數(shù)控車床四方刀架的故障診斷與維修

唐 靜

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

數(shù)控車床四方刀架的故障診斷與維修

唐 靜

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

為了盡快診斷與維修數(shù)控車床四方刀架的故障，基于SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)的CK0625數(shù)控車床為例，介紹了其四方刀架的結(jié)構(gòu)和工作原理、相關(guān)的CNC參數(shù)和PLC程序，闡述了四方刀架常見故障的類型和診斷方法，列舉了四方刀架常見的故障現(xiàn)象，分析了各個故障的可能原因，提出了各類故障的具體維修方法，為類似刀架的故障診斷與維修提供參考。

數(shù)控車床； 四方刀架； 故障

數(shù)控車床是目前國內(nèi)使用量最大、覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床。使用方便、通用性強的四方刀架是數(shù)控車床中典型的自動換刀裝置，其應(yīng)用廣泛，也較容易出現(xiàn)故障。一旦出現(xiàn)故障，數(shù)控車床將無法正常工作，直接影響企業(yè)正常的生產(chǎn)活動[1]。

1 四方刀架的結(jié)構(gòu)和原理

數(shù)控車床常用的四方刀架包括機械本體、霍爾傳感器和刀架電動機。四方刀架的故障率較高，大部分學(xué)者或技術(shù)人員都在機械結(jié)構(gòu)或電氣控制方面做診斷與維修[2，3]，其實在深入理解了四方刀架相關(guān)的CNC參數(shù)和PLC程序后，還可以從軟件維修角度更安全、更靈活地解決一些故障。基于SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)的CK0625數(shù)控車床，其四方刀架的霍爾傳感器將檢測到的刀架信號輸入數(shù)控系統(tǒng)的X101接口，刀架電動機的正、反轉(zhuǎn)信號由X200接口輸出，具體地址分配如表1所示。

四方刀架的工作原理如圖1所示，四個霍爾傳感器檢測到的刀架信號(I1.0～I1.3)經(jīng)過軟件濾波處理后給控制刀架動作的PLC程序；CNC對輸入的T指令進行譯碼，在CNC參數(shù)和PLC程序的聯(lián)合控制下，通過PLC程序輸出軟件濾波處理后的刀架電動機正、反轉(zhuǎn)控制信號(Q0.4、Q0.5)來完成自動換刀動作。如果刀架系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將不能完成正確的換刀動作，CNC屏幕有時會出現(xiàn)PLC程序激活的用戶報警。

表1 四方刀架地址分配表

圖1 四方刀架的工作原理

輸入T指令后，四方刀架正確換刀的過程分為三步：① 刀架電動機正轉(zhuǎn)，刀架抬起。當(dāng)?shù)都茈妱訖C正轉(zhuǎn)時，通過蝸桿和蝸輪機構(gòu)將驅(qū)動傳遞給絲杠，刀架體的內(nèi)孔加工有內(nèi)螺紋，絲杠軸頭固定裝有刀架轉(zhuǎn)位定位銷盤，隨著絲杠的轉(zhuǎn)動，刀架體內(nèi)彈簧定位銷入位，刀架體向上移動，刀架抬起。② 刀架電動機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，刀架換位。當(dāng)?shù)都荏w抬起一定距離后，刀架體上的端面齒和刀架底座上的端面齒脫開，然后通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠轉(zhuǎn)動、刀架轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)換刀。③ 刀架電動機反轉(zhuǎn)，刀架鎖緊。在上述刀架換位的過程中，霍爾傳感器會實時檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)到加工位的刀位號，并將檢測到的刀位號和T指令的刀位號相比較。如果檢測到的刀位號和T指令的刀位號一致，刀架電動機將變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，并驅(qū)動絲杠反轉(zhuǎn)、刀架體向下移動，完成刀架鎖緊及整個換刀過程。

2 相關(guān)CNC參數(shù)和PLC程序

基于SINUMERIK 802C的CK0625數(shù)控車床，其與四方刀架相關(guān)的CNC參數(shù)及其對應(yīng)的PLC的V變量如表2所示。

