供了支持。国内现有加工中心,无论从数量还是质量上来说,均无法满足行业需求。要想使加工效率得到保证,关键是优化加工中心的换刀系统,换刀系统成为研究的重点。
  
      1.2 换刀系统
  
      换刀系统具备交换、存储刀具的功能。其中,负责对刀具进行交换的主体为换刀机构,具体流程如下:数控系统发出换刀指令后,换刀机构对主轴在用刀具进行抓回,再将目标刀具交换至主轴,为零件加工工序提供保证。此项工作对主轴、刀具位置均提出具体的要求,降低换刀系统出现故障的概率,成为机床制造行业需要解决的瓶颈问题。加工中心加工的零件工序较多,要想提高工件加工的可靠性,关键是根据不同工序所提出需求,进行刀具交换,因此换刀系统对加工中心的意义重大。从零件加工角度来说,换刀系统是否稳定,直接影响换刀的效率。

     现阶段,较为常见的换刀方式为机械换刀,具体来说,就是用机械手对人换刀的动作进行模拟,其优势主要体现为灵活、具有可操作性,这也是该项技术得到推广的原因[1]。但是,受刀库和主轴距离的影响,仅使用机械换刀,无法保证换刀效率,要想使该问题得到有效解决,需要利用 PLC 程序指令控制刀库动
作,实现自动刀具交换。
  
     2 、故障解决策略
  
     2.1 故障诊断思路
  
     换刀系统包括刀库,即对工件进行加工时,不同刀具的具体位置受功能、容量影响,刀库所呈现出形式有鼓式、盘式等。在对工件进行加工时,若需要对刀具进行交换,加工中心可选择以系统参数为依据,自动准备刀具到机械手并随时等待更换刀具。刀库卡刀是机床警报产生的主要原因之一。若机床系统无报警但ATC(Automatic Tools Change,自动换刀装置)不移动,维护人员应按照以下思路,对故障进行诊断:手动使电磁阀动作,使机械手在油压的作用下处于松开状态,保证 ATC 能够自由移动;若ATC 装置无法做到自由移动,则应先对 ATC 液压回路进行检查;在 MDI 方式下输入换刀指令执行换刀动作,若出现 ATC 动作卡滞的现象,维修人员应对电机进行检查;若 ATC 装置无法满足动作的要求,表明电机存在故障。维护人员应手动转动电机轴,观察传动部件运转是否流畅,因为传动部件往往存在较为明显的齿轮减速情况,如果是传动部件故障,手动转动可以找到故障点;若存在伺服故障且 ATC 不移动的情况,维护人员应根据伺服单元 LED 指示状态判断故障,若 LED 灯被点亮,则应对保险丝、I/O 板进行检查;若 LED 灯未被点亮,维修人员应对输入电源电缆和电机伺服驱动模块进行检查,再判断电气器件是否有故障存在。
  
     2.2 ATC 液压油缸机械故障
  
     自动换刀的常见故障,有超时报警和机械手反应不及时等故障。换刀超时报警信息为“动作并未在规定时间完成”,需要对PMC 到位信号开关进行检查,如 X1.3(机械手滑板左移到位)及X1.4(机械手滑板右移到位)相应动作到位信号变化为 1;对机械手进行手动操作,机械手均能给予相应反应,表明转动机构无异常现象;维护人员对其进行深入的排查,发现刀套到位(X1.0所对应信号变化为 1)动作正常,但动作缓慢;判断机械手满足正常转动的要求。要想使机械手完成抓刀动作,其前提是保证刀套位置正确,维护人员决定对刀套动作进行仔细排查,发现位于刀库侧的预选刀套,向主轴侧进行移动的时间,明显比其他类似机床时间长。控制刀库移动的机构为液压油缸,需对其进行分解进一步排查故障。将油缸拆下分解并检查发现缸壁和活塞间存在较大配合间隙,导致出现漏油故障,主要表现为活塞杆无法达到预定的运动速度,换刀动作完成过程缓慢,由此引发换刀超时故障报警。解决故障的方法是对液压缸整套部件进行更换[2],试机调试机床正常投入使用。

     2.3 机械手传动机构故障
  
     加工中心执行自动换刀指令过程中,机械手未及时做出反应,导致换刀过程终止,报警信息是“机械手未回零点”,维护人员手动将其复位。第二次换刀警报信息是“循环超时”,查阅电气诊断手册可知,致使上述报警产生的主要原因是“机械手未回零点”。检查机械手本身未在零位,零点位置信号开关检测为 0,说
明零位信号检测正确。导致故障出现的原因可能是刀库机械传动部位故障。机械手由电机驱动,中间机构为多级齿轮或皮带传动。系统收到“换刀”指令后,ATC 的电机为机械手提供动力,完成换刀过程。维护人员将刀库门打开,拆卸防护盖板,排查机械手传动机构,发现故障的原因一个是小齿轮脱落,另一个是电机轴断裂。即系统接到换刀指令,机轴断裂的电机,无法将动力进行传递,缺少动力的机械手自然会发出警报。更换电机后,维护人员发现机械手传动机构齿轮啮合不顺畅,这一现象增加了电机阻力,随着换刀动作过程的次数越来越频繁,出现机轴断裂的情况,在对齿轮间隙进行调整后,传动机构的故障得到了彻底解决。

