第27 卷第1期2 0 0 9 年1 月西安航空技术高等专科学校学报Journal of Xi an Aerotechnical CollegeVol 2 7 No 1Jan . 2 0 0 9 自动换刀装置控制原理及故障分析罗庚合1, 黄万长2( 1. 西安航空技术高等专科学校机械工程系, 陕西西安710077; 2. 陕西法士特齿轮有限公司, 陕西西安710077)摘要: 加工中心自动换刀装置提高了数控机床的加工效率, 但由于加工中心换刀装置的动作控制比较复杂, 包含机械、电气与PM C、液压和检测等技术, 所以自动换刀装置的故障率比较高, 主要介绍自动换刀装置的类别和控制,自动换刀装置的故障诊断方法, 列举了自动换刀装置的一些常见故障及维修示例。

关键词: 加工中心; 选刀; 刀具交换; 乱刀与掉刀; PM C 诊断; I/ O 状态诊断中图分类号: T H161+ . 21 文献标识码: A 文章编号: 1008- 9233( 2009) 01- 0014- 051 引言4、6、8、12 工位, 有用电动机驱动的正传和反转, 也有用液压系统通过电磁换相阀和顺序阀进行控制加工中心可分为车削中心、镗铣中心和钻削中心等, 加工中心在加工过程中, 要使用多种刀具, 因此必须有自动换刀装置, 以便选择不同刀具, 完成不同工序的加工工艺。

常用的刀库形式有圆盘式刀库, 链式刀库, 格子盒式刀库。

按有无机械手又可分为不带机械手的自动换刀装置和带机械手的自动换刀装置。

按刀库的旋转和机械手的动作驱动方式可分为有液压、气动控制系统和电气与机械联合控制的驱动系统。

随着加工中心数控机床的普及和应用, 自动换刀装置控制过程中的故障率也比较高。

由于自动换刀装置结构比较复杂、控制为机、电、液联合控制, 复杂系数高等原因。

所以加工中心自动换刀装置的故障维修比较困难。

简要叙述换刀装置的分类和特点, 以立式镗铣中心普遍使用的圆盘式加工中心自动换刀装置为例, 分析自动换刀装置的控制原理及常见故障的维修方法。

的, 但都是机床接收到换刀指令后, 使刀架抬刀、转位、比较后, 落刀锁紧等一系列动作完成。

2. 2 有刀库无机械手的自动换刀装置无机械手换刀装置一般把刀厍放在主轴箱可以移动到的位置, 即整个刀库或刀库的某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。

刀库中刀具的存放方向一般与主轴箱的装刀方向一致。

换刀时通过主轴和刀库的相对运动执行换刀动作, 利用主轴取走或放回刀具。

图 1 所示为有刀库无机械手的自动换刀装置的加工中心的示意图。

图 2 所示为如图1( a) 所示的卧式加工中心无机械手换刀装置的换刀过程图2( a) 表示上工步结束后, 主轴准停定位, 主轴箱上升。

图2( b) 表示主轴箱升到顶部换刀位置, 刀具进入刀库的交换位置空位。

刀具被刀库上的夹爪固定, 主轴上的刀具自动夹紧装置松开。

图2( c) 表示刀库前移, 从主轴孔中把要更换的刀具拔出。

2 换刀装置的分类和控制图2( d) 表示刀库转位, 根据程序把下一工序要用的刀具转换到换刀位置, 同时主轴孔清洁装置清洁主自动换刀装置根据组成结构可分为回转式、有和无机械手带刀库的自动换刀装置。

轴上的刀具孔。

图2( e) 表示刀库后退, 把需要的刀具插入主轴孔, 主轴上的刀具夹紧装置把刀具夹紧。

2. 1 回转刀架式自动换刀装置回转刀架式自动换刀装置常用于数控车床, 有图2( f) 表示主轴箱下降到工作位置, 开始进行下一步工作。

收稿日期: 2008- 04- 12作者简介: 罗庚合( 1962- ) , 男, 陕西省西安市人, 西北工业大学电气自动化专业毕业, 现任西安航专机电教研室主任、副教授。

