加工中心用刀庫及換刀裝置的常見故障及維護(hù)方法

朱建國，張海見，夏康俊，李光中，吳明剛

岡田精機(jī)丹陽有限公司，江蘇 丹陽 212300

0 引言

近些年我國加工中心用刀庫及換刀裝置的生產(chǎn)水平取得了長足的進(jìn)步，但是和一些發(fā)達(dá)國家相比，還存在不小的差距，主要體現(xiàn)在可靠性和精度保持性等方面，并且可靠性低已經(jīng)成為制約加工中心用刀庫及換刀裝置競爭力的重要因素。因此，工作人員必須掌握加工中心用刀庫及換刀裝置的常見故障及維護(hù)方法，從而更好的提高刀庫的使用效率。本文主要對刀庫及換刀裝置的安裝調(diào)試技術(shù)、維護(hù)技術(shù)、保養(yǎng)技術(shù)等進(jìn)行介紹。

1 刀庫及換刀裝置安裝調(diào)試技術(shù)

刀庫動(dòng)作調(diào)試之前，需要事先檢查機(jī)床鈑金是否干涉，自動(dòng)門運(yùn)行平穩(wěn)，無卡頓現(xiàn)象，相關(guān)信號要穩(wěn)定可靠。

1.1 刀庫整體安裝及水平調(diào)試

刀庫整體安裝前需清理各安裝面，如落地需安裝先做好埋地螺栓及墊鐵。刀庫對應(yīng)的刀庫支架落放到位后，首先用安裝螺釘將支架與機(jī)床床身的安裝面貼平，要求：0.02mm塞尺檢測不入。其次在刀庫支架安裝面上放置水平儀觀察上安裝面的水平誤差，通過調(diào)整地腳墊鐵使刀庫支架水平到位，檢測要求為：水平儀偏差在1格以內(nèi)時(shí)可以鎖緊螺釘，調(diào)整時(shí)要求地腳均勻受力，水平儀在刀庫支架橫向放置，螺釘鎖緊時(shí)檢查水平儀是否變化，如變化需重新調(diào)整。待上述程序完成以后，將刀庫落放到位，螺釘鎖緊即可[1]。

1.2 校刀

在調(diào)整刀庫之前，首先將主軸上其中一個(gè)定位鍵拆除，并將另一個(gè)鍵轉(zhuǎn)至下端位置。然后旋轉(zhuǎn)換刀臂，使得換刀臂橫置在主軸前端，再將表吸在主軸上，用表頭打換刀臂后表面，表一端歸零，手搖主軸箱確認(rèn)換刀臂平面與Y軸平行與否，要求0.01/100，若不滿足則需要調(diào)整刀庫底座。

首先將機(jī)床的Z軸回零，將Y軸搖至機(jī)床最下端的位置，并分別在機(jī)床的主軸上裝上錐柄，要求BT50系列刀柄與主軸端面之間的間隙在0.5～0.6mm之間，并使用塞尺進(jìn)行檢測。再在換刀臂上裝上環(huán)，來確保刀庫換刀臂旋轉(zhuǎn)至主軸正前方的時(shí)候后不會觸碰到主軸，然后分別用手脈將機(jī)床的Z軸和Y軸搖向刀臂，在錐柄和環(huán)之間插入檢棒，要求主軸中心與刀庫換刀臂中心同心度0.10mm，若同心度滿足，則可進(jìn)行下一步；若不滿足，則需要調(diào)節(jié)刀庫前后左右的位置，直至換刀臂與主軸的同心度在0.10mm以內(nèi)，即檢棒可以順利的插入錐柄孔內(nèi)。

完成校對后，可卸下校刀器，在換刀臂上裝上標(biāo)準(zhǔn)的刀柄，并將刀柄搖至水平位置，后用手脈移動(dòng)Z軸，將刀柄緩慢進(jìn)入主軸的錐孔，然后手動(dòng)摁下抓刀按鈕，用塞尺檢測，確保刀柄和主軸端面之間的距離在0.10～0.20mm之間即可，系統(tǒng)記錄此時(shí)Y軸和Z軸的坐標(biāo)值，設(shè)置參數(shù)即換刀坐標(biāo)系（第二參考點(diǎn)）。

完成上述動(dòng)作后，將刀庫與刀庫支架、刀庫支架與機(jī)床床身、刀庫調(diào)整塊的鎖緊螺釘分別用標(biāo)準(zhǔn)扭力鎖緊，并作紅色標(biāo)記。

