情境一数控设备的安装与调试.doc

情境五 自动换刀装置的故障诊断与维修
一． 任务导入
任务9 数控车床刀架定位不准的故障诊断与维修
任务10 加工中心换刀臂平移夹住刀柄，无拔刀动作的故障诊断与维修

学习目标

1．了解数控车电动回转刀架的结构组成
2．掌握回转刀架的工作原理与换刀动作过程
3．掌握回转刀架常见故障的诊断与排除
4．掌握回转刀架维护内容
5. 掌握刀库与机械手换刀装置维护要点
6. 掌握刀库与机械手换刀装置常见故障及其维修方法
7. 掌握PMC顺序动作控制的诊断故障方法
8. 了解PMC故障特点
9．在故障诊断、检测及更换器件中能严格执行相关技术标准规范和安全操作规程，吃苦耐劳，有纪律观念和团队意识，并具备环境保护和文明生产的基本素质。
10．能撰写维修工作报告，总结、反思、改进工作过程。
应知应会
应知

1． 数控车床刀架的分类
2． 数控车回转刀架的机械结构与工作原理
3． 数控车电气PMC选刀控制过程
4． 数控容易发生故障点及预防措施
5. 刀库与机械手换刀装置的结构与组成
6. 加工中心主轴刀具夹紧与松开原理
7. 加工中心换刀动作过程
8. 加工中心选刀的PLC控制过程

应会

1．能看懂电动刀架机械结构图
2．会沟画独立单元系统框图
3．能看懂刀具松开液压工作原理图
4．能看懂换刀电气控制原理图
5．会运用信号追踪法、原理分析法、PLC法查找故障

二．学习内容

２．1回转刀架的机械结构

数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。下面我们结合一台四工位的四方刀架了解一下其换刀过程及原理。并结合换刀原理分析一下四方刀架的常见故障现象及原因。常见机床四方刀架如图5-1（左）。

图5-1  WZD4型刀架结构
1-电动机  2-联轴器  3-蜗杠轴  4-蜗轮丝杠  5-刀架底座  6-粗定位盘  7-刀架体  8-球头销  9-转位套  10-电刷座  11-发信体  12-螺母  13、14-电刷  15、粗定位盘  16、中心螺母
2．２电动回转刀架工作过程
电动刀架一般有四工位或六工位，由电动机、机械换刀机构、发讯盘等组成，如图5-1所示。当系统发出换刀信号，刀架电机正转，通过联轴器2带动蜗杆3旋转，蜗轮丝杠随之旋转，由于刀架体7与刀架底座5端齿啮合，刀架体7在蜗轮丝杠旋转带动下，开始上升，当端齿刚脱开时，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发讯盘发出刀位到位信号，刀架电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。

