數(shù)控車床電動刀架故障的深度剖析

謝祥強，湛年遠

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530007）

0 引言

電動刀架是數(shù)控車床非常重要的部件，一旦出現(xiàn)故障將使整臺數(shù)控機床不能正常工作，甚至會出現(xiàn)機床或人身傷害事故。數(shù)控車床用戶在使用中會碰到故障，大部分用戶是不能正確地診斷并排除故障，在沒有掌握電動刀架的結(jié)構(gòu)與工作原理情況下對刀架進行拆卸極容易造成故障的擴大化，甚至會造成不可修復的故障。現(xiàn)以HNC-21TD系統(tǒng)及LDB4系列刀架為例，深度剖析電動刀架故障的診斷與排除方法。

1 數(shù)控車床電動刀架的機械結(jié)構(gòu)

圖1 電動刀架機械結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)控車床電動刀架的工作原理

當系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架電機正轉(zhuǎn)，通過蝸桿、蝸輪、螺桿上的離合盤聯(lián)動銷轉(zhuǎn)動一個角度，在彈簧的推力下離合銷進入離合盤的槽中，在螺桿的傳動作用下，刀架銷盤上升一定高度，端齒與反靠盤分離，然后離合盤帶動離合銷，再帶動刀架銷盤，銷盤帶動上刀架體轉(zhuǎn)動。當上刀架體轉(zhuǎn)到指令的刀位時，霍爾元件發(fā)出到位信號，電機反轉(zhuǎn)，反靠銷進入反靠盤的槽中，離合銷從離合器盤中的槽中爬出，完成粗定位，同時刀架銷盤下降與端齒嚙合完成精定位，刀架鎖緊后電機停轉(zhuǎn)，完成換刀過程。

1.2 數(shù)控車床電動刀架常見機械故障診斷與排除

1）離合盤聯(lián)動銷斷

這種故障主要是在換刀過程中產(chǎn)生強烈撞刀所致。故障現(xiàn)象是上刀架體不能正常轉(zhuǎn)動，被切斷的離合盤聯(lián)動銷一段留在離合中，另一段留在螺桿中，要仔細看才會發(fā)現(xiàn)。處理方法是拆開刀架，把被切斷的銷拿出來，找廠家買兩個安裝上就解決了，還可根據(jù)銷孔的尺寸，自己配作兩個銷也行。

2）離合銷與反靠銷之間的彈簧彈力不足

刀架的頻繁換刀，日久之后，彈簧的彈力不足，使離合銷不能靠緊離合盤，致使換刀不能順利換刀。處理方法是將刀架拆下，換上相同規(guī)格的彈簧即可。

2 數(shù)控機床電動刀架電氣控制

刀架的電氣控制原理圖分為三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路及刀位信號檢測電路兩部分。刀架電動機正反轉(zhuǎn)的電路原理圖如圖2所示。

當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時，由PLC的Y0.6輸出電機正轉(zhuǎn)的信號，使中間繼電器KA1得電，常開觸頭閉合；接觸器KM1得電，主觸頭閉合，刀架電動機正轉(zhuǎn)。當數(shù)控系統(tǒng)檢測到目標刀號時，停止正轉(zhuǎn)，并由PLC的Y0.7輸出反轉(zhuǎn)信號，中間繼電器KA2得電，常開觸頭閉合，接觸器KM2得電，主觸頭閉合，刀架反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的時間由數(shù)控系統(tǒng)的刀架控制參數(shù)進行設定(約1500ms左右)。當?shù)都芊崔D(zhuǎn)時間到，刀架被鎖緊，換刀過程結(jié)束。電路中的KA1與KA2，KM1與KM2實現(xiàn)了電氣互鎖 ，避免刀架電動機在正、反轉(zhuǎn)切換過程中產(chǎn)生短路。