1.3 主軸定位鍵參數(shù)設(shè)定

刀庫的機(jī)械安裝完成后，還需要對主軸的定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如FANUC系統(tǒng)，需要將系統(tǒng)界面調(diào)整到參數(shù)445界面，換刀臂扣刀爪裝夾環(huán)，順時(shí)針及逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，使主軸定位鍵和環(huán)上定位鍵槽接觸，并記錄相應(yīng)的S1數(shù)值；將兩次測量的S1數(shù)值取平均值，并設(shè)置到參數(shù)4077中。上述參數(shù)設(shè)置完成后，先用手動(dòng)方式進(jìn)行換刀，檢查刀套倒刀、換刀機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)換刀、主軸抓松刀等動(dòng)作無誤后，開始進(jìn)行CNC自動(dòng)程序控制。試換刀數(shù)次后，確認(rèn)一切正常后，進(jìn)行跑刀庫測試。

1.4 刀庫控制系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)早期試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)，刀庫及機(jī)械手故障統(tǒng)計(jì)中電氣控制故障一般在系統(tǒng)總故障的1/4以上，影響電氣控制可靠性的因素有CNC系統(tǒng)、檢測元件、電氣控制線路及控制程序等。其中控制程序反映了刀庫機(jī)械手換刀的綜合邏輯要求，是可靠性影響因素的重要方面之一[2]。

在刀庫控制過程中，PLC程序經(jīng)內(nèi)部邏輯運(yùn)算確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)就近選刀。刀庫旋轉(zhuǎn)定位使用伺服馬達(dá)或普通馬達(dá)加機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，分析產(chǎn)品廠家說明書及結(jié)構(gòu)，使用PLC邏輯完成刀庫選刀與刀套定位、刀套翻轉(zhuǎn)與機(jī)械手換刀、刀庫控制動(dòng)作時(shí)序、控制程序設(shè)計(jì)等來完成整個(gè)換刀動(dòng)作。

1.5 刀庫控制程序可靠性保障措施

首先需要縮短控制程序執(zhí)行周期及信號處理時(shí)間，提高系統(tǒng)靈敏度，選擇軟件避錯(cuò)設(shè)計(jì)理論式軟件可靠性設(shè)計(jì)作為首要方法，其基本原則式控制和減少程序的復(fù)雜性，在滿足換刀要求前提下盡可能設(shè)計(jì)簡單，縮短程序處理時(shí)間。

其次進(jìn)行輸入輸出信號處理，靈活多變的I/O信號是多發(fā)故障源，采用故障隔離技術(shù)，程序中加入處理模塊提高信號穩(wěn)定性。

然后是報(bào)警、提示信息功能制作。軟件查錯(cuò)設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)中賦予程序某些特殊功能，使程序在運(yùn)行中自動(dòng)查找錯(cuò)誤，換刀控制程序執(zhí)行過程中如若遇到故障，如選刀指令出錯(cuò)、機(jī)械手信號未到位、機(jī)械手動(dòng)作超時(shí)等，報(bào)警、提示信息就能幫助我們快速查找原因，提高系統(tǒng)可靠性。

因此在實(shí)際工作中，了解和熟悉數(shù)控系統(tǒng)豐富的操作功能外，日常的維護(hù)和細(xì)致的工作態(tài)度也是至關(guān)重要，這樣對外圍故障的判斷和排除也是有著事半功倍的作用。由于西門子系統(tǒng)應(yīng)用較廣，功能強(qiáng)大，只有掌握好系統(tǒng)應(yīng)用與機(jī)床的操作才能深入研究其功能，才能做好系統(tǒng)調(diào)試維修工作，充分發(fā)揮出數(shù)控加工中心的價(jià)值。

1.6 安裝調(diào)試注意事項(xiàng)

安裝調(diào)試過程中需要對以下事項(xiàng)進(jìn)行檢查。①檢查刀庫各部件螺絲及零件，查看是否有松脫或碰撞損毀，若有則請將其固定牢靠或視毀損情況修護(hù)及更換新品零件。②核對刀庫與主機(jī)的立柱及各個(gè)部位是否會造成干涉的情形；之后檢查電磁閥，近接開關(guān)所需的電壓，檢查接線條件是否與主機(jī)的控制系統(tǒng)兼容；然后須注意安裝過程控制組件的導(dǎo)線，避免受損。③將刀庫與主機(jī)結(jié)合，并校正刀臂與刀軸的相關(guān)位置；之后依據(jù)使用說明書將各項(xiàng)控制組件和主機(jī)上相關(guān)鏈接點(diǎn)作聯(lián)機(jī)，動(dòng)作前須檢查線路與位置，確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。④運(yùn)轉(zhuǎn)的初期盡量采用單步動(dòng)作，再逐步增加每一單步之間的連貫性，若單步間如有動(dòng)作不順即應(yīng)立刻停機(jī)，避免造成幾件的損壞；在每一相連的步驟間，如有需要請給予時(shí)間延時(shí)。⑤連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)請注意動(dòng)作牽制的保護(hù)措施有無遺漏的地方，并根據(jù)接線圖接線，了解換刀動(dòng)作順序，最后根據(jù)時(shí)序圖編寫換刀程序[3]。

