數(shù)控車床刀塔故障分析

劉少鋒

（西安航空動(dòng)力控制公司 西安）

刀塔是數(shù)控車床的核心部件，也是機(jī)床的重要組成部分，換刀過程的好壞直接關(guān)系到機(jī)床的可靠運(yùn)行，直接影響數(shù)控車床的使用效率。刀塔的種類繁多，從早期的液壓、霍爾元件刀塔，到現(xiàn)在的編碼器電動(dòng)控制，伺服伺服控制刀塔?？刂七^程雖然存在差異，但是控制過程卻基本相同，基本控制原理為：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出選刀指令，PLC發(fā)出邏輯分析處理，刀架松開，刀位抬起旋轉(zhuǎn)，選刀指令與目標(biāo)到位比較，符合到位應(yīng)答，翻轉(zhuǎn)定位鎖緊，換刀完成。換刀步驟很多，而且邏輯控制的時(shí)序性也很強(qiáng)。

公司的簡易數(shù)控車床主要應(yīng)用的是國產(chǎn)的LDB4系列4工位電動(dòng)刀架，在長城CK7815和DMG的CTX310用的是意大利Duplomaic 12工位的刀塔（型號為BSV-N200），以這2種刀塔為例探討。

一、簡易數(shù)控車床CJK6140H的4工位刀架

1.工作原理

圖1 4工位電動(dòng)刀架結(jié)構(gòu)圖

刀架屬于4工位刀架，由電機(jī)、蝸輪和蝸桿結(jié)構(gòu)、絲杠和螺母結(jié)構(gòu)、霍爾元件定位系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)原理圖見圖1?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起，上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時(shí)，上蓋圓盤也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約270°時(shí)，上蓋圓盤直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷的正上方，由于彈簧的作用，圓柱銷落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤就通過圓柱銷使得上刀體轉(zhuǎn)動(dòng)起來（此時(shí)端面齒已完全脫開）。上蓋圓盤、圓柱銷以及上刀體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，反靠銷能夠從反靠圓盤中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體尋找刀位時(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)。上刀體帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上對應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤通過圓柱銷帶動(dòng)上刀體開始反轉(zhuǎn)，反靠銷馬上就會(huì)落入反靠圓盤的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位。此時(shí)，反靠銷從反靠圓盤的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始下降，而上蓋圓盤繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷的頭部壓入上刀體的銷孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤的下表面開始與圓柱銷的頭部滑動(dòng)。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過程結(jié)束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩(wěn)定地工作。

2.常見故障及診斷

在日常維修中在寶雞簡易車和濟(jì)南簡易車刀架中經(jīng)常會(huì)遇到幾種問題。

（1）刀架不能啟動(dòng)。機(jī)械方面原因，當(dāng)用六方扳手插入刀架螺桿前端旋轉(zhuǎn)不易轉(zhuǎn)動(dòng)，基本可以判斷刀架內(nèi)部機(jī)械卡死。一般情況可手動(dòng)用六方扳手強(qiáng)行旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使刀架旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過死點(diǎn)，可恢復(fù)刀架的正常使用。如不能手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，那就要將刀架分解，檢查刀架內(nèi)部。由于此類刀架在機(jī)床多年使用后，上蓋密封性變差，使冷卻液容易進(jìn)入刀架內(nèi)部，使刀架內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)生銹磨損，刀架在旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。分解刀架檢查或更換磨損部位，清除刀架內(nèi)積存冷卻液及油污，將各個(gè)部位調(diào)整到合適位置并增加密封，重新加入潤滑油。

電氣方面原因。刀架不旋轉(zhuǎn)時(shí)，電氣首先檢查刀架電機(jī)空氣開關(guān)是否斷開，如果斷開重新閉合空氣開關(guān)，啟動(dòng)換刀指令，空開立刻斷開，是電路中有短路現(xiàn)象，此時(shí)就要檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)接觸器，電機(jī)線及刀架電機(jī)。還有一種情況就是在拆除過電機(jī)線后重新接上，發(fā)現(xiàn)刀架不旋轉(zhuǎn)，空開斷開，此時(shí)就要檢查電機(jī)相序是否接的正確。

（2）刀架連續(xù)旋轉(zhuǎn)到位不停。由于刀架能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以，機(jī)械方面出現(xiàn)故障的可能性很小，主要從電氣方面檢查，此種情況首先考慮控制回路，在刀架旋轉(zhuǎn)過程中，可以通過PLC輸入信號X21.0，X21.1，X21.2,X21.3，這4個(gè)點(diǎn)即4個(gè)刀位到位信號是否有0到1或1到0的變化，就可以判斷霍爾元件是否好壞，如果某個(gè)點(diǎn)沒有變化，那就可以根據(jù)相應(yīng)的點(diǎn)，判斷對應(yīng)的霍爾元件損壞或此霍爾元件對應(yīng)的信號線有短線。如果這4個(gè)PLC輸入點(diǎn)都沒有變化，那就要檢查24 V是否到發(fā)信盤。同時(shí)也要檢查發(fā)信盤是否有腐蝕現(xiàn)象，必要時(shí)更換發(fā)信盤。

（3）刀架不能鎖緊。發(fā)信盤位置沒有對正，拆開刀架的頂蓋，旋轉(zhuǎn)并調(diào)整發(fā)信盤的位置使刀架的霍爾元件對正磁鐵即可。系統(tǒng)反鎖時(shí)間不夠，調(diào)整系統(tǒng)反鎖時(shí)間參數(shù)。檢查機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)，定位銷是否折斷。

