轉(zhuǎn)塔刀架故障分析與診斷

天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司 馬立貴

一、引言

轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床的核心部件，換刀過程的好壞關(guān)系到機(jī)床加工和運(yùn)行的可靠性，直接影響到數(shù)控車床的使用效率。就目前而言，轉(zhuǎn)塔刀架種類繁多，更新快，從早期的液壓、霍爾元件控制，發(fā)展到至今的編碼器電動控制、伺服控制。控制方式雖然存在差異，但工作過程大致相同，基本控制原理為：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出選刀指令→PLC邏輯分析處理→刀架松開→刀位抬起轉(zhuǎn)位選刀指令與目標(biāo)刀位比較→符合到位應(yīng)答→反轉(zhuǎn)定位鎖緊→換刀完成。

二、故障的原理分析與診斷

數(shù)控車床采用SIEMENS或FANUC數(shù)控系統(tǒng)；配置（4-8）工位德國SAUTER、意大利DUPLOMATIC或沈陽SLD170A04N轉(zhuǎn)塔刀架。

1.某一刀位不到位

在刀架運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，4工位刀架有3個刀位換刀正常，只有其中一個刀位不能正常換刀，表現(xiàn)為刀架在此刀位不能到位。

沈陽數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架采用霍爾元件控制，霍爾元件信號采集范圍寬是導(dǎo)致此故障的主要原因，在刀架換刀過程中數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出選刀指令，PLC邏輯分析刀架鎖緊信號松開，此時刀架可以運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)段唤咏x刀位之時鎖緊信號先接通，鎖緊信號接通即可切斷刀架運(yùn)轉(zhuǎn)指令，就會導(dǎo)致某一刀位不到位現(xiàn)象出現(xiàn)。此情況只需將轉(zhuǎn)塔刀架刀蓋打開，將刀架霍爾元件電氣信號電路板松開輕輕移動少許位置，讓刀位信號在鎖緊信號之前檢測即可解決此問題。

2.刀架無動作

刀架無論是手動/自動狀態(tài)均無動作，故障一般發(fā)生在電氣或機(jī)械部分，是刀架較容易處理的故障現(xiàn)象之一。遇到這種情況，首先檢查刀架電機(jī)及電機(jī)電源線有沒有問題，由于到位鎖緊開關(guān)與PLC存在互鎖的邏輯關(guān)系，此時也需要檢查鎖緊開關(guān)的輸出狀態(tài)是否正常。

確認(rèn)電氣部分無誤后，仍不能排除，此時可考慮機(jī)械部分原因。按使用說明書操作步驟拆開端蓋試轉(zhuǎn)刀盤，如果轉(zhuǎn)不動那將是機(jī)械部位卡住了，找出問題原因調(diào)整也就好了。

3.刀架旋轉(zhuǎn)不停

刀架無論是在手動/自動換刀過程中均旋轉(zhuǎn)不停，故障一般為電氣故障。拿德國SAUTER刀架來說，在刀架旋轉(zhuǎn)過程中牽扯預(yù)分度信號、鎖緊信號，在刀架開始運(yùn)轉(zhuǎn)時預(yù)分度電磁鐵接通激活預(yù)分度信號為1，正轉(zhuǎn)檢測到刀位信號后，制動電磁鐵置位，預(yù)分度電磁鐵和信號為0，此時反轉(zhuǎn)插定位銷，而在刀架運(yùn)轉(zhuǎn)過程中如果PLC程序無誤，電磁鐵所用直流24V電流如果缺失，則會導(dǎo)致刀架旋轉(zhuǎn)不停。

4.目標(biāo)刀位位置檢測故障

選刀指令與目標(biāo)刀位不一致產(chǎn)生的位置檢測故障，是數(shù)控刀架常見的一種故障，其現(xiàn)象表現(xiàn)為：轉(zhuǎn)塔刀架一直旋轉(zhuǎn)不停且不到位或換刀后不能再次換刀。