图5-2刀架控制的电气设计
２．３电动刀架选刀与换刀电气控制过程
数控机床刀架或刀库是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单。一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。下面我们分析PLC控制下的换刀过程。在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。刀架电气控制部分如图5-2所示。图5-2中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。
图中各器件的作用如下：
序号
名称
含义
1
M2
刀架电动机
2
QF3
刀架电动机带过载保护的电源空开
3
KM5、KM6
刀架电动机正、反转控制交流接触器
4
KA1
由急停控制的中间继电器
5
KA6、KA7
刀架电动机正、反转控制中间继电器
6
S1～S4
刀位检测霍尔开关
7
SB11
手动刀位选择按钮
8
SB12
手动换刀启动按钮
9
RC3
三相灭弧器
10
RC9、RC10
单相灭弧器
图5-3 发讯盘
自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：
PLC输入信号： X2.7： 刀架电动机过热报警输入；
X3.0～X3.3： 1～4号刀到位信号输入；
X30.6： 手动刀位选择按钮信号输入；
X30.7： 手动换刀启动按钮信号输入；
PLC： 输出信号：
Y0.6： 刀架正转继电器控制输出；
Y0.7： 刀架反转继电器控制输出
数控电动刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。我们以手动状态为例，介绍一下换刀过程及常见故障。
1．首先我们将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择，有的系统是利用波段开关的形式进行实现，有的系统是利用记数的形式来实现，比如说通过检测刀位选择信号（X30.6）的状态，如果按下刀位选择按键，X30.6的状态应该会改变一次，计数器的数值会发生改变，系统选择的目的刀具也会发生相应的改变。
2．选择目的刀具完成以后，下面就是将机床刀架的当前刀位转换到目的刀位。我们按下刀位转换按键X30.7以后。这时系统PLC输出一个刀架正转信号Y0.6，KA6吸合；KM5吸合，这时刀架电机开始正向旋转，刀架开始正转。
3．刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信
号进行检测，如图5-3所示，每把刀具各有一
个霍尔位置检测开关。各刀具按顺序依次经过
发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀
位信号和目标刀位寄存器中的刀位相一致的时候
，PLC认为所选刀具已经到位。
4．刀具到位以后，刀架仍继续正向旋转一段时间，然后停止正向旋转（Y0.6停止输出），延时一段时间以后，刀架反转控制信号Y0.7有效，此时刀架开始反转，反转过程其实就是刀架锁紧的过程，此过程延续一段时间，直到刀架锁紧到位，但反转时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后，整个换刀过程结束。
５．安全互锁
（１）刀架电动机长时间旋转，而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电动机，以防止将其损坏并报警提示；
（２）刀架电动机过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工；
在对刀架的换刀原理有所了解后，那么对于电动刀架在工作过程中常见的一些故障我们应该很容易分析出他的原因。
２．４刀架常见的故障现象：
1．接受换刀指令后刀架不转位
这是比较常见的一种故障现象，从上面的叙述中我们已经了解了换刀的整个过程， 如图5-4，如果刀架不动，我们应该怎么样去检修呢？
（１）在这里我们可以把接触器作为一个特殊点，以接触器为分界点，作出一个初步判断，可以观察一下接触器是否动作，如果接触器动作我们可以听到接触器吸合的声音，相反则听不到。
（２）接触器吸合的情况下，我们可以判断出换刀过程中的① ④没有问题。那么问题应该在⑤ 或 ⑥上，具体原因如下：
①电机电源缺相或电压过低；
②接触器主触点被烧坏或接触不良；
③刀架电机电源相序错，造成电机旋转方向发生改变，刀架选刀的过程变成刀架锁紧的过程；
④电机被烧坏；
⑤刀架锁得太紧或被机械卡死等。
（３）接触器在没有吸合的情况下，我们可以判断出故障原因有可能出在①⑤这几步上，具体分析过程如下：
①KM5没有吸合的情况下，观察KA6是否吸合，如果KA6已经动作，那么可以测量一下KM5线圈有没有烧坏，控制电缆有没有断线，KA6的触点接触是否良好。
②如果KA6没有动作，可以通过观察PLC的输入输出寄存器的状态来确定刀架正转信号Y0.6是否有输出，如果有输出，可以检测一下继电器KA6线圈是否被烧坏，PLC输出板是否有问题，系统PLC到KA6的连线是否有问题。如果没有输出，则检查一下是否PLC编写有误，是否有些换刀条件没有满足。
图5-4 换刀过程

