转塔刀架故障分析与诊断
【摘要】转塔刀架有不同种类、不同结构、不同控制方式。本文简要介绍不
同刀架运行过程中的几则实列，从刀架工作原理分析故障产生的原因，诊断问题
的解决方法。故障原因有刀架自身的因素，也有应用过程中的因素，论述具有一
定的代表性。
【关键词】数控；转塔刀架；原理分析；故障诊断
一、引言
转塔刀架是数控车床的核心部件，换刀过程的好坏关系到机床加工和运行的
可靠性，直接影响到数控车床的使用效率。就目前而言，转塔刀架种类繁多，更
新快，从早期的液压、霍尔元件控制，发展到至今的编码器电动控制、伺服控制。
控制方式虽然存在差异，但工作过程大致相同，基本控制原理为：数控系统发出
选刀指令→PLC逻辑分析处理→刀架松开→刀位抬起转位选刀指令与目标刀位
比较→符合到位应答→反转定位锁紧→换刀完成。
二、故障的原理分析与诊断
数控车床采用SIEMENS或FANUC数控系统；配置（4-8）工位德国SAUTER、
意大利DUPLOMATIC或沈阳SLD170A04N转塔刀架。
1.某一刀位不到位
在刀架运转过程中，4工位刀架有3个刀位换刀正常，只有其中一个刀位不
能正常换刀，表现为刀架在此刀位不能到位。
沈阳数控转塔刀架采用霍尔元件控制，霍尔元件信号采集范围宽是导致此故
障的主要原因，在刀架换刀过程中数控系统发出选刀指令，PLC逻辑分析刀架锁
紧信号松开，此时刀架可以运转，当刀位接近所选刀位之时锁紧信号先接通，锁
紧信号接通即可切断刀架运转指令，就会导致某一刀位不到位现象出现。此情况
只需将转塔刀架刀盖打开，将刀架霍尔元件电气信号电路板松开轻轻移动少许位
置，让刀位信号在锁紧信号之前检测即可解决此问题。
2.刀架无动作
刀架无论是手动/自动状态均无动作，故障一般发生在电气或机械部分，是
刀架较容易处理的故障现象之一。遇到这种情况，首先检查刀架电机及电机电源
线有没有问题，由于到位锁紧开关与PLC存在互锁的逻辑关系，此时也需要检
查锁紧开关的输出状态是否正常。
确认电气部分无误后，仍不能排除，此时可考虑机械部分原因。按使用说明
书操作步骤拆开端盖试转刀盘，如果转不动那将是机械部位卡住了，找出问题原
因调整也就好了。
3.刀架旋转不停
刀架无论是在手动/自动换刀过程中均旋转不停，故障一般为电气故障。拿
德国SAUTER刀架来说，在刀架旋转过程中牵扯预分度信号、锁紧信号，在刀
架开始运转时预分度电磁铁接通激活预分度信号为1，正转检测到刀位信号后，
制动电磁铁置位，预分度电磁铁和信号为0，此时反转插定位销，而在刀架运转
过程中如果PLC程序无误，电磁铁所用直流24V电流如果缺失，则会导致刀架
旋转不停。
4.目标刀位位置检测故障
选刀指令与目标刀位不一致产生的位置检测故障，是数控刀架常见的一种故
障，其现象表现为：转塔刀架一直旋转不停且不到位或换刀后不能再次换刀。
刀架的每个工位都有相关的到位检测信号，通过选刀指令与之通讯比较，如
果NC或PLC没有检测到信号或接收错误的检测信号，换刀过程将失败。图一
是一台典型的数控车床转塔刀架接口控制原理图，当数控系统NC发出选刀指令
时，经PLC逻辑转换与编码器S1目标刀位比较，符合后编码器时序控制位Strobe
（bit5）发出刀架定位启动信号，见时序控制信号波形。编码器采用二进制码，
NO.1-4为目标刀位输出、parity位6为同位检测，负责刀架定位完成时刀位检查，
同时检测奇偶信号位，有双重确认功能。表一为1-8工位真值表。通过以上原理
分析看出，影响位置检测故障，常有以下几种因素：①控制系统信号传递故障。
此时NC系统常有故障报警提示，可对照制造厂家产品设计说明自定义报警或数
控系统诊断手册提示，也可以通过PLC输出状态指示判断故障部位，检查各接
口连接是否良好、触点是否有松动，信号线有没有断线。②编码器信号输出状态
是否正常、连接有没有松动、窜位。此情况需要更换或重新调整编码器。
5.定位检测故障
数控转塔刀架选刀结束后，刀架电机反转经定位检测锁紧，换刀完成。图二
为刀架定位检测工作原理图。图中Y1为定位电磁铁，S2为接近开关。工作过程：
当strobe（bit5）见图一发出定位启动信号时，经PLC逻辑控制，定位电磁铁Y1