四方刀架的PLC程序包括主程序段、刀架子程序和濾波子程序，主程序段如圖2所示。表2中的CNC參數(shù)，有的直接作為刀架子程序調(diào)用參數(shù)(如14510[20])；有些經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后作為調(diào)用參數(shù)(如14510[21]、14510[22])；還有些用來完成軟件濾波處理(如14512[1]～14512[6])。四個刀架信號輸入給數(shù)控系統(tǒng)的I1.0～I1.3，I1.0～I1.3的邏輯值先與CNC參數(shù)145112[3].0～145112[3].3的邏輯值進行“異或”運算，運算結(jié)果再與CNC參數(shù)145112[1].0～145112[1].3的邏輯值進行“與”運算，最終結(jié)果存放在中間寄存器M101.0～M122.0中。上述邏輯運算通過濾波子程序來完成。同理，刀架電動機的轉(zhuǎn)向信號，由中間寄存器M102.4和M102.5經(jīng)過與相關(guān)CNC參數(shù)的“異或”運算、“與”運算后輸出控制Q0.4和Q0.5。因此，主程序段中的M101.0～M101.3作為四方刀架信號傳遞給刀架控制子程序，沒有直接用X101接口的I1.0～I1.3；刀架控制子程序的返回值先給M102.4和M102.5作為刀架電動機的轉(zhuǎn)向信號，沒有直接用X200接口中的Q0.4和Q0.5。此外，圖2中的ERR1～ERR4是四方刀架的用戶報警，其中ERR1～ERR3可以激活用戶報警號700023～700025。

表2 CNC參數(shù)及對應(yīng)的V變量

圖2 四方刀架系統(tǒng)的主程序段

3 常見故障的診斷與維修

基于SINUMERIK 802C的數(shù)控四方刀架，其常見故障可以分為機械故障、CNC參數(shù)設(shè)置故障和電氣故障三大類。機械故障一般為刀架卡死或鎖不緊；CNC參數(shù)的正確設(shè)置說明如表2所示；電氣故障占多數(shù)，常見的有刀架不能動作、刀架旋轉(zhuǎn)不停等。常見故障的診斷與維修步驟如下：① 分析故障原因。不同的故障原因可能導(dǎo)致同一故障現(xiàn)象發(fā)生，維修人員可以根據(jù)用戶報警信息或“問、聽、觸、聞、嗅”等診斷手段來分析故障原因[3]。② 判斷故障類型。利用“先機后電、查看參數(shù)、信號監(jiān)測”等方法，判斷是機械故障、CNC參數(shù)設(shè)置故障，還是電氣故障。③ 確定故障點并排故。若上一步判斷是機械故障，則進行刀架的機械測試與維修；若是CNC參數(shù)設(shè)置故障，則根據(jù)實際的刀架技術(shù)參數(shù)來修改CNC參數(shù)；若是電氣故障，則需要進一步確定是信號問題，還是電氣線路或元器件故障。電氣故障可以從硬件或軟件兩個角度去考慮維修。有時直接修改PLC程序的軟件維修方案更安全、更快捷。若是兩處或兩處以上故障，可以用上述方法分別排除。四方刀架常見的故障診斷與維修案例如下：

故障現(xiàn)象1：輸入T指令后不換刀，出現(xiàn)700025的用戶報警。故障原因分析：700025的用戶報警信息是“刀架無位置檢測信號”，該故障可能是電氣故障中的信號問題，也可能是CNC參數(shù)設(shè)置問題。故障診斷與維修：① 先檢查CNC參數(shù)14512[1]和14512[3]低四位值的設(shè)置值，確保刀架信號能夠有效輸入，且連接類型正確。② 排除了CNC參數(shù)設(shè)置的問題后，可以通過SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)的界面監(jiān)測四個霍爾傳感器的狀態(tài)(根據(jù)表1的地址分配，監(jiān)測IB1)，如果某個刀架信號不正確，即由X101接口對應(yīng)的接線端子依次去檢查對應(yīng)的硬件接線電路，直至對應(yīng)的霍爾傳感器。最終，確定故障點并排故，這類故障只能硬件維修。

故障現(xiàn)象2：換刀時，刀架電動機一直正轉(zhuǎn)，最終出現(xiàn)700024的用戶報警。故障原因分析：在CNC參數(shù)14510[21]規(guī)定的監(jiān)控時間內(nèi)，未完成換刀操作?？赡艿墓收显蛴袃深悾阂皇荂NC參數(shù)的設(shè)置故障，二是電氣故障。故障診斷與維修：① 根據(jù)四方刀架的型號和技術(shù)參數(shù)，確保14510[21]設(shè)置的時間足夠完成換刀，參與濾波處理的14512[1]和14512[3]的低四位邏輯值設(shè)置正確，這樣可以排除CNC參數(shù)的設(shè)置故障。② 通過數(shù)控系統(tǒng)的界面監(jiān)測四個霍爾傳感器的信號狀態(tài)，之后的解決方法同故障現(xiàn)象1。