当然，在梯形图的设计中还要考虑一些保护和安全因素，如刀架电动机长时间旋转，而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电动机，以防止将其损坏并报警提示；刀架电动机过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工等。
２．电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动
从图四换刀整个过程看，问题应该出现在、两步上 ，发讯盘上对应霍尔元件没有检测到刀架到位信号或刀架到位信号没反馈给PLC，则电机将继续正转而不停。
故障原因与处理方法
（１）此刀位的霍尔元件损坏:确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入指令转动该刀位，用万用表量该刀位信号触点对+24V触点是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。
（２）此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号:检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。
（３）系统的刀位信号接收电路有问题:当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。
３．电动刀架锁不紧
故障原因处理方法
（１）发信盘位置没对正 :拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。
（２）系统反锁时间不够长:调整系统反锁时间参数即可（新刀架反锁时间ｔ＝１.2ｓ即可）。
（３）机械锁紧机构故障 :拆开刀架，调整机械，并检查定位销是否折断。
４．电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动
从上述回转刀架动作过程可知，电动刀架定位分粗定位和精定位两步。粗定位时，如发讯盘位置正确，则应发出到位信号，延时少许时间，则电机停止正转，延时一段时间以后，电机开始反转。直至精定位锁紧。刀架定位不准一般与以下几方面有关：
粗定位销或孔磨损，间隙大导致定位不准，发讯盘圆周方向位置不正确。
2.5加工中心换刀臂
１．加工中心主轴结构
如图5-5所示，主轴部件主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成。主轴前端有7：24的锥孔，用于装夹BT40刀柄或刀杆。主轴端面有一端面键，既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位。主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构上工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料常采用的有 45 钢、 Gcr15 等，需经渗氮和感应加热悴火。
加工中心的主轴支承形式很多，其中立式加工中心的主轴前支承采用四个向心推力球轴承，后支承采用一个向心球轴承，这种支承结构使主轴的承载能力较高．且能适应高速的要求．主轴支承前端定位，主轴受热向后伸长，能较好地满足精度需要．只是支承结构较为复杂。
2．刀具自动夹紧机构
加工中心可以自动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。刀具的自动夹紧机构安装在主轴的内部，图5一6所示为刀具的夹紧状态．刀柄1由主轴抓刀爪2 央持，碟形弹簧5通过拉杆4、抓刀爪 2 ，在内套 3的作用下将刀柄的拉钉拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时将主轴上端气缸的上腔通压缩空气，活塞7带动压杆8及拉杆4向下移动，同时压缩碟形弹簧5；当拉杆4下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时，卡爪张开，同时拉杆4将刀柄顶松，刀其即可由机械手或刀库拔出。待新刀装入后，气缸6的下腔通压缩空气，在碟形弹簧的作用下，活塞带动抓刀爪上移，抓刀爪拉杆贯新进人内套3 ，将刀柄拉紧。活塞7移动的两个极限位置分别设有行程开关10，作为刀具夹紧和松开的信号。
3．加工中心的刀具松开液压原理图
图5-6刀具松开液压原理图

1—刀库 2—刀具 3—换刀臂升降油缸
4—换刀臂 5—主轴
6—主轴油缸 7—拉杆

三．任务实施
任务9 数控车床刀架定位不准的故障诊断与维修

1.修前调查：可将调查内容进行填入下表

序号
调查内容
调查结果记录
判断
1

2

3

4

5

6

7

8

２.罗列成因：
（1）定位销锈死不灵活
（2）刀位定位开关松动
（3）定位开关接线不良
（4）端齿盘齿面上有铁屑
3.确定步骤：
（1）先外部后内部，先检查发讯盘，看圆周方向是否松动、错位。
（2）先软后硬，先查参数设置，与回转刀架换刀有关的参数有刀具夹紧延时时间、刀具转到位粗定位延时时间设置。这两个参数会影响刀具定位。
（3）以上没有问题，则刀架解体，检查球头销上的弹簧以及粗定位销是否失效。如定位销锈死或断则不能定位，磨损则会造成定位不准。
（4）精定位端齿上有铁屑。
4.故障判断与定位
由于是在加工过程中发生定位不准，外观检查，发现发讯盘没松动也没圆周方向错位。检查参数符合要求，　因此可排除以上两个原因。
5.故障排除：
拆开刀架体检查，发现粗定位销已断，更换定位销，故障排除。　　

