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[摘 要]数控机床自动换刀装置（简称ATC Auto Tool Change）是数控机床重要执行机构，它们的运行可靠性直接影响机床的加工质量和效率。目前机床上有50%以上的故障都与之有关，如何保证ATC长期稳定的运转，提高其运行的可靠性，并能快速排除故障，是保证设备正常使用的主要手段之一。本文通过对数控设备自动换刀装置原理和结构的介绍，结合实际工作中常见的故障现象，提出相应的故障诊断和维修方法。
[关键词]数控机床 自动换刀装置 故障 诊断
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0008-01
前言
数控机床自动换刀装置（简称ATC Auto Tool Change），是数控机床自动化的标志，是数控机床重要执行机构，它们的运行可靠性直接影响机床的加工质量和效率，自动换刀装置（ATC）机构较复杂，且在工作中又频繁运动，故障率较高。目前机床上有50%以上的故障都与之有关。如何保证ATC长期稳定的运转，提高其运行的可靠性，并能快速排除出现的故障，是保证设备使用效率的主要手段之一。通过分析公司现场所有数控设备的自动换刀装置原理和结构，建立通用结构模型，在模型的基础上对现场设备的自动换刀装置故障进行分析，快速准确判断故障原因，提高维修效率。
1换刀装置类型及其特点
1.1 换刀装置类型
1.1.1回转刀架形（常用于车床，自动换刀装置不带机械手）特点：回转刀架在结构上必须有较好的强度和刚性，并具有尽可能高的重复定位精度。一般可安装四、六或十二把刀，多数车削中心采用十二刀位结构。
1.1.2 带刀库的自动换刀装置（常用于加工中心，自动换刀装置带机械手）特点：结构复杂，实现刀具在刀库与机床主轴之间的传递和装卸。
1.1.3更换主轴头换刀装置（常用于数控铣床）
特点：各个主轴头上预先装有各工序加工所需的旋转刀具，受到换刀数控指令时，各主轴头转到加工位置，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的主轴都与机床主运动脱开。
1.2 换刀装置的特点
1.2.1回转刀架：
四方回转刀架换刀过程：1）刀架抬起： 当数控装置发出换刀指令后，电动机23 正传，经联轴套16，轴17，由滑动键（花键）带动蜗杆19，涡轮2，轴1，轴套10转动。轴套10的外圆上有两处凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与9相连的刀架8及上端齿盘6，使上端齿盘6与下端齿盘 5分开，完成刀架抬起动作。
1.2.2刀架转位： 刀架抬起以后，轴套10仍在继续转动，同时带动刀架8转动（90°180°，270°，360°），并由刀架上的霍尔元件发出刀位编码给数控装置。
1.2.3刀架压紧：数控装置经过选刀号与霍尔元件编码对比，刀架转位到选刀位置后，电机23反转，销13使刀架8停住而不随轴套10回转，于是刀架8向下移动，上下端齿盘啮合并压紧。蜗杆19继续转动则产生轴向移动，压缩弹簧22，轴筒21的外圆曲面压缩微动开关20使电动机23停止旋转，从而完成本次转位。
1.2.4带刀库的自动换刀装置
双臂机械手有四种结构形式：1） 钩手形式；2）抱手形式；3）伸缩手形式；4）插手形式。这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀、返回等系列动作，为了防止刀具脱落，机械手的活动爪都带有自锁机构。
2 典型故障及其处理
2.1 四工位刀库故障
2.1.1故障现象：数控车床配置电动刀架，采用BEIJING-FANUC 0iTC数控系统，在产品加工过程中，发现加工尺寸一致性差，且刀具选择偶然出现不能控制的现象。修改参数以后，显示器显示的尺寸与实际加工出来的尺寸相差悬殊，且尺寸的变化没有规律，优化系统参数，加工出来的产品尺寸也在不停变化。
