加工中心斗笠式ATC换刀故障诊断

▲ 斗笠式ATC

ATC（Automatic Tool Changer）是数控加工中心上完成自动换刀的装置，典型的形式有机械手换刀和斗笠式换刀，本文主要讲斗笠式换刀控制原理及故障诊断。

斗笠式（umbrella-type）刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般只能存16～24把刀具。

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斗笠式换刀时整个刀库向主轴移动。当主轴上的刀具进入刀库卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具插入主轴锥孔内。夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。

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斗笠式换刀分解动作

通过刀库和主轴箱的配合动作来完成换刀，如图1所示。刀库中刀具的存放的位置方向和主轴的刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。

图1 立式加工中心斗笠式换刀分解动作

各动作说明如下：

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Z轴移动至换刀坐标（如，Z=0）处，见图1（a）；

2

主轴准停；

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刀库前进（抓旧刀），见图1（b）；

4

主轴松刀；

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Z轴向上移动（至Z=105）（让出刀库旋转尺寸），见图1（c）；

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刀库旋转（选刀），见图1（d）；

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Z轴向下移动（移动至换刀位置Z=0），见图1（e）；

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主轴紧刀（抓新刀）；

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刀库后退（换刀结束），见图1（f）。

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▲ 视频：斗笠式换刀（第12~25秒为换刀动作）

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分解动作M代码说明

（1）主轴准停（M19）

加工中心主轴和刀具之间联接需要用键来定位，所以机床在换刀时需要保证主轴上的键每次都停留在一定的位置，从而保证刀具上键槽的位置与主轴上键的位置一致（如图2所示），使机床换刀能够顺利进行。

图2 刀具与主轴配合

1---刀柄      2---主轴端面     3---端面键

因此，加工中心在换刀时必须要对主轴进行定向，也称为主轴准停。通常立式加工中心的主轴定向通过在主轴上安装外接编码器实现。编码器给出位置检测信号，使主轴准确地停在规定的位置上。

由PMC和CNC协调控制完成。CNC对M19译码，PMC发出主轴定向请求信号，CNC给出准停完成信号。

（2）主轴箱上升与下降（G01 Zxx）

主轴箱的运动即Z轴移动，主要由CNC控制两个与换刀有关的位置Z=0和Z=105。

（3）刀库前进与后退（M62，M63）

刀库的前进与后退可采用电动控制或气动控制。抓刀位置与原位均需传感器（接近开关）检测。

由CNC对M62、M63进行译码，PMC根据互锁条件判断是否输出前进或后退信号，并检测到位信号。

（4）刀库旋转（M64）

斗笠式刀库刀盘运转分度多采用日内瓦轮机构（Geneva Mechanism）驱动，驱动电机每转一周，刀盘间歇回转一个刀号，每次需0.7~1秒。刀库可以正转或反转，以实现最短路径换刀。每个刀位由接近开关检测确认。

▲ 动画：槽轮机构（Geneva Mechanism）

由CNC对M64进行译码，PMC根据目标刀位与当前刀位之差判断是否输出旋转信号，并检测旋转到位信号。

（5）主轴紧刀与松刀（M60，M61）

主轴松刀采用两位三通电磁阀接通气压缸，刀具是靠碟形弹簧通过拉杆和弹簧卡头而将刀具柄尾端的拉钉拉紧。松刀时, 气压缸活塞杆顶压顶杆, 顶杆通过空心螺钉推动拉杆。

一方面使弹簧卡头松开刀具的拉钉，另一方面又顶动拉钉，使刀具右移而在主轴锥孔中变”松”。松刀的行程需准确调整，松刀与紧刀位置由行程开关检测。

由CNC对M60、M61进行译码，PMC根据互锁条件判断是否输出松刀信号，并检测气缸行程到位信号。

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换刀子程序

从图1换刀分解动作①④⑥可以看出，斗笠式换刀需Z轴参与动作，而PMC是无法直接参与数控轴的控制的。如果动作②③④⑥⑧⑨都采用M指令调用，那么编制零件程序时就需要6条M指令和3条G指令，使用很不方便。

采用NC程序编制换刀动作为一固定循环，就可以方便的使用一条指令（T**M06）调用整个换刀循环（即子程序）。子程序号为O9001。

O9001；专用程序号，受保护

IF [#1000EQ #500] GO TO 120；比较实际刀号与指令刀号，如相等，则跳到N120

G00 G90 G54 G49 G80 Z0 M19 G64 H0；指令初始化，G54设定为0

M62；刀库前进

M61；主轴松刀

G01 Z15 F5000；

Z50 F1500；

Z105 F15000；

G04 X0.5；

M64；刀库旋转

Z50 F15000；

Z15 F10000；

Z0 F5000；

M60；主轴紧刀

M63；刀库后退

G61；

N120 M99；子程序结束

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PMC控制安全互锁要点

对于自动换刀这样的系列分解动作，当然用PMC控制最合适了。安全互锁要点如下：

• 自动换刀过程中，主轴不可以旋转；

• 刀库在抓刀位，主轴才可以松开；

• 对准主轴的刀位上无刀时，刀库才可向前；

• Z轴在上位（Z=105mm）时，刀库才可以旋转；

• 刀具被夹紧时，刀库才可退回。

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常见故障诊断与排除

加工中心如有故障，80%出自换刀机构。

案例1: 发出换刀指令，但刀库无动作

诊断与排除方法：

① 检查机床的工作方式是否正确？机床是否锁住状态？指令是否正确？

② 检查数控机床的压缩空气气压是否在要求范围内？一般应在0.5MPa~0.6MPa之间。如果所提供的压缩空气压力低于这个范围，刀库在换刀过程中由于压力不够，造成不动作；

③ 检查刀库的初始状态是否正常，即检查传感器的状态是否良好？输送到数控系统PMC的输入信号是否正确？可以通过数控系统提供的PMC地址诊断功能帮助检查。

案例2: 刀库移到抓刀位，无后续动作

诊断与排除方法：

① 检查刀库移到主轴侧的确认信号传感器是否良好？诊断发送到数控系统PMC中的信号是否正常？此故障现象多由于传感器不良造成；

② 如果传感器状态及信号都正常，请检查主轴刀具是否夹紧？

③ 检查主轴定向是否完成？

案例3: 刀库取到旧刀，但不转到目标刀位

诊断与排除方法：

① 参照机床的电气图纸，利用万用表等检测工具检查刀库旋转电机（三相异步电动机）的启动电路是否正常？

② 检查刀库部分的电源是否正常？交流接触器与开关是否正常？一般刀库主电路部分的动力电源为三相交流380V，交流接触器线圈控制电源为交流110V或直流24V，检查此部分的电路；

③ 保证以上部分都正常的情况下，检查刀库驱动电机是否正常？

④ 如果以上故障都排除，请考虑刀库机械部分是否有干涉的地方？刀库旋转驱动电机和刀库的连接是否脱离？

案例4: 主轴抓到新刀，但刀库不退回

诊断与排除方法：

① 检查气源压力是否在要求范围？

② 检查刀库驱动电机控制回路是否正常？电机正、反转实现刀库的左、右平移，如果反转控制部分故障，容易出现以上故障；

③ 检查主轴刀具是否抓紧？如果数控系统接受不到传感器发送的夹紧确认信号，刀库不执行下面的动作；

④ 检查刀库部分是否存在机械干涉现象。

（文/汤彩萍）