数控车床刀架的故障分析及排除.docx

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数控车床刀架的故障分析及排除

毕业设计

题目：

数控车床刀架的故障分析及排除

学生姓名：

学号：

0957

专业：

数控技术

指导教师：

2011年11月25日

数控刀架的故障分析与排除

摘要

数控车床在使用过程中，我们常见的故障有刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障，其中刀架故障占很大比例。

故障后机床暂时不能使用，这就造成了在时间上的人力、物力等资源的浪费。

假如我们能对其进行一些基本的维修，就可以节约成本，节约时间，创造一定的经济效益。

此次对刀架的维修时间较短，且维修过程也涉及到了刀架的其他原因，为以后的刀架维修奠定了基础。

数控车床在使用过程中，常常出现的是撞刀事件。

主要以数控车床在教学过程中撞刀引发的刀架故障为据，分析刀架结构原理，进行故障分析及故障处理，排除故障后装配调试四大方面来论述。

通过阐述数控车床刀架的结构，以其机械原理来分析故障原因、判定故障部位、最后进行排除及装配调试成功。

虽然刀架结构、尺寸各异，均有所不同，但无论是哪一类刀架，故障原因大多雷同，维修方法也可以互相参考。

为此，及时排除刀架故障，懂得部分维修手段是必然性的。

了解刀架结构，认识其机械原理，才能快速判定故障所在。

所以，研究刀架故障分析与排除是很有必要的。

关键词：

刀架故障；故障原因；排除故障；故障处理

第一章概述..................................................3

1.1引言................................................3

第二章常见刀架工作原理及工作步骤............................4

2.1刀架工作原........................................4

2.2四方刀架换刀工作步骤...............................4

2.3六角刀架换刀工作步骤...............................5

2.4更换主轴头换刀.....................................7

2.5带刀库的自动换刀系统...............................9

2.6刀架交换装置.......................................9

第三章刀架、刀库及换刀常见故障及排除........................11

3.1刀架、刀库及换刀常见故障及排除.....................11

3.2熟悉报警提示信息含义，解决刀架系统故障.............17

3.3领会PMC程序和系统参数的内涵，找出刀架控制故障.....17第四章典型的刀架故障实例分析...............................19

4.1加工中心刀架故障实例分析...........................19

4.2六角刀架故障分析实例..............................19

4.3四方刀架故障实例分析..............................20结论........................................................21

致谢........................................................22

参考文献....................................................23

附录........................................................24

第一章概述

1.1引言

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。

国际市场的竞争归根到底是各国生产能力及机械制造装备的竞争。

20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。

工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。

对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。

在数控加工过程中，有时会出现各种设备故障，比如刀架类，主轴类，伺服类等等，其中，刀架类故障占了很大一部分。

如果故障得不到及时排除的话，会影响加工效率及经济效益，所以作为一名数控机床的操纵者，掌握一定的故障排除手段是很有必要的。

第二章常见刀架故障分析及排除

2.1刀架工作原理

想要排除刀架故障，我们首先必须要先了解刀架的工作原理。

需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。

上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。

上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。

此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。

在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。

2.2四方刀架换刀工作步骤

（1）刀架抬起

当换刀指令发出后，刀架电机正转，通过蜗杆连轴器带动涡轮丝杠转动，刀架体内孔有螺纹，与涡轮丝杠旋合。

涡轮丝杠内孔与刀架中心轴是动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠环绕中心旋转。

由于刀架底座和刀架体啮合，且涡轮丝杠轴向固定，这时刀架抬起。

（2）刀架换刀

当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。

转位套用销钉涡轮丝杠连接，随涡轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°，球头销在弹簧作用下进入转位套的槽中，带动刀架体转位。

（3）刀架固定

刀架体转动时带动电刷座一起转动，当转到程序指定的刀号时，定位销在弹簧作用下进入粗定位盘的槽中进行粗定位，同时电刷接触导面使电机反转，由于粗定位槽的限制，刀架体不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体和刀架底座上的端面齿啮合实现精确定位。

（4）刀架紧缩

刀架电机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆继续转动，随加紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机停止转动，刀架紧缩。