1.7 使用要求

在完成安裝調(diào)試之后，在使用過程中一樣需要注意以下事項(xiàng)。①換刀機(jī)構(gòu)油位，確保油位在靠近油鏡中心紅點(diǎn)上下附近，最低油位不可低于油鏡可見范圍。②電壓，在刀庫配線接上電源前，先檢查馬達(dá)已接好的電壓值是否與主機(jī)電壓匹配。③換刀機(jī)構(gòu)原點(diǎn)位置，換刀機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作時(shí)應(yīng)在原點(diǎn)啟動(dòng)，如換刀機(jī)構(gòu)停留點(diǎn)不在原點(diǎn)位置，處理時(shí)必須先切斷主機(jī)電源手動(dòng)旋轉(zhuǎn)換刀機(jī)構(gòu)馬達(dá)，使信號回復(fù)到原點(diǎn)位置。④刀具，確保刀具規(guī)格、重量與長度滿足刀庫容許的最大規(guī)格、重量和長度要求。刀具應(yīng)置放于刀套前，并要保證拉釘擰到刀柄上之后刀柄大端到拉釘?shù)某叽纾ˋ）符合機(jī)床的要求。⑤換刀位置精度，刀具在主軸端換刀位置時(shí)，刀臂刀柄位置中心與主軸中心同軸度應(yīng)在φ0.02mm之內(nèi)。⑥外接氣源的流量和壓力需確保氣壓穩(wěn)定，壓力控制在0.5～0.6Mpa之間，氣體中不能含有水分。⑦潤滑，刀庫運(yùn)動(dòng)部件需添加通用鋰基潤滑脂3#進(jìn)行潤滑[4]。

換刀機(jī)構(gòu)（ATC）應(yīng)使用清潔潤滑油，不可使用回收油，建議采用表1中的潤滑油。

表1 換刀機(jī)構(gòu)建議用油

2 刀庫及換刀裝置維護(hù)技術(shù)

刀庫的使用維護(hù)對刀庫的運(yùn)行可靠性也至關(guān)重要，通過系統(tǒng)二次開發(fā)，提醒客戶對刀庫日常維護(hù)事項(xiàng)，包括：定期潤滑油更換、常見故障的處理方案和步驟等。通過故障統(tǒng)計(jì)及分析，統(tǒng)計(jì)如下問題及處理方法。

2.1 刀套破裂

刀套破裂是指儲存刀具的刀套發(fā)生塑性破裂，損壞了其本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

問題原因：刀套在尚未水平定位之前，刀庫刀鏈開始旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致刀套擠破。

處理辦法：檢查倒刀氣缸上面行程開關(guān)的信號位置是否正確。如果是因?yàn)樾盘柼崆?，將行程開關(guān)稍微向下調(diào)整，調(diào)整至刀套水平定位后行程開關(guān)感應(yīng)到信號。

2.2 亂刀

亂刀是指刀庫所選刀具與實(shí)際需要刀具刀號不符，其常見原因有如下兩種，如下所示。

問題原因1：刀庫參數(shù)表錯(cuò)亂。

處理辦法：查驗(yàn)刀具表，將參數(shù)表中刀具參數(shù)與實(shí)際的刀庫的參數(shù)進(jìn)行對比，正常情況下表內(nèi)的參數(shù)值應(yīng)當(dāng)是1～n+1個(gè)不同的參數(shù)值，且排列是無序的，但是一個(gè)都不少，不重復(fù)，如果發(fā)現(xiàn)有重復(fù)或者有缺失，則說明參數(shù)表有問題，需要進(jìn)行排刀。D0000設(shè)為主軸刀號的存放地址，D0001-D00n為1-n個(gè)刀套，地址表示刀套編號，是一直不變的，可存放任意編號的刀具，而表內(nèi)的數(shù)據(jù)是隨換刀的過程而變化的，就是從刀庫中被選中裝入主軸的刀具號。

