高精度机床换刀系统故障研究

卢 龙

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

高速高精度机床由国外引进，配备海德汉Millplus 数控系统。机床为五轴五联动高速高精度机床，擅长加工空间复杂壳体类零件，需要强大的工艺技术以及庞大的刀具系统支持。1 次零件装夹，利用其强大的换刀系统可以连续自动、高速高精度的完成铣、钻、镗、扩、铰、攻丝以及拉削等多工序的加工。

由于复杂的机械加工特性，要求机床换刀系统频繁工作，且由于在加工过程中的大吃刀量，以及由于人为因素引起的刀具零件撞击等原因，造成换刀系统损坏，机床功能精度丧失，直至机床停机，严重影响设备利用率。通过对机床换刀系统的换刀流程进行分解，分析机械结构，掌握其工作原理，解决换刀故障。

1 换刀系统理论研究

1.1 换刀系统概述

此类型高速高精度机床具有独特的空间曲面加工能力，具备五轴五联动、立卧转换、电主轴单元。换刀系统由拉刀机构和盘式刀库组成。拉刀机构采用液压油缸作为推力元件，预紧弹簧作为拉力元件。盘式刀库与常见的刀库形式一样，具有相同的结构功能。

换刀系统的拉刀机构特点是具备预紧功能，拉紧力稳定，材料性能稳定，安全性高，尺寸紧凑便于安装。但是由于机床换刀动作频次高，整个换刀系统都要承受长时间、高频率的屈服力，容易诱发材质性疲劳。机床有效利用期过后，换刀系统容易发生故障，影响机床的使用效率。拉刀机构如图1 所示。

1.2 换刀系统研究

高速高精度机床换刀系统由拉刀机构和盘式刀库组成，两部分互相配合共同完成一次换刀动作。拉刀机构是主轴用于拉紧和放松刀具的一种机械装置，主要由拉杆、拉爪、拉力弹簧以及液压油缸组成。拉杆的作用是整个拉刀机构的载体，起固定作用；拉爪主要是拉紧刀具上的拉钉，从而拉紧整个刀具；拉力弹簧在液压油缸作用下受力变形，从而在拉杆上产生位移，蓄积能量用于拉紧刀具；液压油缸是松刀动力提供者。整个拉刀机构安装与主轴内孔里面，主轴移动到盘式刀库换刀位置进行刀具交换。

2 故障介绍

换刀系统在换刀过程中出现E370 报警，机床在换刀位置停止动作，消除报警后，再次执行换刀程序，时好时坏，机床时常会出现报警现象，不能正常使用。

3 换刀系统修理

3.1 换刀流程概述

图1 拉刀机构

机床换刀动作简介：机床操作系统使用的是海德汉Millplus数控系统，首先由HMI（Human-Machine Interface，人机对话单元）输入换刀指令，例如T1M6 后，执行此指令，刀库门打开，主轴运行到换刀位置，然后主轴下到刀库中取刀，就在此时主轴上端液压油缸推动拉力弹簧，主轴拉爪此时松开，然后主轴抓刀，拉刀油缸缩回，在拉力弹簧作用下主轴拉紧刀具，主轴回到加工位置，刀库门合上，此次换刀结束。换刀流程如图2 所示。

图2 换刀流程

3.2 换刀系统修理

换刀系统由执行元件、控制元件两部分组成。两部分互相配合来完成一次完整的换刀动作。这两方面内容分别如下：

控制元件：包括机床控制面板、伺服驱动、信号采集触点、PLC、I/O、各种电磁阀以及电气元件等。

执行元件：主轴松刀油缸、拉力弹簧、拉杆、拉爪、刀库等。

首先从控制元件入手，机床使用海德汉MILLPLUS 数控操作系统，进入I/O 界面，观察主轴拉松刀所对应的I/O 点。主轴松刀油缸上有3 个位置检测开关，C2-03B31、C2-03B51、C2-03B71，通过感应油缸上的感应块，检测油缸运动时所处的位置，把感应到的信号发送到NC，此3 个检测开关依次对应I/O点中的WS：E9.6.1、WS：E9.6.2、WS：E9.6.3，其具体的关系如下：

主轴松刀，信号感应开关C2-03B31 亮，把信号输入NC，在I/O 点中WS：E9.6.1 亮显示；

主轴有刀拉紧，信号感应开关C2-03B51 亮，把信号输入NC，在I/O 点中WS：E9.6.2 亮显示；

主轴无刀拉紧，信号感应开关C2-03B51、C2-03B71 同时亮，把信号输入NC，在I/O 点中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同时亮显示。

然后手动进行松刀、有刀拉紧、无刀拉紧3 个动作，发现主轴有刀拉紧后I/O点中WS：E9.6.2 和WS：E9.6.3 同时亮，而主轴松刀、主轴无刀拉紧后I/O 窗口中显示正常。主轴有刀拉紧后信号采集时出现异常，调整主轴上有刀拉紧信号检测开关。调整好之后，尝试手动换刀，然而还会偶尔出现松不开刀，检查I/O点以及上述信号检测开关均显示正常。检查控制松刀油缸的电磁阀、各继电器、PLC、以及各线路，一切正常，所以排除电气方面的原因。

图3 主轴无刀拉紧信号显示

对执行元件检查，由于此类电主轴特有的拉刀机构，其拉爪正下方背紧螺钉上标有松刀距离，可以根据此距离来判断拉刀距离是否正确。松刀拉刀距离测量方法如下：手动松刀后用深度尺测量松刀距离为93.1 mm，然后无刀拉紧再次测量距离为97.6 mm，距离差为4.5 mm，小于正常松拉刀距离差6 mm，且正常松刀距离为93.6 mm，拉刀距离为99.3 mm，同时用OTT拉力检测装置检测拉刀拉力为7 kN，理论值为8 kN，实际拉力值过小。所以拉刀机构上的拉力弹簧可能破碎，这与主轴拉刀后拉不紧，且时有松不开刀的故障现象相吻合。拆卸拉刀机构，必须先把主轴从床身上拆下，然后再分解出拉刀机构，拆下拉刀机构后发现，拉杆上拉力弹簧部分已经碎裂，且上面有许多黑色锈质物，检查主轴锥孔，发现已经生锈，用除锈剂去除锈质，更换新的拉力弹簧，重新安装拉刀机构，装配拉刀机构到主轴，然后重新安装主轴，同时调整主轴几何精度，然后进行主轴松刀、拉刀动作试验，调整松刀距离，拉刀距离到所需距离。调整完成后，进行自动换刀，整个换刀过程正常，故障排除。

4 结束语

通过换刀系统故障的维修，对此类机床的拉刀机构有了深入的理解。此类拉刀机构中的拉力弹簧由于长期不间断受力，发生应力疲劳变形，甚至断裂，造成主轴拉不紧刀。还有就是拉刀机构中由于进冷却液，发生腐蚀、生锈，主轴锥空磨损，与刀柄的配合尺寸发生变化，这些原因最终使主轴拉刀距离发生变化，机床出现换刀故障。此类故障的维修是一项繁杂而又需要细致精神的工作，需要对机械、电气图纸进行分析研究，找出故障点，一步一步进行拆卸、安装、调整，直到满足使用要求为止。