数控机床机械手换刀装置故障与维修

在数控机床的维修中，与换刀相关的故障极为多见。本文基于机械手换刀装置的结构与动作控制，结合维修实例，归纳常见故障现象、原因及处理措施，在数控机床的维修与改造中具有较大的现实意义，值得认真探索、交流与推广。

数控机床特别是数控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次装夹、多工序自动加工，而实现这一功能的关键在于自动换刀装置。由于自动换刀装置工作频度高、控制机构复杂，包括刀库、刀具交换以及驱动等部分，因此出现故障的几率也大，在数控机床的维修中占有相当大的比例。了解其结构特点与控制机理，熟悉换刀的动作流程，总结归纳常见故障现象、原因及解决措施，借鉴相关维修实例，有助于快速、准确地诊断并排除故障，提高维修工作的质量与效率。

1.机械手换刀装置的结构

图1 多主轴换刀

图2 双主轴换刀

图3 转塔头式换刀

图4 斗笠式换刀

图5 机械手换刀

数控机床自动换刀功能的实现有多种方式，如多主轴换刀（见图1）、双主轴换刀（见图2）、转塔头式换刀（见图3）、斗笠式换刀（见图4）及机械手换刀（见图5）等。按是否由机械手换刀可将其分为两类：无机械手换刀（如斗笠式）大多依靠主轴与刀库间的轴向相对运动实现拔刀与插刀，换刀时刀库移至换刀位置，主轴先将刀具还回刀库换刀位的空刀座上，然后刀库旋转使下一工序所需刀具进入换刀位置，主轴再从刀库取走新的刀具，还刀和取刀两个动作只能分步进行，加之主轴的轴向运动以及刀库的移动和转动，因此换刀时间长，加工效率低，刀库的容量也较小；目前数控机床更多采用的是机械手换刀，利用机械手快速、准确地对调刀库中换刀位与主轴上的刀具，还刀、取刀同时进行，换刀时间大大缩短，而且刀库容量不受换刀机构限制。

图6 盘式刀库

图7 链式刀库

图8 格子式刀库

1.刀具固定板架；2.刀座；3.换刀机械手；4.换刀位置刀座；5.取刀机械手纵向导轨；6.取刀机械手横向导轨

刀库按刀具的布局可分为盘式、链式和格子式三种。盘式刀库刀具呈圆周状分布（见图6），链式刀库刀具布置在链条的各个环节上（见图7），格子式刀库刀具纵横排列（见图8）。盘式刀库空间利用率低、容量小，一般用于小型加工中心。链式与格子式刀库空间利用率高、容量大，用于中型与大型数控加工中心。刀库的作用不仅是存放加工过程中所需要的刀具，还负责把下一工序所要使用的刀具准确地送到换刀位置。

图9 凸轮式换刀机械手结构简图

刀具交换装置的驱动方式有液压、伺服和交流异步电动机驱动三种。液压驱动需要足够的液压动力，且运动的速度和准确性受油质、油压、油温及环境等因素影响，一般用于不需要频繁换刀的大中型机床。伺服电动机驱动的换刀装置换?速度快、精度高、稳?性强，但成本较高。交流异步电动机驱动的换刀装置，借助凸轮机构（见图9），换刀速度快、定位准、稳定性高、连贯性好且成本低，广泛用于频繁换刀的中小型加工中心。

2.机械手换刀动作流程与选刀方式

图10 换刀动作流程图

圆盘式刀库与凸轮式换刀机械手的换刀动作流程如图10所示。

换刀数据表

刀库的选刀有顺序选刀、刀具编码选刀、刀座编码选刀和随机选刀四种方式。机械手换刀大多采用随机换刀方式，从主轴取下的刀具就近放入刀库中刚取走刀具的换刀位刀座内，取刀与还刀同步完成。其原理是在存储器中建立换刀数据表，表中存储单元的地址与刀座编号及主轴相对应，因此数据表的容量为刀库中刀座数加1，存储单元中的数据与刀具编号一一对应，如附表所示。换刀时数据更新是先将主轴所对应的存储单元中的数据（换刀前刀具的编号）写入刀库换刀位刀座所对应的存储单元中，再将换刀指令中的刀具编号写入主轴所对应的存储单元，完成主轴与换刀位刀具编号的对换。假设数据表存储单元首地址为D300，该地址所对应存储单元中存放的数据即为主轴上刀具的编号，地址为D301～D（300+n）的存储单元中的数据，即刀库中从1#～n#刀座上刀具的编号。

3.机械手换刀装置的常见故障与排除方法

在数控机床维修的过程中，经常出现与换刀相关的故障，根据其结构特点及换刀动作过程，归纳刀库及机械手两大方面常见故障现象、产生原因与采取措施如下。

（1）刀库故障。

①常见故障1：刀库不能转动。可能原因：电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；变频器故障，电动机不得电；接近开关或磁簧开关故障；PLC无输出控制，或PLC有输出但接口板中的继电器失效；气压低。常用措施：检查调整联轴器；检查变频器的输入、输出电压是否正常；通过PLC的IO监控画面检查IO状态，调整或更换接近开关或磁簧开关，检查或更换继电器；调整气压达到规定值。

② 常见故障2：刀盘定位不准。可能原因：电动机