刀架的每個工位都有相關(guān)的到位檢測信號，通過選刀指令與之通訊比較，如果NC或PLC沒有檢測到信號或接收錯誤的檢測信號，換刀過程將失敗。圖一是一臺典型的數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架接口控制原理圖，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)NC發(fā)出選刀指令時，經(jīng)PLC邏輯轉(zhuǎn)換與編碼器S1目標(biāo)刀位比較，符合后編碼器時序控制位Strobe（bit5）發(fā)出刀架定位啟動信號，見時序控制信號波形。編碼器采用二進(jìn)制碼，NO.1-4為目標(biāo)刀位輸出、parity位6為同位檢測，負(fù)責(zé)刀架定位完成時刀位檢查，同時檢測奇偶信號位，有雙重確認(rèn)功能。表一為1-8工位真值表。通過以上原理分析看出，影響位置檢測故障，常有以下幾種因素：①控制系統(tǒng)信號傳遞故障。此時NC系統(tǒng)常有故障報(bào)警提示，可對照制造廠家產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明自定義報(bào)警或數(shù)控系統(tǒng)診斷手冊提示，也可以通過PLC輸出狀態(tài)指示判斷故障部位，檢查各接口連接是否良好、觸點(diǎn)是否有松動，信號線有沒有斷線。②編碼器信號輸出狀態(tài)是否正常、連接有沒有松動、竄位。此情況需要更換或重新調(diào)整編碼器。

5.定位檢測故障

圖一 （左圖）為接口控制原理圖（右圖）為時序控制信號波形

圖二 刀架定位檢測工作原理圖

圖三 系統(tǒng)通訊連機(jī)（Link）輸入/輸出信號狀態(tài)顯示

數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架選刀結(jié)束后，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)經(jīng)定位檢測鎖緊，換刀完成。圖二為刀架定位檢測工作原理圖。圖中Y1為定位電磁鐵，S2為接近開關(guān)。工作過程：當(dāng)strobe（bit5）見圖一發(fā)出定位啟動信號時，經(jīng)PLC邏輯控制，定位電磁鐵Y1得電，定位銷被推入定位孔中，接近開關(guān)S2信號為0，指示燈熄滅，同時給PLC發(fā)出定位檢測到達(dá)信號。反之信號為1，指示燈亮，PLC處于等待狀態(tài)（此時系統(tǒng)會認(rèn)為定位銷一直沒有打入定位孔，電機(jī)不會反轉(zhuǎn))。定位檢測故障往往會照成刀盤轉(zhuǎn)到刀位后，刀架無法鎖緊。此時也可以檢查接近開關(guān)S2輸出狀態(tài)是否正常，感應(yīng)距離是否合適（一般在0.3-0.5mm之間），表面是否附著污物（接近開關(guān)無反饋信號，無論定位銷打入定位孔與否，系統(tǒng)都因捕捉不到信號而認(rèn)為定位銷一直在定位孔內(nèi)，從而使電機(jī)處于靜止或原位振動狀態(tài)）、電磁鐵是否得電、編碼器strobe輸出狀態(tài)是否正常、以及定位銷是否有質(zhì)量問題，如：彎曲或頂不到位，以及彈簧彈性等機(jī)械方面故障原因。

6.刀架與工件碰撞引起的機(jī)械故障

刀架在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于意外因素與工件碰撞，會使刀盤輕微轉(zhuǎn)位，刀尖與工件軸心偏離，定位銷因變形不能順暢彈出。此時，由于扭矩的作用力，當(dāng)選刀指令發(fā)出后，刀位會有微動，常伴有“嗡嗡”聲響。此時刀架電機(jī)處于賭轉(zhuǎn)狀態(tài)，保護(hù)開關(guān)跳閘等情況發(fā)生。遇到上述情況，需要拆下定位銷后面的電磁鐵（圖二所示），摘除定位銷上面的彈簧，檢查或更換定位銷，同時對刀盤重新進(jìn)行調(diào)整。許多應(yīng)用廠家由于對刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理缺乏了解，對該故障的處理顯示出束手無策。