得电，定位销被推入定位孔中，接近开关S2信号为0，指示灯熄灭，同时给PLC
发出定位检测到达信号。反之信号为1，指示灯亮，PLC处于等待状态(此时系
统会认为定位销一直没有打入定位孔，电机不会反转)。定位检测故障往往会照
成刀盘转到刀位后，刀架无法锁紧。此时也可以检查接近开关S2输出状态是否
正常，感应距离是否合适（一般在0.3
-0.5mm之间），表面是否附着污物（接近开关无反馈信号，无论定位销打入
定位孔与否，系统都因捕捉不到信号而认为定位销一直在定位孔内，从而使电机
处于静止或原位振动状态）、电磁铁是否得电、编码器strobe输出状态是否正常、
以及定位销是否有质量问题，如：弯曲或顶不到位，以及弹簧弹性等机械方面故
障原因。
6.刀架与工件碰撞引起的机械故障
刀架在运转过程中，由于意外因素与工件碰撞，会使刀盘轻微转位，刀尖与
工件轴心偏离，定位销因变形不能顺畅弹出。此时，由于扭矩的作用力，当选刀
指令发出后，刀位会有微动，常伴有“嗡嗡”声响。此时刀架电机处于赌转状态，
保护开关跳闸等情况发生。遇到上述情况，需要拆下定位销后面的电磁铁（图二
所示），摘除定位销上面的弹簧，检查或更换定位销，同时对刀盘重新进行调整。
许多应用厂家由于对刀架的机械结构和工作原理缺乏了解，对该故障的处理显示
出束手无策。
7.伺服控制器故障
意大利DUPLOMATIC四工位转塔刀架，伺服电机驱动，齿轮降速，配有独
立伺服控制系统。特点是转位速度快、稳定性能好、效率高，但系统控制器较为
复杂，故障的诊断需要具备一定的基础知识和专业应用能力。
(1)故障现象：刀架旋转不到位，有过位现象(大约15°角)，数控系统显示用
户自定义报警70002刀架要求回原点。按下刀架回零键，报警未消除，系统有显
示70005、70006过压、过流报警，刀架无法正常运行。
(2)检测
1）刀架到位检测信号：锁紧、原点位均有+24V输出，检测正常。
2）编码器、PLC信号→刀架伺服控制系统确认连接正常。
3）伺服电机检测：U、V、W绕组值为4-5Ω(正常值)。
4）+24V电源正常。
5）调用PLC程序观察逻辑状态，做辅助诊断分析。报警自定义指定状态位：
70002（I10.2）、70005（I10.5）、70006（I10.6）均有报警输出。
6）供电监测不同时段供电监测表明，电压在396-416V之间，负载工况对电
网电压波动影响较大。
7）借助转塔刀架系统软件SWM
265F100，通过计算机与伺服控制器通讯检测诊断。
①用笔记本电脑装载SWM265F100软件程序，指定端口地址并通过BUF
810转换器与RS232C接口连接至伺服控制系统，设定参数位（波特率Baud
Rate:9600、Date Bits:8、Stop Bits:1）。
②系统通讯连机（Link）输入/输出信号状态显示如图三（仅列出相关状态
位）：
③状态显示表明：选刀在2号工位，奇偶校验、刀架锁紧位均有信号输出，
同时检测到电机有过热，有输出状态报警提示。与检测结果一致。
④系统运行RUN，软件出现报警：Alarms 32。
报警定义：刀盘载荷惯性超出极限。影响这一因素的原因描述为与刀架控制
器内的元件、连接及相关设置值的状态有关。
⑤诊断结论及处理：依据报警定义，结合输入/输出信号状态的进一步确认：
控制器内部系统板出现故障，采取更换措施，故障现象消失PLC报警消除，刀
架恢复正常。
实例看出：借助系统软件的辅助诊断，也是快速判断并排除故障源的行之有
效方法。通过该案例的供电监测表明：电网电压偏高波动较大，现场工况复杂的
前提下，未加稳压电源装置，进一步分析认为：伺服控制器的损坏与现场工况负
荷及电压波动有关。条件具备时对数控机床增加稳压电源装置也许会避免上述情
况的发生。
三、结束语
系统掌握和了解数控系统的基本性能、逻辑控制关系、刀架的工作原理和控
制过程，以及它们之间的信号传递联系，是准确、快速诊断并排除数控转塔刀架
故障的重要因素。
参考文献
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