2.1.2故障分析：因该机床主要是进行内孔加工，尺寸的变化主要在X轴上。推断故障在电动刀塔上，检查发现，刀架锁紧不充分，在吃刀过程中会出现刀架偏转现象。检查霍尔元件输出编码，与刀号一致，判断故障在选刀驱动板上。
2.1.3处理方法：首先检查转动部件尺寸，发现电动刀架在反转夹紧过程中，因轴套长度尺寸有偏差，导致锁紧不到位。将轴套端部减薄0.5mm，故障排除。然后检查选刀驱动板上刀码显示灯，发现3#灯的显示与实际信号有出入，且亮度较差。测量端子发现有3Ω接触电阻，消除接触电阻后选刀正常。
2.2 机械手类型自动换刀典型故障
2.2.1故障现象：台湾800卧式加工中心机械手，在换刀过程中动作中断，无法从主轴中拔刀，报警指示灯显示器发出报警“ARM EXPENDING TROUBLE”（机械手伸出故障）
2.2.2故障原因分析：松刀感应开关失灵，如果一个感应开关未发出信号，则机械手拔刀电磁阀就不会动作检查两感应开关，信号正常； 松刀液压缸因为液压系统压力不够或者漏油而不动作，或行程不到位。检查刀具库松刀液压缸，动作正常，行程到位。
2.3 自动换刀装置故障
2.3.1故障现象：加工中心机械手手臂旋转速度快慢不均匀 ，气液转换器失油频率加快，机械手旋转不到位，手臂升降不动作。调整节流阀配合手动调整，只能维持短时间正常运行，且排气声音逐渐浑浊，不像正常动作时清洗，最后不能换刀。
2.3.2故障原因分析：根据动作过程，旋转的动力传递是压缩空气源推动气液转换成液压油由电控制程序指令控制，其旋转速度由节流阀调整。拆卸机械手液压缸，解体检查，发现活塞支撑环O形圈均由直线性磨损，已不能密封。液压缸内壁粗糙，环状刀纹明显。精度太差
2.3.3故障处理：①修复液压缸内壁；②更换支承环O形圈；③重装调整试车，故障消除。
3 效果评估
通过对数控机床自动换刀装置的故障原因分析以及故障处理，同时建立了通用数控机床故障维修模型，提出了数控机床常见故障的维修方案，对现场数控机床故障点的的快速，准确判断和处理，提高设备使用效率，有一定的指导意义。
参考文献
[1] 刘蔡保.数控机床故障诊断与维修 化学工业出版社2012年.
[2] 西门子培训教材.SINUMERIK840D/810D维修与调整西门子（中國）有限公司自动化驱动集团.
[3] 牛志斌.FANUC系统现场故障检修速查手册机械工业出版社 2010年.
[4] 朱仕学 数控机床系统故障诊断与维修北京清华大学出版社 2007年.
[关键词]数控机床 自动换刀装置 故障 诊断
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0008-01
前言
数控机床自动换刀装置（简称ATC Auto Tool Change），是数控机床自动化的标志，是数控机床重要执行机构，它们的运行可靠性直接影响机床的加工质量和效率，自动换刀装置（ATC）机构较复杂，且在工作中又频繁运动，故障率较高。目前机床上有50%以上的故障都与之有关。如何保证ATC长期稳定的运转，提高其运行的可靠性，并能快速排除出现的故障，是保证设备使用效率的主要手段之一。通过分析公司现场所有数控设备的自动换刀装置原理和结构，建立通用结构模型，在模型的基础上对现场设备的自动换刀装置故障进行分析，快速准确判断故障原因，提高维修效率。
1换刀装置类型及其特点
1.1 换刀装置类型
1.1.1回转刀架形（常用于车床，自动换刀装置不带机械手）特点：回转刀架在结构上必须有较好的强度和刚性，并具有尽可能高的重复定位精度。一般可安装四、六或十二把刀，多数车削中心采用十二刀位结构。
1.1.2 带刀库的自动换刀装置（常用于加工中心，自动换刀装置带机械手）特点：结构复杂，实现刀具在刀库与机床主轴之间的传递和装卸。
1.1.3更换主轴头换刀装置（常用于数控铣床）
特点：各个主轴头上预先装有各工序加工所需的旋转刀具，受到换刀数控指令时，各主轴头转到加工位置，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的主轴都与机床主运动脱开。
1.2 换刀装置的特点
1.2.1回转刀架：