7.伺服控制器故障

意大利DUPLOMATIC四工位轉(zhuǎn)塔刀架，伺服電機(jī)驅(qū)動，齒輪降速，配有獨(dú)立伺服控制系統(tǒng)。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)位速度快、穩(wěn)定性能好、效率高，但系統(tǒng)控制器較為復(fù)雜，故障的診斷需要具備一定的基礎(chǔ)知識和專業(yè)應(yīng)用能力。

（1)故障現(xiàn)象：刀架旋轉(zhuǎn)不到位，有過位現(xiàn)象（大約15°角)，數(shù)控系統(tǒng)顯示用戶自定義報(bào)警70002刀架要求回原點(diǎn)。按下刀架回零鍵，報(bào)警未消除，系統(tǒng)有顯示70005、70006過壓、過流報(bào)警，刀架無法正常運(yùn)行。

（2)檢測

1）刀架到位檢測信號：鎖緊、原點(diǎn)位均有+24V輸出，檢測正常。

2）編碼器、PLC信號→刀架伺服控制系統(tǒng)確認(rèn)連接正常。

3）伺服電機(jī)檢測：U、V、W繞組值為4-5Ω（正常值)。

4）+24V電源正常。

5）調(diào)用PLC程序觀察邏輯狀態(tài)，做輔助診斷分析。報(bào)警自定義指定狀態(tài)位：70002（I10.2）、70005（I10.5）、70006（I10.6）均有報(bào)警輸出。

6）供電監(jiān)測不同時段供電監(jiān)測表明，電壓在396-416V之間，負(fù)載工況對電網(wǎng)電壓波動影響較大。

7）借助轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)軟件SWM 265F100，通過計(jì)算機(jī)與伺服控制器通訊檢測診斷。

①用筆記本電腦裝載SWM265F100軟件程序，指定端口地址并通過BUF 810轉(zhuǎn)換器與RS232C接口連接至伺服控制系統(tǒng)，設(shè)定參數(shù)位（波特率Baud Rate:9600、Date Bits:8、Stop Bits:1）。

②系統(tǒng)通訊連機(jī)（Link）輸入/輸出信號狀態(tài)顯示如圖三（僅列出相關(guān)狀態(tài)位）：

③狀態(tài)顯示表明：選刀在2號工位，奇偶校驗(yàn)、刀架鎖緊位均有信號輸出，同時檢測到電機(jī)有過熱，有輸出狀態(tài)報(bào)警提示。與檢測結(jié)果一致。

④系統(tǒng)運(yùn)行RUN，軟件出現(xiàn)報(bào)警：Alarms 32。

報(bào)警定義：刀盤載荷慣性超出極限。影響這一因素的原因描述為與刀架控制器內(nèi)的元件、連接及相關(guān)設(shè)置值的狀態(tài)有關(guān)。

⑤診斷結(jié)論及處理：依據(jù)報(bào)警定義，結(jié)合輸入/輸出信號狀態(tài)的進(jìn)一步確認(rèn)：控制器內(nèi)部系統(tǒng)板出現(xiàn)故障，采取更換措施，故障現(xiàn)象消失PLC報(bào)警消除，刀架恢復(fù)正常。

實(shí)例看出：借助系統(tǒng)軟件的輔助診斷，也是快速判斷并排除故障源的行之有效方法。通過該案例的供電監(jiān)測表明：電網(wǎng)電壓偏高波動較大，現(xiàn)場工況復(fù)雜的前提下，未加穩(wěn)壓電源裝置，進(jìn)一步分析認(rèn)為：伺服控制器的損壞與現(xiàn)場工況負(fù)荷及電壓波動有關(guān)。條件具備時對數(shù)控機(jī)床增加穩(wěn)壓電源裝置也許會避免上述情況的發(fā)生。

三、結(jié)束語

系統(tǒng)掌握和了解數(shù)控系統(tǒng)的基本性能、邏輯控制關(guān)系、刀架的工作原理和控制過程，以及它們之間的信號傳遞聯(lián)系，是準(zhǔn)確、快速診斷并排除數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架故障的重要因素。

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