2.3六角刀架换刀工作步骤

图1为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。

在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。

由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。

1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮

6－活塞8－齿条9－固定插销10、11－推杆12－触头

回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：

（1）刀架抬起

当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。

同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。

（2）刀架转位

当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。

通过端齿离合器使刀架转过60º。

活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。

（3）刀架压紧

刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。

齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。

刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。

这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。

（4）转位液压缸复位

刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。

如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。

回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。

2.4更换主轴头换刀

在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种简单换刀方式。

主轴头通过常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。

在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需的旋转刀具。

当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主轴运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

图2-2为卧式八轴转塔头。

转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴7，主轴的回转运动由齿轮12输入。

当数控装置发出换刀指令时，先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合，同时在中心液压缸14带着由两个推力轴承17和16支承的转塔刀架体18抬起，离合器2和1脱离啮合。

然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18一起回转45°，将下一工序的主轴转到工作位置。

转位结束后，压力油进入中心液压缸14的下腔，试转塔头下降，离合器2和1重新啮合，实现了精确定位。

在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。

最后，通过液压拨叉移动齿轮3，使它与新换上的主轴齿轮12相啮合。

为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒5内，只要卸去螺钉10，就可以将整个部件抽出。

主轴前轴承9采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时，先卸下端盖6，然后拧紧螺母8，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。

图2-2卧式八轴转塔头

1、2-离合器3、4、12-齿轮5-套筒6-端盖7-主轴8-螺母9、16、17、-轴承

10-螺钉11-推动杆13-操纵杆14-液压缸15-活塞18-转塔刀架体

为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆13，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动杆11，顶出刀具。

转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似，但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为复杂。

由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。

为了保证主轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。

转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。

从而提高了换刀的可靠性，并显著的缩短了换刀时间。

但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床等。

2.5带刀库的自动换刀系统

带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。

首先把加工过程中需要的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放到刀库中去。

换刀时先在刀库中选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换后，将新刀装入主轴，把旧刀放回刀库。

存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为单独部件安装到机床外，并由搬运装置运送刀具。

与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分加强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。

另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。

所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。

刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、分布以及结构对数控机床的设计有很大的影响。

2.6刀具交换装置

数控机床的刀具交换方式通常分为有刀库机床与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。

刀具的交换方式和他们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有直接影响。

由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀的装置，在换刀时必须先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，两个动作不能同时进行，因此换刀时间长。

采用机械手换刀的方式应用最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间。

目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。

这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置对应的记忆在数控系统的PLC中，不论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的轨迹。