圖2 刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路原理圖

圖3 刀號檢測電路原理圖

2.1 數(shù)控車床電動刀架電氣控制故障診斷與排除

1）刀架電動機主電路電源相序接錯的故障診斷與排除

故障現(xiàn)象是，發(fā)出換刀指令時，中間繼電器KA1與接觸器KM1動作，但是上刀架體不轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)換刀超時報警信息，連續(xù)換刀操作幾次后，刀架電動機的外殼發(fā)熱。故障的特點是數(shù)控PLC能發(fā)出刀架正轉(zhuǎn)信號(Y0.6接通)，控制KM1動作，而數(shù)控系統(tǒng)未檢測到目標刀號，PLC不發(fā)出刀架反轉(zhuǎn)的信號(Y0.6未接通)，接觸器KM2不動作。故障原因是刀架的三相交流異步電動機相序接錯。根據(jù)電動刀架換刀的原理，先是刀架正轉(zhuǎn)選刀，等刀架到位后，動機反轉(zhuǎn)鎖緊刀架。因電源相序的接錯，換刀開始時應正轉(zhuǎn)的電機，變成了反轉(zhuǎn)，刀架被鎖得更緊了，看不到刀架轉(zhuǎn)動。新購買的數(shù)控車床初次上電、機床搬遷重新接電及電源變壓器供電相序改變等均可能發(fā)生此類故障。排除方法是將刀架電動機主電路的三條相線任意對換兩條即可。

2）刀架電動機過載保護熱繼器故障診斷與排除

刀架電動機過載保護熱繼器在電機被卡死或電源相序接錯時可能會發(fā)生動作而不能自動復位，使電機斷電。故障現(xiàn)象是系統(tǒng)發(fā)出換刀指令時，繼電器KA1與接觸器KM1動作，但是電動刀架不轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)換刀超時報警信息，刀架電動機外殼不發(fā)熱。故障的診斷方法是在接觸器KM1動作時測量刀架電機是否得電。故障原因是熱繼電器不復位或損壞。故障排除方法是對熱繼電器進行手動復位或更換熱繼電器。

3）中間繼電器故障的診斷與排除

數(shù)控機床控制刀架用的中間繼電器是24V的直流繼電器。加工過程要頻繁地換刀，時間長了，繼電器觸頭會產(chǎn)生磨損或變形，造成接觸不良。故障現(xiàn)象是中間繼電器的線圈得電，指示燈LED也亮，但刀架電動機不得電。故障診斷方法是在的線圈得電時測量動合觸頭是否接通。故障排除方法是換另一對動合觸頭或更換中間繼電器。

2.2 刀位號檢測電路故障的診斷與排除

LDB4系列刀架的刀位號檢測傳感器使用霍爾元件。將4個霍爾元件封裝在一個環(huán)形的塑料盤中，稱為刀架發(fā)信盤。如圖1所示，發(fā)信盤安裝在刀架底座的中軸上，永久磁鋼是安裝在磁鋼座中，換刀時隨刀架一起轉(zhuǎn)動。刀架發(fā)信盤內(nèi)部將4個霍爾元件的1腳(+24V)連在一起，把3腳(GND0也連在一起，然后將電源線+24V、GND、T1、T2、T3及T4引到接線端子。對應標上＋、－、1、2、3及4，引出線顏色對應為紅、黃、白、橙、藍及綠。工作原理是：接通電源后，當永久磁鋼靠近霍爾元件時，霍爾元件的輸出端（2號腳）輸出為低電平0V；當永久磁鋼離開霍爾元件時，霍爾元件的輸出端（2號腳）輸出為高電平24V；數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)指令的刀號與四個霍爾元件輸出的低電平是否相同來判斷電動刀架是否到位。下面剖析常見故障的診斷與排除方法。

1）不管換哪一號刀，系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時報警才停止，找不到相應的刀號，刀架無反轉(zhuǎn)鎖緊動作。

故障原因是發(fā)信盤中的4個霍爾元件均沒有信號到達數(shù)控系統(tǒng)。故障診斷方法：第一步檢查發(fā)信盤的24V電源是否接通或極性是否接反，極性接反很容易燒壞霍爾元件。如果電源正確，第二步檢查永久磁鋼與霍爾元件的相對位置是否合適，過高、過低或水平距離太大也不能產(chǎn)生信號。第三步檢查磁鋼的磁性及極性。磁性太小也不能產(chǎn)生信號，用螺絲柸靠近磁鋼試一下，吸力大磁性就好。磁鋼的極性接反也不能產(chǎn)生信號，將磁鋼正對霍爾元件的一面換成另一面進行試驗。故障排除方法是，經(jīng)過第一到第三步的檢查還不能排除故障的話，確定是4 個霍爾元件燒壞了，應更換同型號的發(fā)信盤，要正確接線。