故障現(xiàn)象3：換刀完成后，實際的刀位與T指令要求的刀位不一致。故障原因分析：四個霍爾傳感器接入X101時，與表1中的輸入信號地址沒有一一對應(yīng)。故障診斷與維修的方案有兩種：① 硬件維修。調(diào)整硬件接線，確保刀架信號T1接到I1.0、刀架信號T2接到I1.1、刀架信號T3接到I1.2、刀架信號T4接到I1.3。② 軟件維修。不改變硬件接線，上傳CNC系統(tǒng)內(nèi)的PLC程序，在圖2所示的主程序段中，調(diào)整四個刀架信號的輸入?yún)?shù)，確保M101.0～M101.3和實際硬件接線相互匹配，最終將PLC程序下載至數(shù)控系統(tǒng)即可。

故障現(xiàn)象4：執(zhí)行換刀指令時，能聽到接觸器“啪”的吸合聲音，但無任何換刀動作。故障原因分析：一是機械故障中的刀架機械卡死，可以手動旋轉(zhuǎn)刀架、觀察能否正常轉(zhuǎn)動；二是電氣故障，刀架電動機可能斷相或轉(zhuǎn)向接反。若刀架電動機斷相，則刀架電動機不動作、不發(fā)熱；若轉(zhuǎn)向接反，換刀時就直接反轉(zhuǎn)鎖緊，也無任何換刀動作，但是電動機會被堵轉(zhuǎn)、會發(fā)熱。故障診斷與維修：① 先手動旋轉(zhuǎn)刀架，觀察能否正常轉(zhuǎn)動。若刀架不能正常轉(zhuǎn)動，則是機械卡死故障，可以使用內(nèi)六角扳手轉(zhuǎn)動蝸桿端部的內(nèi)六角孔，手動進行轉(zhuǎn)位和鎖緊測試，若存在故障只需更換或修配相應(yīng)的零部件即可。② 若手動旋轉(zhuǎn)刀架時，刀架能正常轉(zhuǎn)動，則可以判斷為電氣故障。用手觸摸刀架電動機是否發(fā)熱，或使用萬用表測量電動機的電源電壓，可以進一步確定是電動機斷相還是轉(zhuǎn)向接反的故障。若是刀架電動機斷相，則檢測各電源接線。若是轉(zhuǎn)向接反，也有兩種維修方案：一是硬件維修，對調(diào)刀架電動機的兩根電源進線；二是軟件維修，將圖2所示的主程序段中的刀架電動機轉(zhuǎn)向信號M102.4和M102.5交換，直接修改PLC程序也可以完成故障維修。

4 結(jié)束語

數(shù)控車床四方刀架的故障診斷與維修，建立在對刀架系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和硬件電路熟悉，對相關(guān)CNC參數(shù)和PLC程序理解的基礎(chǔ)上。首先，維修人員要熟悉四方刀架常見的故障現(xiàn)象及其可能產(chǎn)生的原因；其次，能根據(jù)故障現(xiàn)象盡快判斷故障類型；再次，能多角度地考慮和選擇故障的維修方案；最后，能思路清晰地快速完成維修工作，并積累經(jīng)驗，爭取做到舉一反三。

[1] 李和明. 數(shù)控四方刀架原理分析與快速故障診斷方法[J]. 機床與液壓，2011(8)：193-196.

[2] 喻步賢.數(shù)控車床的電動刀架故障診斷與維修[J].機床與液壓，2013(11)：160-162.

[3] 申桂香，李懷洋，張英芝. 數(shù)控車床刀架系統(tǒng)故障分析[J]. 機床與液壓，2011(19)：126-129.

[責(zé)任編輯：李娟]

Fault Diagnosis and Maintenance of the CNC Lathe Quartet Tool Turret

TANG Jing

(School of Mechanical and Electrical Engineering， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

To diagnose and maintain the trouble of quartet tool turret of a CNC lathe as soon as possible， this paper introduces the structure and working principle， related CNC parameters and PLC program of the quartet tool turret. The article describes the common fault types and diagnosis methods， lists the common fault phenomena of quartet tool turret， and analyzes the possible causes of each fault phenomenon， puts forward the specific maintenance method of each fault to provide reference for fault diagnosis and maintenance of the similar tools.

CNC lathe; quarter tool turret; fault

TG 519.1

A

1672-2434(2017)05-0026-03

2017-06-14

唐 靜(1981-)，女，講師，從事研究方向：數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機械故障診斷