問題原因2：信號錯(cuò)誤。

處理辦法：檢查刀庫數(shù)數(shù)刀開關(guān)是否正常，檢查得電是否和刀套轉(zhuǎn)動(dòng)一致，得電次是否和系統(tǒng)中計(jì)數(shù)器數(shù)值是否符合。如不正常，更換刀庫數(shù)刀開關(guān)。另機(jī)床周邊不得有焊接等產(chǎn)生強(qiáng)磁場影響開關(guān)功能。

2.3 鏈?zhǔn)降稁戽湕l伸長

鏈條伸長是指鏈?zhǔn)降稁齑娣诺毒叩逆湕l結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。

問題原因：刀具放置不當(dāng)或長時(shí)間使用后導(dǎo)致鏈條疲勞拉長。處理辦法：這類故障可以調(diào)節(jié)刀庫本體惰性輪上的調(diào)節(jié)螺釘來解決問題。

2.4 掉刀

掉刀是指刀具從刀庫工作流中因意外因素掉落的現(xiàn)象，其常發(fā)生在換刀、倒刀的工作過程中。換刀時(shí)掉刀問題原因及處理方法如表2所示。

表2 換刀期間掉刀原因及處理方法

倒刀時(shí)掉刀問題原因及處理方法如表3所示。

表3 倒刀時(shí)掉刀原因及處理方法

2.5 卡刀

卡刀是指在刀庫使用期間發(fā)生刀具運(yùn)行不暢、發(fā)生卡頓的現(xiàn)象，其常常發(fā)生倒/回刀過程中、刀庫無法運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候。倒/回刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作不暢問題原因及處理方法，如表4所示。

刀庫無法運(yùn)轉(zhuǎn)問題原因及處理方法，如表5所示。

表5 刀庫無法運(yùn)轉(zhuǎn)問題原因及處理方法

刀臂無法旋轉(zhuǎn)問題原因及處理方法，如表6所示。

表6 刀臂無法旋轉(zhuǎn)問題原因及處理方法

3 刀庫及換刀裝置保養(yǎng)技術(shù)

刀庫及換刀裝置由于其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在諸多因素的影響下可能出現(xiàn)各種故障，需要操作者在使用過程中熟悉整個(gè)動(dòng)作流程、了解各個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)系邏輯，耐心排查，并在日常維護(hù)與保養(yǎng)中做到以下幾點(diǎn)：（1）為防止在機(jī)械手換刀時(shí)發(fā)生碰撞，禁止將超重、超長的刀具裝進(jìn)刀庫；（2）經(jīng)常手動(dòng)松拉刀，清潔主軸的錐孔；（3）注意保持刀具刀柄和刀套的清潔；（4）檢查機(jī)械手鎖刀舌是否正常；（5）經(jīng)常檢查刀庫回零位置是否正確，檢查機(jī)床主軸回零點(diǎn)位置是否到位；（6）檢查刀庫各個(gè)部件是否正常，關(guān)鍵零件是否損壞；（7）檢查換刀機(jī)構(gòu)各部油量是否充足，及時(shí)補(bǔ)充更換液壓油；（8）檢查打刀缸打刀量是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)調(diào)整；（9）經(jīng)常檢查刀具、拉釘?shù)囊?guī)格，禁止使用非標(biāo)刀具、拉釘；（10）刀具存放刀庫應(yīng)均布，盡量減少偏載；（11）對重型刀具，降低機(jī)械手轉(zhuǎn)速，定時(shí)檢查刀庫及換刀裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和定位精度，調(diào)節(jié)鏈條的松緊、查看復(fù)合凸輪、錐齒輪是否磨損嚴(yán)重；（12）為保證氣缸或油缸可靠工作，刀庫油泵壓力應(yīng)保持5.5～6.5Mpa，氣壓在0.5～0.6Mpa[5]。

4 結(jié)語

刀庫及換刀裝置是加工中心的重要組成部分，兼具高速、高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。尤其是在刀庫及換刀裝置使用日益增長的今天，顯得專業(yè)安裝調(diào)試、維護(hù)、保養(yǎng)技術(shù)更加重要。所以說，相關(guān)的專家學(xué)者要對其進(jìn)行更加深入的研究及分析，探尋更加簡單、快捷、準(zhǔn)確的故障處理及維護(hù)技術(shù)，使其更好地服務(wù)于機(jī)械制造業(yè)，切實(shí)推動(dòng)我國加工中心機(jī)床產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展，邁向世界一流水平。