任务10 加工中心换刀臂平移夹住刀柄，无拔刀动作的故障诊断与维修
1．故障调查
查找有关资料，了解刀具交换整个动作过程：
刀具交换初始位置：刀库ATC的动作起始状态是：主轴保持要交换的旧刀，换刀臂在B位置，换刀臂在上部位置，刀库已将要交换的新刀具定位在交换位置。
自动换刀的顺序为：（1）换刀臂左移（B→A）→（2）换刀臂下降（从刀库中拔刀）→ （3）换刀臂右移 (A→B)→（4）换刀臂上升→（5）换刀臂右移（B→C ，抓住主轴中刀具）→（6）主轴液压缸下降（松刀）→（7）换刀臂下降（从主轴中拔刀）→（8）换刀臂旋转180度（两刀具交换位置）→（9）换刀臂上升（装刀）→（10）主轴液压缸上升（抓
刀）→（11）换刀臂左移（C→B）→（12）刀库转动（找出旧刀具位置）→（13）换刀臂下降→（14）换刀臂左移（B→A）→（15）换刀臂上升（刀具插回刀库）→（16）换刀臂右移（A→B）→（17）刀库转动（找下一把刀）。
5
4
A
C
1
2
3
6
7
8
10
9
11
12
13
14
15
16
B
2．沟画刀具交换动作顺序图如右图所示
3．原因分析：
（１）SQ2无信号，所以未输出松刀电磁阀YV2的电压，主轴仍处于抓刀状态，换刀臂不能下移
（２）松刀接近开关SQ4无信号，则换刀臂升降电磁阀YV1状态不变，换刀臂不下降
（３）电磁阀有故障，给予信号也不动作。
分析过程如图
4．故障检测与定位:
检查方法
图5-7加工中心换好过程顺序图
换刀过程中断在何处，故障追踪就从何处开始向后查找，现无换刀臂下降（从主轴中拔刀）动作，故应从此点向后追踪。
检查过程：
由于换刀臂下降（从主轴中拔刀）是由松刀电磁阀YV1控制，故先检查YV1有无得电，如得电，则说明SQ4正常，可能YV1卡死或液压系统压力不足。
如不得电，则可能SQ4接近开关失效或松刀电磁阀YV2没得电或松刀液压活塞下行不到位。先检查接近开关SQ4，检查方法如下：用一磁性铁条在松刀接近开关SQ4敏感范围内移动,如接近开关上指示灯亮,则说明接近开关SQ4是好的，否则就是坏的。故障原因也就找到。如接近开关SQ4是好的，则说明松刀油缸下行不到位。需继续检查YV2是否得电或电磁阀YV2是否卡死；如YV2得电，则电磁阀YV2卡死或液压系统压力不足，小于用于主轴中刀具夹紧的弹簧力。如YV2不得电，则检查接近开关SQ2是否发讯。当接近开关SQ2完好时，则继续向后查，直到找到原因为止。

无拔刀动作

YV1得电否？

SQ4坏或松刀缸不到位或松刀缸不换向

SQ坏否？
YV2卡死或松刀缸不到位
YV2得电否？

SQ2正常？

SQ2坏，液压缸不到位或不换向

END
松刀液压阀YV2卡死
END
SQ4正常，YV1卡死或松刀缸行程不够，刀夹紧

更换或调整
END
SQ2没压合或失效，
Y
N
Y
N
N
Y
Y
N
故障定位：按图示流程查找。经检查接近开关SQ4未发出信号，进一步对SQ4进行检查，发现感应间隙过大。

图5-8故障诊断流程图

５.工作总结:

要做好用PLC对数控机床故障检测要注意以下几点 ：
（１）了解机床各组成部分检测开关的安装位置，如加工中心的刀库、机械手和回转工作台，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关、接近开关和压力开关等，弄清检测开关作为PLC输入信号的标志。
（２）了解执行机构的动作顺序，如液压缸、气缸的电磁换向阀等，弄清对应的PLC输出信号标志。
（３）了解各种条件标志，如起动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号。
（４）借助必要的诊断功能，必要时用编程器跟踪梯形图的动态变化，搞清故障原因，