第1 期罗庚合, 等: 自动换刀装置控制原理及故障分析15无机械手换刀装置的优点是结构简单, 成本低, 换刀可靠性也较高。

其缺点是由于结构所限, 刀库的容量不大, 且换刀时间较长( 一般需要10- 20s) 。

因此, 多为中、小型加工中心所采用。

通过圆柱凸轮12、杠杆13 使机械手下降, 进行拔刀控制, 机械手完成拔刀后, 换刀电动机10 继续运转, 连续完成下一个换刀动作。

2. 3 有刀库有机械手的自动换刀装置有机械手换刀装置一般由机械手和刀库组成。

其刀库的配置、位置及数量的选用要比无机械手换刀装置灵活得多。

它可以根据不同的要求配置不同形式的机械手, 可以采用单臂、双臂机械手, 或采用配置主机械手和辅助机械手的形式。

它能够配备多至数百把刀具的刀库, 换刀时间可以缩短到几秒甚至零点几秒。

因此目前大多数加工中心都配有带机械手的换刀装置。

由于刀库位置和机械手换刀动作的不同, 所以自动换刀装置的结构形式也多种多样。

图1 无机械手的加工中心换刀装置( 1) BT 50- 24TOOL 圆盘式刀库结构简图如图3 所示。

自动刀具交换动作步骤如下:( 1) 程序执行到选刀指令T 码时, 系统通过方向判别后, 控制刀库电动机 1 正转或反转, 刀库中刀位计数开关 2 开始计数( 计算出到达换刀点的步数) , 当刀库上所选的刀具转到换刀位置后, 旋转刀库电动机立即停转, 完成选刀定位控制。

( 2) 当T 码执行后, 倒刀电磁阀线圈获电, 气缸推动选刀的刀杯向下翻转90 ( 倒下) , 倒刀到位检测信号开关8( 磁环开关) 发出信号, 完成倒刀控制,图2 无机械手加工中心的换刀过程示意图同时这个信号还是交换刀具的开始信号。

( 3) 执行到交换刀具指令, 交换刀具指令一般为图3 BT 50- 24T OO L 圆盘式刀库结构简图1- 刀库旋转电动机2- 刀岸刀位计数开关( 接近开关) 3- 刀库刀位复位开关( 接近开关) 4 - 刀库的刀座5- 机械手换刀M 06( 实际是调换刀宏程序或换刀子程序) , 首先主电动机停止开关6- 机械手加扣刀定位开关7 - 机械手原点轴自动返回换刀点( 一般是机床的第二参考点) , 且确认开关8 - 倒刀气缸缩回定位开关9- 回刀气缸伸出定位实现主轴准停, 然后换刀电动机10 起动运行, 通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17 带动机械手从原位逆时针旋转 60 , 进行机械手抓刀控制, 当机械手 扣刀定位开关 6 发出到位信号后, 换刀电动机 10 立 即停止, 主轴刀具夹紧装置自动松开。

( 4) 主轴刀具松开后, 换刀电动机 10 起动运行,开关 10- 机械手 换刀电动机 11- 机械手 12- 圆 柱凸轮 13- 杠杆 14- 锥齿轮 15- 凸 轮滚子 16 - 主轴箱 17- 十 字轴 18- 刀套( 5) 当机械手完成拔刀控制后, 通过锥齿轮 14、 凸轮 滚子 15、十字 轴 17 带 动机 械手 逆 时针 旋转 180 , 使主轴刀具与刀库刀具交换位置。

然后通过16 西安航空技术高等专科学校学报第27 卷圆柱凸轮12、杠杆13 使机械手上升, 把交换后的刀具插入主轴锥孔和刀库的刀套中。

机械手完成插刀后, 换刀电动机停止开关5( 接近开关) 发出信号使电动机立即停止。

刀具插入主轴锥孔后, 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。

( 6) 当机械手扣刀到位检测信号开关6( 接近开关) 再次接通后, 换刀电动机10 起动运行, 通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17 带动机械手顺时针转动60 , 回到机械手的原点位置。