刀库上装有位置检测装置，可以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。

刀库上设有机械远点使每次选刀时，就近选取，如对于盘式刀库来说，每次选刀运动角度都不会超过180°。

第三章刀架、刀库及换刀常见故障及排除

3.1刀架、刀库及换刀故障及排除

1.刀架刀位转不停

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.系统无+24V；COM输出

用万用表量系统出现断，看这两点输出电压是否正常或存在，若电压不存在，则为系统故障，需更换主板或送厂维修

2.系统有+24V；COM输出，但与刀架发信盘连线断路；或是+24V对COM短路

用万能表检查刀架上的+24V、COM地与系统的连线是否存在断路；检查+24V是否对COM地短路，将+24V电压拉低

3.系统有+24V；COM输出，连线正常，发信盘的发信电路板上+24V和COM地回路有断路

发信盘长期处于潮湿环境造成线路氧化断路，用焊锡或导线重新连接

4.刀位上+24V电压偏低，线路上的上拉电阻开路

用万用表测量每个刀位上的电压是否正常，如果偏低，检查上拉电阻，若是开路，则更换1/4W2K上拉电阻

5.系统的反转控制信号TL-无输出

用万用表量系统出线端，看这一点输出电压是否正常或存在，若电压不存在，则为系统故障，需更换主板或送厂维修

6.系统有反转控制信号TL-输出，但与刀架电机之间的回路存在问题

检查各中间连线是否存在断路，检查各触电是否接触不良，检查强电柜内直流继电器和交流接触器是否损坏

7.刀位电平信号参数未设置好

检查系统参数刀位高低电平检测参数是否正常，修改参数

8.霍尔元件损坏

在对应刀位无断路的情况下，若所对应的刀位线有低电平输出，则霍尔元件无损坏，否则需更换刀架发信盘或其上的霍尔元件。

一般四个霍尔元件同时损坏的几率很小

2.刀架有时不转

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.刀架的控制信号受干扰

系统可靠接地，特别注意变频器的接地，接入抗干扰容

2.刀架内部机械故障，造成偶尔卡死

维修刀架，调整机械

3.刀架不转

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.刀架电机三相反相或缺相

将刀架电机线中两条互调或检查外部供电

2.系统的正转控制信号TL+无输出

用万用表量系统出线端，量度+24V和TL+两触点，同时手动换刀，看这两点的输出电压是否有+24V，若电压不存在，则为系统故障，需送厂维修或更换相关IC元件器

3.系统的正转控制信号TL+输出正常，但控制信号这一回路存在断路存在或元件器损坏

检查正转控制信号是否断路，检查这一回路各触点接触是否良好；检查直流继电器或交流触电器是否损坏

4.刀架电机无电源供给

检查刀架电机电源供给回路是否存在断路，各触点是否接触良好，强电电气元件是否损坏；检查熔断器是否熔断

5.上拉电阻未接入

将刀位输入信号接上2K上拉电阻，若不接此电阻，刀架在宏观上表现为不转，实际上动作为先进行正转后立即反转，使刀架看似不动

6.机械卡死

通过手摇使刀架转动，通过松紧程度判断是否卡死，若是，则需拆开刀架，调整机械，加入润滑液

7.反锁时间长造成的机械卡死

在机械上放松刀架，然后通过系统参数调节刀架反锁时间

8.刀架电机损坏

拆开刀架电机，转动刀架，看电机是否转动，若不转动，再确定线路没问题时，更换刀架电机

9.刀架电机进水造成电机短路

烘干电机，加装防护，做好绝缘措施

4.刀架锁不紧

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.发信盘位置没对正

拆开刀架顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁块，使刀位停留在准确位置

2.系统反锁时间不够长

调整系统反锁时间参数

3.机械锁紧机构故障

拆开刀架，调整机械，检查定位销是否折断

5.刀架某一刀位转不停，其余刀位正常

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.此刀位的霍尔元件损坏

确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上转动该位刀，用万能表量该位刀位信号触点对+24V触点是否有电压变化，若无变化，则可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件

2.此位刀信号线断路，造成系统无法检测到位信号

检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路

3.系统的刀位信号接收电路有问题

当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位与系统的信号连线也没问题的情况下更换主板

6.输入刀号能转，但直接按换刀键刀架不转

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.霍尔元件偏离磁块，置于磁块前面，手动键换刀时，刀架刚一转动就检测到刀架到位信号，然后马上反转刀架

