数控车床刀架故障诊断与维修.doc

数控车床电动刀架故障诊断与维修
侯晓方
(陕西国防工业职业技术学院，西安，710300)
摘要：结合电动刀架的工作原理，对数控机床刀架部分在使用中出现的故障现象进行系统分析，针对不同的故障原因，提出相应的诊断和维修方法。
关键词：数控；刀架；故障；维修
Malfunction Diagnosis and Maintenance of Tool Carrier on CNC Machine Tool
Abstract：The malfunctions were analyzed by workings of the elcetric tool carrier on CNC machine tool. According to the causes of failure, the ways of malfunction diagnosis and maintenance were advised.
Key words: CNC；Tool carrier；Malfunction；Maintenance
0引言
随着电子技术、自动化技术的不断发展，数控技术的应用也越来越广泛。数控机床也在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的经济效益。数控机床与普通机床比较起来，价格昂贵，一般都是企业生产的关键设备。数控机床结构及控制复杂，任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿，若在出现故障后不能及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。数控机床的故障有系统类、驱动类、刀架类、主轴类、进给类等等。电动刀架作为数控车床的重要配置，在机床运行工作中起着至关重要的作用，一旦出现故障很可能造成工件报废，甚至造成卡盘与刀架碰撞的事故，而且刀架故障在数控车床故障中占有很大的比例。基于此，本文以大连机床厂生产的CKA6136车床、常州新墅机床数控设备公司的LDB4电动刀架为例，结合日常维修经验介绍电动刀架的常见故障的诊断与维修方法。
1 电动刀架的工作原理
1.1 电动刀架机械结构与换刀动作

1.上盖 2.发讯盘 3.小螺母 4.磁钢座 5.大螺母 6.止退圈 7.离合盘 8.离合销 9.反靠销 10.销盘 11.上刀体 12.联接座 13.下刀体 14.中轴 15.蜗轮 16.外端齿盘 17.反靠盘 18.内端齿盘 19.螺杆21.磁钢
图1 LDB4电动刀架机械结构
电动刀架采用蜗轮蜗杆传动，由销盘、内端齿盘、外端齿盘组合成的三端齿定位机构实现定位和锁紧，上刀体转位时无需抬起，从而排除了冷却液以及切屑对刀架转位时的侵扰。具体的换刀动作及控制过程为：CNC发出换刀信号，控制继电器KM1动作，刀架电机正转，通过蜗杆23带动蜗轮15，蜗轮通过键连接带动螺杆19旋转，内端齿盘18随之上升，当上升到一定高度时，离合销8进入离合盘7的槽内，同时反靠销9从反靠盘17的槽中脱离，此时离合盘带动离合销，离合销带动销盘10，销盘带动上刀体11转位，当上刀体转到所需刀位时，发讯盘2上霍尔元件与磁钢座4上的磁钢21对正，霍尔元件发出刀具到位信号，电机反转，反靠销进入反靠盘的槽中，离合销从离合盘槽中爬出，刀架完成粗定位。同时销盘下降端齿啮合，完成精定位，刀架锁紧。反转时间到，继电器动作，电机停止，并向CNC发出应答信号，加工程序开始。由上分析可知刀架动作顺序为换刀信号――电机正转――上刀体转位――刀位信号――电机反转――粗定位――精定位加紧――电机停转――回答信号――加工顺序进行。
1.2 电动刀架电气控制原理
220V

图2 刀架电机控制主电路 图3 刀架电机控制电路

图2中刀架电机三相电U、V、W经带过载保护的空气开关QM接入，由交流接触器KM1、KM2实现正反转，FV为灭弧装置。控制电路如图3～图4，其原理为：CNC发出换刀指令，PLC信号Y0.3输出高电平（24V），中间继电器KA4通电，其常开触点闭合，KM1线圈通电，KM1常开触点闭合，三相交流电接通，电机正转带动刀架正转进行选刀。刀具T1～T4到位信号由四个霍尔元件发出，分别由PLC的输入信号X4.6、X4.7、X5.0和X5.1输入，当目标刀号到位，相应的输入为高电平，经过PLC程序逻辑处理后，使得Y0.3输出低电平，Y0.4输出高电平，中间继电器KA4线圈断电，KA5线圈得电，此时KM1断电，KM2得电，电机反转，实现刀架的定位和夹紧，Y0.4输出低电平，电机停转，换刀完成。