机械手原位到位开关7 接通后, 换刀电动机10 立即停止。

( 7) 当机械手回到原位后, 机械手原位到位开关7( 接近开关) 接通, 回刀电磁阀线圈获电, 气缸推动刀杯向上翻转90 , 为下一次选刀做准备。

回刀气缸伸出定位开关9( 磁环开关) 接通, 完成整个换刀控制。

显示器将会显示PM C 中存储器对应地址单元的数据信息, 可以按相应的X、Y、G、F 和R、D 等地址单元就可以观察其内容, 我们可以根据数控机床电气控制原理图中提供的X、Y 信息观察机床侧的开关、按钮和传感器等状态, 并可利用观察Y 的信息状态X 分析故障在机床侧还是数控系统内部, 当然可以通过FANUC 0i 系统提供的F、G 信号的意义, 确定数控机床的故障在CNC 侧还是在机床侧等。

如通过观察F7. 3 就可以知道是否执行换刀指令, 通过观察X2. 1 的变化就可以确定刀库计数开关的工作是否正常, X2. 0 刀库定位开关是否到位,通过观察Y8. 1 和Y8. 2 就可以确定电机转动的方向, 和确定电机的故障是属于机床侧的电气控制部分还是PM C 的故障等, 可通过观察G4. 3 就可以确定换刀功能是否结束。

当然还要结合机床电气控制3 自动换刀装置故障诊断的方法电路来分析机床侧出现的故障。

最好根据数控机床电气控制原理图, 列写关于换刀控制有关的I/ O 接自动换刀装置换刀装置的工作基本上都是顺序工作, 所以只要熟悉换刀动作的过程和掌握PM C 口对照表, 在熟知换刀过程的基础上, 利用PM C 的状态诊断换刀过程的故障。

的控制对维修是很重要的。

FANUC 0i 系统的PM C 诊断方法:4 自动换刀装置常见故障诊断与分析3. 1 利用梯形图在线进行诊断圆盘式刀库自动换刀装置常见故障及维修详见按系统功能键SYSTEM , 再按系统操作软件[ PMC] 就会显示PM C 功能画面, 按软件PMCLAD, 梯形图就会出现在显示器上, 如果显示器为单色显示器CRT , 梯形图显示画面中, 信号接通为亮线显示, 信号断开为暗线显示, 彩色显示器LCD 的接通和断开也可由用户设定不同的颜色对比来确定。

在梯形图的下面对应有如下软键功能如下:[ TOP] 返回梯形图开始位置。

[ BOT TOM ] 返回梯形图结束位置[ SRCH] 搜索梯形图中信号触点的操作软键。

表1。

立式加工中心换刀臂平移至 C 时, 无拔刀动作。

图 4 为自动换刀控制示意图。

[W SRCH] 搜索梯形图中信号线圈的操作软键。

[ N- SRCH] 搜索梯形图行号的操作软键。

[ F- SRCH ] 为搜索系统中功能指令的操作软件, 先按[ F- SRCH] , 然后在按相应的功能指令号,就显示对应的功能指令。

要根据机床的程序和动作过程, 熟悉PM C 控制原理, 查找对应的传感器和限位开关等电器元件的位置和动作原理是非常重要的。

图4 自动换刀控制示意图1- 刀库; 2- 刀具; 3- 换刀臂升降液压缸; 4- 换刀臂; 5- 主轴; 6 3. 2 利用PM C 的状态诊断机床的故障- 主轴液压缸; 7- 拉杆按系统功能键SYSTEM , 再按系统操作软键[ PM C] 就会显示PMC 功能画面, 按软件[ PM- CDGN] 出现PM C 诊断画面, 再按软件[ STATU S]数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是按照一定的顺序来完成的, 因此观察机械装置的运动过程, 比较正常与故障时的情况, 就可发现疑第1 期点, 诊断出故障的原因。