检查刀架发信盘上的霍尔元件是否偏离位置，调整发信盘位置，使霍尔元件对正磁块

2.手动换刀键失灵

更换手动换刀键

7.刀架只正转不能反转

故障原因及处理方法

故障原因

处理方法

1.系统刀架反锁信号TL-无输出

首先换刀过程中测量系统测改点输出端信号与+24V间电压有无变化，如无变化说明主板输出电路IO故障需更换IO或返厂维修

2.系统TL-信号有输出，但该信号的输出信号断路

如测量系统侧有输出，可排除系统原因，再测量直流继电器线圈电压有无变化，如果没有说明该控制线路间断路，用表测量该回路，需重新换线

3.反转输出信号控制直流继电器和交流接触器损坏

如系统与线圈都正常，再检查继电器与接触器线圈间电压是否有故障，触点间接触是否良好，当线圈通电后，常开触点是否吸和，如元器件故障需更换元器件

8.刀架越位过冲或转不到位

故障原因及处理方法：

刀架越位过冲故障的机械原因可能性较大。

主要是后靠装置不起征用作用。

首先检查后靠定位销是否灵活，弹簧是否疲劳。

此时应修复定位销使其灵活或更换弹簧。

其次，检查后靠棘轮与蜗杆连接是否断开，若断开，需要更换连接销。

若仍出现过冲现象，则可能是由于刀具太长过重，应更换弹性模量稍大的定位销弹簧。

9.其他故障出现

除以上故障外，有时候还出现：

无法机控选刀、夹紧后无回答信号、启动或松开手控按钮刀架返回原来位置等故障现象。

出现这些故障的主要原因是电路中继电器接触不良、胶木盘位置不正、电源相序不对所致，可分别读其加以调整、修复，使故障排除。

熟悉以上分析、检查方法及解决措施，对于及时、有效地找到病源，对症下药，迅速排除故障至关重要。

当然，除此之外，还可能会出现其它意外故障，但在掌握上述方法的基础上，便能够就果寻因，加以排除。

3.2熟悉报警提示信息含义，解决刀架系统故障

报警提示主要有两类：

1.硬件报警指示

它包括数控系统、伺服系统在内的各电气装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。

2.软件报警指示

系统软件、PMC程序与加工程序中的故障通常都设有报警指示，依据显示的报警号对应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及排除方法。

例如，以下的刀架报警信息，引起的后果或触发动作均可产生程序停止，系统无应答现象，需要识别出警报信息的含义，并且分析出报警产生条件或原因，就可以较容易地排除此类故障了。

3.3领会PMC程序和系统参数的内涵，找出刀架控制故障

数控系统内部嵌有PMC程序，能在屏幕上显示出来。

它一方面接收来自系统的信号，经过程序处理后给机床发出信号；另一方面，把机床的各种信号经过程序处理后反馈给系统。

它是系统与车床的“桥梁”，是整个数控机床的动作控制核心，熟悉了它就明白了控制机床的动作过程。

刀架的PMC程序的逻辑控制流程较容易理解，出现故障时，只要针对地调整具体逻辑环节，一般的数控故障都会及时排除。

系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。

一般参数存放在磁泡存储器或存放在由电池保持的CMOSRAM中，一旦电池电量不足或由外界干扰等因素，使个别参数丢失或变化，发生混乱，就会使机床无法正常工作。

因此，可通过核对、修改参数，将故障排除。

有事由于用户程序和参数错误也可造成故障停机，对此可以采用系统的自诊断功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。

例如，刀架换刀突然出现故障，系统无法自动运行，在手动换刀时，总要过一段时间才能再次换刀。

故障的原因就是刀架系统参数错误，需要将刀补等参数进行检查，尤其是换刀时间参数，发现问题后将其参数值清零，故障即可排除。

第四章典型的刀架故障实例分析

4.1加工中心刀架故障实例分析

例：

一加工中心使用一段时间后出现换刀故障，刀插入主轴刀孔时，发生了错位，机床上无任何警报。

故障分析：

在对机床进行了仔细的观察后，发现造成刀具插入错位是因为主轴定向后又偏移了原来的位置，在使用手动方式检查主轴定向发现：

主轴在定向完成后位置是正确的，当用手动一下主轴后，主轴会慢慢的向使力的相反方向转动一小段距离，逆时针旋转在定向完成后只转一点，再向在加力向顺时针转动后能返回到原先的位置。

为了确认电气部分是否正常，在主轴定向后检查了有关的信号均正常。

由于定向控制是通过编码器进行检测的，因此对编码器产生了怀疑。

对该部分的电气和机械联接进行检查，当将编码器从主轴上拆开后即发现编码器上的联轴器止退螺丝松动已向后移，因而出现工作时编码器与检测齿轮不能同步，使主轴的定向位置不准，造成换刀错位故障。

4.2六角刀架故障分析实例

例：

一台六位刀架换刀时所有刀位都找不到，刀架旋转数周后停止，数控系统显示换刀报警，换刀超时或没有信号输入。

故障分析：

可排除机械故障，归咎于电气故障所致。

产生该故障的电气原因有以下几种：

1磁元件脱落；2.六个霍尔元件同时全部损坏；3.霍尔元件的供电和信号电路开路导致无电压信号输出；其中第一第三种可能性最大，因此找来电路图，利用万能表对霍尔元件线路进行检查。

结果发现刀架检测线路端子排上的24V供电电压为0V，其它线路均正常。

以该线为线索沿线查找，发现电气柜引出的24V线头脱落，接上后仍无反应。

由此判断是该线断线造成的故障。

解决方法：

利用同种规格导线替代断线后，故障排除。