二、長城CK7815意大利BARUFFALDI TS200/12刀塔

公司的長城全功能數(shù)控車CK7815和德馬吉公司的數(shù)控車床CTX310，都是采用的意大利BARUFFALDI TS200/12電動(dòng)刀塔，刀塔采用行星輪系傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高。刀盤無需抬起實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位剎緊控制。這樣可以防止機(jī)床切屑過程中鐵屑、灰塵、切削液等影響精定位端齒盤，從而保證刀架的高定位精度，其外觀見圖2。刀塔可雙向回轉(zhuǎn)和任意刀位就近選刀，大大減少了刀塔轉(zhuǎn)位的輔助時(shí)間。

1.工作原理

圖2 TS200/12刀塔外觀圖

圖3 TS200/12刀塔換刀時(shí)序圖

CK7815數(shù)控車床上轉(zhuǎn)塔換刀過刀架換刀過程要4工位電動(dòng)刀架換刀過程復(fù)雜得多，各部分的動(dòng)作都有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，圖3是CK7815電動(dòng)刀塔換刀時(shí)序圖，當(dāng)PLC應(yīng)用程序接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的換刀指令后，首先根據(jù)當(dāng)前的刀具位置確定出就近旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀具的方向，刀架制動(dòng)松開，啟動(dòng)電機(jī)按判定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測刀位編碼器發(fā)出的實(shí)際刀位信號和選通信號。當(dāng)選通信號由1變?yōu)?，即選通信號下降沿出現(xiàn)，PLC程序控制預(yù)分度電磁鐵通電動(dòng)作，這時(shí)PLC程序監(jiān)控分度開關(guān)的上升沿，直到分度插銷插入機(jī)械停止槽。分度開關(guān)信號的上升沿出現(xiàn)，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)延時(shí)后控制電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)刀塔進(jìn)入鎖緊過程，一旦鎖緊開關(guān)由0變?yōu)?，即鎖緊開關(guān)信號的上升沿出現(xiàn)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)延時(shí)刀塔制動(dòng)，預(yù)分度電磁鐵斷電釋放。為了說明得更清楚明了一些，用圖4流程圖說明整個(gè)換刀過程。

圖4 換刀過程

2.常見故障及診斷

（1）刀塔未鎖緊報(bào)警。這個(gè)報(bào)警在工作中經(jīng)常會(huì)遇到，對這類報(bào)警一般先要判斷，刀塔是否真的沒有鎖緊，這時(shí)可以用手使勁轉(zhuǎn)動(dòng)刀塔，看是否能夠刀塔有晃動(dòng)的現(xiàn)象，如果已經(jīng)鎖緊，檢查PLC刀塔鎖緊信號X6.6，看是否為1，如不為1，則檢查刀塔鎖緊開關(guān)是否損壞或斷線，還有就是檢查鎖緊開關(guān)位置是不是調(diào)整合適。

當(dāng)?shù)端_實(shí)沒有鎖緊或選刀時(shí)不停時(shí)，就要檢查預(yù)分度開關(guān)，可在PLC界面查看X5.7在預(yù)分度電磁鐵動(dòng)作時(shí)，是否有0和1的變化，如果沒有變化，就要檢查預(yù)分度開關(guān)的好壞，在實(shí)際維修過程中，可能會(huì)遇見很多種情況，在一次維修時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)預(yù)分度開關(guān)信號在換刀時(shí)從0到1有，但是在由1到0時(shí)，有時(shí)正常有時(shí)不正常。調(diào)整開關(guān)位置及檢查預(yù)分度電磁鐵等都沒發(fā)現(xiàn)問題，在預(yù)分度電磁鐵下的2個(gè)彈簧長度有些不一樣，試著更換了2個(gè)相同長短的彈簧后，故障消除。還有一次，刀架換刀后常無法鎖緊或出現(xiàn)換刀超時(shí)報(bào)警。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是固定彈簧的銷子松動(dòng)，重新固定后，故障現(xiàn)象消除。另有一次，發(fā)現(xiàn)刀架塔機(jī)在反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能機(jī)械鎖緊，僅正轉(zhuǎn)時(shí)不能鎖緊。檢查后發(fā)現(xiàn)，插銷在反轉(zhuǎn)時(shí)不能插入機(jī)械停止槽內(nèi)。仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)插銷打磨得很厲害。插銷一插入就滑出來，根本無法正常插入機(jī)械停止槽內(nèi)。取下插銷處理后，故障消除。

影響刀架分度定位的主要部件是刀具位置編碼器、分度開關(guān)、預(yù)分度電磁鐵、插銷，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)存在問題，都將影響到刀架的預(yù)定位。在不拆卸轉(zhuǎn)塔刀架的情況下，手動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、制動(dòng)，通斷預(yù)分度電磁鐵24 V直流電源，觀察電機(jī)、制動(dòng)器、電磁鐵、刀具位置編碼器、及插銷的工作情況及信號變化，快速對故障原因做出判斷。

（2）換刀過程中出現(xiàn)空氣開關(guān)跳閘現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況，主要是短路和過載，一般情況是在換刀指令執(zhí)行后，換刀接觸器吸合瞬間跳閘，就要檢查刀塔電機(jī)和電源線是否有短路現(xiàn)象，如果是接觸器工作一段時(shí)間后再跳閘，那可能是電機(jī)缺相或機(jī)械上有卡死現(xiàn)象。

（3）換刀中出現(xiàn)亂刀現(xiàn)象。出現(xiàn)該故障的一般是編碼器故障或編碼器短線，需檢查編碼器。

在維修過程中，可能同一故障原因有不同的表現(xiàn)形式，也有可能同一表現(xiàn)形式由不同的原因造成，這就是對維修人員的考驗(yàn)，只要理解其工作原理，不管是那種刀塔，在實(shí)際維修中，都可以對其故障做到快速準(zhǔn)確判斷。