2）數(shù)控系統(tǒng)顯示的刀號與刀架上實際刀號不對應。

故障原因是發(fā)信盤中T1，T2，T3，T4的輸出線錯亂造成的，比如將T1與T2的輸出線錯誤連接，則會造成系統(tǒng)換2號刀時，刀架會停在1號刀的位置，系統(tǒng)換1號刀時，刀架會停在2號的位置。故障診斷方法是檢查刀架實際的刀號與系統(tǒng)中PLC的X輸入的刀號是否一至。故障排除方法是重新按發(fā)信盤說明正確接線。

3）只有換某一號刀（如2號刀）時，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時報警才停止，而換其它刀正常。

故障原因是發(fā)信盤中的某個（如2號刀）霍爾元件沒有發(fā)出信號。故障診斷方法是將發(fā)信盤中2號刀與1號刀（前提是換1號刀是正常的）的連接線對調(diào)進行測試，如果系統(tǒng)換2號刀時，刀架準確停在1號的位置，而換1號刀時，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時報警才停止，則說明發(fā)信盤中2號霍爾元件損壞；對調(diào)后如果系統(tǒng)換1號刀時，刀架準確停在2號的位置，而換2號刀時，刀架一直正轉(zhuǎn)，直到換刀超時報警才停止，則說明2號霍爾元件到數(shù)控系統(tǒng)的連線斷開或數(shù)控系統(tǒng)的接口損壞。故障排除方法是接通2號霍爾元件到系統(tǒng)的連線。

查看數(shù)控系統(tǒng)PLC的刀位，可通過面板的故障診斷→PLC→輸入輸出狀態(tài)進行觀察與診斷。HNC-21T系統(tǒng)中，T1、T2、T3、T4對應的PLC輸入分別為：X3.2、X3.3、X3.4、X3.5，當某一號刀到位時（如T1到位），則對應的PLC輸入（如X3.2）會顯示紅色點或“1”，其余刀號對應的輸入不顯示紅色點或顯示為“0”。

3 數(shù)控車床電動刀架控制參數(shù)故障診斷與排除

數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)是數(shù)控機床非常重要的組成部分，參數(shù)設置不合理會造成機床不能發(fā)揮最大的性能甚至不能正常工作。數(shù)控車床電動刀架主要的參數(shù)有：

1）工位數(shù)，一般為4工位。

2）換刀時間（ms）：是指換刀必須在本參數(shù)設置的時間內(nèi)完成，否則會出現(xiàn)換刀超時報警。本參數(shù)的設置一般是在刀架正常轉(zhuǎn)動兩圈所用時間。

3）刀架反轉(zhuǎn)延時時間（ms）：是指當系統(tǒng)檢測到目標刀號到刀架開始反轉(zhuǎn)的時間。本參數(shù)設置不能過大，否則會使刀架反轉(zhuǎn)的角度過大。

4）刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時間（ms）：是指刀架從反轉(zhuǎn)開始到反轉(zhuǎn)停止的時間。本參數(shù)的設置要合適，過小會使刀架鎖不緊，過大會容易燒壞刀架電動機，要與刀架反轉(zhuǎn)延時時間配合設置。

案例：故障現(xiàn)象是刀架正轉(zhuǎn)選刀、反轉(zhuǎn)鎖緊動作正常，但是刀架鎖不緊，用手去搖刀架感覺明顯的松動。故障的原因是刀架反轉(zhuǎn)延時時間過大，刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時間過短。故障方法應適應地減小刀架反轉(zhuǎn)延時間，同時適當增大刀架反轉(zhuǎn)鎖緊時間。

參數(shù)文獻：

[1] 鄭小年, 金健, 周向東.華中數(shù)控系統(tǒng)故障診斷與維護手冊[M], 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[2] 世紀星數(shù)控裝置連接說明[Z].武漢華中數(shù)控股份有限公司, 2010.

[3] 王鋒.數(shù)控機床故障診斷與維護[M].北京: 清華大學出版社, 2010.