四方回转刀架换刀过程：1）刀架抬起： 当数控装置发出换刀指令后，电动机23 正传，经联轴套16，轴17，由滑动键（花键）带动蜗杆19，涡轮2，轴1，轴套10转动。轴套10的外圆上有两处凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与9相连的刀架8及上端齿盘6，使上端齿盘6与下端齿盘 5分开，完成刀架抬起动作。
1.2.2刀架转位： 刀架抬起以后，轴套10仍在继续转动，同时带动刀架8转动（90°180°，270°，360°），并由刀架上的霍尔元件发出刀位编码给数控装置。
1.2.3刀架压紧：数控装置经过选刀号与霍尔元件编码对比，刀架转位到选刀位置后，电机23反转，销13使刀架8停住而不随轴套10回转，于是刀架8向下移动，上下端齿盘啮合并压紧。蜗杆19继续转动则产生轴向移动，压缩弹簧22，轴筒21的外圆曲面压缩微动开关20使电动机23停止旋转，从而完成本次转位。
1.2.4带刀库的自动换刀装置
双臂机械手有四种结构形式：1） 钩手形式；2）抱手形式；3）伸缩手形式；4）插手形式。这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀、返回等系列动作，为了防止刀具脱落，机械手的活动爪都带有自锁机构。
2 典型故障及其处理
2.1 四工位刀库故障
2.1.1故障现象：数控车床配置电动刀架，采用BEIJING-FANUC 0iTC数控系统，在产品加工过程中，发现加工尺寸一致性差，且刀具选择偶然出现不能控制的现象。修改参数以后，显示器显示的尺寸与实际加工出来的尺寸相差悬殊，且尺寸的变化没有规律，优化系统参数，加工出来的产品尺寸也在不停变化。
2.1.2故障分析：因该机床主要是进行内孔加工，尺寸的变化主要在X轴上。推断故障在电动刀塔上，检查发现，刀架锁紧不充分，在吃刀过程中会出现刀架偏转现象。检查霍尔元件输出编码，与刀号一致，判断故障在选刀驱动板上。
2.1.3处理方法：首先检查转动部件尺寸，发现电动刀架在反转夹紧过程中，因轴套长度尺寸有偏差，导致锁紧不到位。将轴套端部减薄0.5mm，故障排除。然后检查选刀驱动板上刀码显示灯，发现3#灯的显示与实际信号有出入，且亮度较差。测量端子发现有3Ω接触电阻，消除接触电阻后选刀正常。
2.2 机械手类型自动换刀典型故障
2.2.1故障现象：台湾800卧式加工中心机械手，在换刀过程中动作中断，无法从主轴中拔刀，报警指示灯显示器发出报警“ARM EXPENDING TROUBLE”（机械手伸出故障）
2.2.2故障原因分析：松刀感应开关失灵，如果一个感应开关未发出信号，则机械手拔刀电磁阀就不会动作检查两感应开关，信号正常； 松刀液压缸因为液压系统压力不够或者漏油而不动作，或行程不到位。检查刀具库松刀液压缸，动作正常，行程到位。
2.3 自动换刀装置故障
2.3.1故障现象：加工中心机械手手臂旋转速度快慢不均匀 ，气液转换器失油频率加快，机械手旋转不到位，手臂升降不动作。调整节流阀配合手动调整，只能维持短时间正常运行，且排气声音逐渐浑浊，不像正常动作时清洗，最后不能换刀。
2.3.2故障原因分析：根据动作过程，旋转的动力传递是压缩空气源推动气液转换成液压油由电控制程序指令控制，其旋转速度由节流阀调整。拆卸机械手液压缸，解体检查，发现活塞支撑环O形圈均由直线性磨损，已不能密封。液压缸内壁粗糙，环状刀纹明显。精度太差
2.3.3故障处理：①修复液压缸内壁；②更换支承环O形圈；③重装调整试车，故障消除。
3 效果评估
通过对数控机床自动换刀装置的故障原因分析以及故障处理，同时建立了通用数控机床故障维修模型，提出了数控机床常见故障的维修方案，对现场数控机床故障点的的快速，准确判断和处理，提高设备使用效率，有一定的指导意义。
参考文献
[1] 刘蔡保.数控机床故障诊断与维修 化学工业出版社2012年.
[2] 西门子培训教材.SINUMERIK840D/810D维修与调整西门子（中國）有限公司自动化驱动集团.
[3] 牛志斌.FANUC系统现场故障检修速查手册机械工业出版社 2010年.
[4] 朱仕学 数控机床系统故障诊断与维修北京清华大学出版社 2007年.