      2.4 故障分析流程
  
     换刀系统由机械手、刀库构成,经由 PLC 与 CNC 对信息进行传递,以此来达到对刀具传送、机械手位移进行精准控制的目的。分析故障及解决策略可知,要想缩短故障解决时间,归纳出故障分析流程、制作标准作业指导书如下:
  
     第一步,按下故障恢复按键,警报仍存在,则需要按下复位按键,将警报消除;第二步,判断主轴、换刀位刀套、机械手 AB爪是否有刀具存在,若有刀具存在,对刀臂给刀具移动所带来阻碍进行判断,如果有阻碍存在,则表明刀库卡刀的时间应是交换过程中,只需对刀具进行移除;若无刀具存在,只需将机械手手动返回换刀等待位,或执行单步指令让机械手自动返回等待位;第三步,MDI 方式下进行自动还刀操作,使机械手返回换刀等待位,刀具还回刀库;另外,还可按下松刀按钮,先将刀具移除,再对其位置进行手动恢复;第四步,若刀库乱刀,维护人员应对刀库进行回零、重新装刀,并对每把刀具、刀套位进行检查确认;若从刀库移除全部刀具的过程中,执行卸刀操作,需要将刀具换到装刀位逐个移除[3]。使换刀故障从根本上得以排除。

     3 、优化换刀过程
  
     加工中心由数控系统、机械设施及换刀装置组成,可以实现对工件进行高效加工。参数、类别不同的机床,通常对应不同的加工中心,设计人员可选择根据用户所提出的需求,修改机床功能与部件,但是,类别相同的机床,所存在差别相对细微。例如以表现出的形态为依据,可将加工中心分为多个不同种类,如卧式加工中心、立式加工中心。构成加工中心的元素,除了自动换刀系统,还有主轴系统、基础附件、冷却系统和数控系统等。由电机、传动机构构成的主轴系统,对加工效率与零件质量起决定性作用。基础部件由立柱和床身构成,其价值主要体现在对工作负荷的承载,这也决定其对刚度具有较高要求。另外,数控系统包括 PLC、CNC、伺服系统和电机,从控制角度来说,数控系统是机床的运动控制核心,完成机床各轴位置精度控制的工作,控制零件加工轨迹,同样应当引起重视。机床其他辅助系统的功能,主要是冷却、排屑、润滑和检测,目的是为工件加工质量提供保证,使加工中心具备良好的可靠性与稳定性[4]。
  
    现阶段,加工中心的使用寿命已延长至 15 年,但是,不间断、高强度的使用,加剧了机械部件磨损的程度,无论是加工精度,还是后续的装夹精度,均会受到不同程度的影响,若换刀系统出现精度降低的情况,极易导致刀具装卸位置出现偏差,由此而引发的问题,主要体现在以下 3 个方面:①刀具随加工时间增长有一定磨损,零件加工精度随之下降,则刀具需要定期进行更换;②主轴锥孔磨损,零件的加工精度无法得到保证,且修复主轴精度难度较大,对维修技能水平要求高;③刀具种类、数量与刀具传送效果成正比关系,这也是导致传送位置出现偏差的主要原因。

    以 PID 为代表的控制策略,其优势可归纳为可靠、便于计算,上述优势的存在,使得其在多个行业得到广泛应用,事实证明,PID 控制策略能够使位移偏差获得补偿,电机转动精度自然得到提高。该策略的不足,则体现在不具备在线控制换刀系统功能,如果系统参数出现变更,PID 参数往往无法实时做出反应,控制效果相应会受到影响。要想使换刀过程得到优化,降低出现故障的概率,关键是对模糊控制法加以使用,以参数可自动调节PID 为基础,使位移偏差量得到补偿,达到自动校正参数的目
的,增加换刀系统的稳定性。
  
    4、 结束语
 
    换刀系统是加工中心不可或缺的构成部分,其运行效率直接影响到加工的精度与效率。研究表明,无法完成自动换刀的过程的原因往往与电气、机械、液压和气压综合相关,只有对换刀原理及过程进行深入了解,才能做到及时发现并解决潜在故障,为提升各机械行业的加工效率提供支持。

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