图4 刀架PLC输入输出控制
2 电动刀架常见故障诊断与维修
2.1电动刀架换刀时不动作
造成这种故障现象的原因和诊断维修方法：
①刀架机械卡死 刀架机械卡死会造成刀架电机堵转而出现过载报警，而且。排除机械卡死故障时，可以将刀架与电机脱开，用扳手盘动蜗杆，如果不能正常转动，则说明是机械卡死。此时可以按正确的拆卸顺序拆开刀架进一步检查中轴、各种销钉、联轴器等有无变形。因为刀架机械卡死常常由碰撞变形引起。
②刀架电机电源缺相或相序错 刀架电机电源相序错一般出现在机床大修或更换新刀架后，此时要切断电源，调整电机相序。电机不转且没有声音：电源或者绕组有两相或两相以上断路，首先检查电源是否有电压，如果三相电压平衡，那么故障在电动机本身，可检测电动机三相绕组的电阻，寻找出断线的绕组。电动机不转但发出较闷的嗡嗡声：电源或绕组一相断路，缺相的原因可能是电机供电回路中的开关及接触器的触头接触不良（烧伤或松脱），修复并调整动、静触头，使之接触良好；线路某相缺相，查出断线处，并连接牢固；电动机绕组连线间虚焊，导致接触不良，认真检查电动机绕组连接线并焊牢；电力电源缺相，排查外部接入电源故障。
③刀架电机无电源接入 在MDI方式下换刀并检测电机上电源输入端无电压时，观察电柜中中间继电器KA4和接触器KM1有没有动作，如果KA4线圈没有得电，则检查PLC输出信号Y0.3是否断线；若KA4线圈得电，观察KM1是否吸合，KM1吸合则可能是常开触点损坏或输给电机的三相电电线断线，KM1若没有动作，则可能继电器KA4坏、KA4触点接触不良、触点上电源断线。
④刀架电机损坏 若接入电源正常空载下电机仍不转则说明电机损坏。电机损坏一般由于缺相、过载运行、绕组接地、绕组相间、匝间短路故障引起。接地故障的检测方法：用摇表检测电机绕组对地的绝缘电阻，当绝缘电阻低于0.2兆欧时，说明电机严重受潮。用万用表电阻档或校验灯逐步检查，如果电阻较小或者校验灯较暗说明该项绕组严重受潮，需要烘干处理，如果电阻为零或者校验灯接近正常亮度，那么该项已近接地了。绕组接地一般发生在电动机出线孔，电源线的进线孔或绕组伸出槽口处对于后一种情况，若发现接地并不严重，可将竹片或绝缘纸插入定子铁芯与绕组之间，如经检查已不接地，可包扎并涂绝缘漆后继续使用。绕组短路故障的检测方法：利用兆欧表或者万用表检查任意两相间的绝缘电阻，如发现在0.2兆欧一下或为零说明是相间短路（检查时应将电动机引线的所有连线拆开）；分别测量三相绕组的电流，电流大的为短路相；用短路探测器检查绕组间短路；用电桥测量三相绕组电阻，电阻小的为短路相。
2.2电动刀架某一个或几个刀号换刀转不停，其余刀号正常。
造成这种故障现象的原因和诊断维修方法：
①此刀位霍尔元件损坏 确认是哪个刀位使刀架转不停后，在系统上输入该刀号换刀指令转动该刀位，用万用表测量该刀位信号点（X4.6、X4.7、X5.0或X5.1）是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发讯盘或霍尔元件。
②发讯盘此刀位信号线接触不良或断线 若发讯盘该刀位信号输出正常，则继续检查相应PLC刀具到位输入线号状态有无变化，若没有检查此刀位信号线与PLC系统的连线是否断线或接触不良，有则正确连接即可。
③PLC系统的刀位信号接收电路故障 若检查结果霍尔元件和刀位信号接线都完好，则可确PLC认系统输入信号接收电路故障，更换相应板卡。
2.3 电动刀架换每把刀时都转不停
造成这种故障现象的原因和诊断维修方法：
①发讯盘电源故障 因为发讯盘上霍尔元件得不到正确的电源，造成无法产生刀具到位应答信号。此时检查发讯盘接入电源。首先用万用表检查系统24V出线端，看输出电压是否正常或存在，若不存在，为系统电源故障，维修电源；若正常接着检查刀架上的+24V、0V与系统的接线是否出现断路；检查24V与0V间是否短路将24V电压拉低；检查24V与0V间是否断路，发讯盘长期处于潮湿的环境线路容易老化断线使电源不能构成回路。
②磁钢故障 包括磁钢无磁、磁性不强、磁钢磁极装反或磁钢与霍尔元件高度位置不准。对应不同的原因更换磁钢或增强磁性；调整磁钢磁极方向；若磁钢在刀架抬起时位置太高则需要调整磁钢的位置使磁块对正霍尔元件。
③所有霍尔元件损坏 在对应刀位无断路的情况下，若所对应的刀位线有高电平输出，则霍尔元件无损坏，否则更换刀架发讯盘或其上的霍尔元件。一般来说，所有霍尔元件同时损坏的可能性很小。
2.4刀架锁不紧
造成这种故障现象的原因和诊断维修方法：
①刀架电机反转时间不够 查看并调整系统反锁时间参数，一般时间设定为1.2S即可。
②刀架不能反转 按照刀架不能旋转的检查方法排查刀架电机反转控制线路。
③刀架机械锁紧机构故障 拆开刀架，检查机械部件，尤其是查看定位销是否损坏。
2.5刀台换刀时不到位或过冲太大
造成这种故障现象的原因和诊断维修方法：
①磁钢在圆周方向相对霍尔元件太前或太后 打开刀架上盖，查看磁钢和霍尔元件位置，若错位进行相应调整。
②机床动作控制程序中，在刀架电机正传停止和反转开始之间，插入了较长的延时。调整PLC中定时器的延时时间。一般在正常使用期的机床由此引起的故障较少见。
3 结束语
数控机床的故障复杂多样，电动刀架的控制涉及机械、低压电器、PLC、传感器等多学科知识，这给维修带来了困难。维修人员应熟知刀架的机械结构与控制原理以及常用检测工具的使用，根据故障现象的分析，罗列成因，确定合理的诊断与检测步骤，以便迅速排除故障。
参考文献
1龚仲华．数控机床故障诊断与维修500例[M]．北京：机械工 业出版社，2004
2徐衡. 数控机床维修[M]．沈阳：辽宁科学技术工业出版社， 2005
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4周兰 陈少艾. 数控机床故障诊断与维修[M]．北京：人民邮电出版社，2007

作者简介：侯晓方，男，河南鲁山人，讲师，硕士，研究方向为数控技术
通信地址：陕西省户县人民路8号陕西国防工业职业技术学院机电工程系
邮编：710300
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