1-3换刀异常故障诊断与维修(精)

第4章 学习情境三 换刀异常故障诊断与维修

4．1 刀架的结构及控制

4．1．1 刀架的作用、结构及工作原理

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，属于数控车床上的关键功能部件，一旦出现问题，整个设备将无法工作，而且刀架故障在数控车床故障中占有很大比例，虽然各厂家所生产的刀架结构、尺寸各异，不同数控车床生产厂家安装的刀架也有所不同，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要的。但如何才能尽快地解决刀架故障呢？首先我们要了解刀架的结构，熟悉其机械结构和电气控制原理，才能快速判断故障所在。

1．刀架的作用及结构

刀架主要用来装夹多把不同的车刀，在数控车床零件加工生产过程中，有些零件需要多把车刀来同一零件的加工，数控车床装电动刀架可以实现在零件加工过程中，通过编写加工程序，由数控系统自动控制车床焕刀来完成零件加工。如图4－1为立式四方电动刀架结构：

图4－1 立式四方电动刀架结构

1、17－轴 2－蜗轮 3－刀座 4－密封圈 5、6－齿盘 7、24－压盖 8－刀架 9、21－套筒 10－轴套 11－垫圈 12－螺母 13－销 14－底盘 15－轴承 16－联轴器 18－套 19－蜗杆 20、25－开关 22－弹簧 23－电动机

2．电动刀架的工作原理

（1）松开：刀架电动机与刀架内一蜗杆相连，刀架电动机转动时与蜗杆配套的涡轮

转动，此涡轮与一条丝杠为一体的（称为“涡轮丝杠”）当丝杠转动时会上升（与丝杠旋合的螺母与刀架是一体的，当松开时刀架不动作，所以丝杠会上升），丝杠上升后使位于丝杠上端的压板上升即松开刀架；

（2）换刀：刀架松开后，丝杠继续转动刀架在摩擦力的作用下与丝杠一起转动即换刀；

（3）定位:在刀架的每一个刀位上有一个用永磁铁做的感应器，当转到系统所需的刀位时，磁感应器发出信号，刀架电动机开始反转：、

（4）锁紧：刀架是用类似于棘轮的机构装的只能沿一个方向旋转，当丝杠反转时刀架不能动作，丝杠就带着压板向下运动将刀架锁紧，换刀完成。电动机的反转时间是系统参数设定的，设置时间不能太长也不能太短，反转锁紧时间过长损坏电机；反转锁紧时间过短刀架可能锁不紧。检验刀架是否锁紧的方法为：用百分表靠紧刀架，人为的扳动刀架，百分表指针浮动不应超出0.01mm。

4．1．2 刀架接口与控制

1．GSK980TD数控系统通过XS40接口与刀架控制信号连接，接口定义如图4－2所示。

图4－2 XS40机床输入接口

2．换刀控制相关信号

T01～T04：1～4号刀刀位信号，机床→CNC；

T05～T08：5～8号刀刀位信号，机床→CNC，标准PLC程序定义的T05～T08信号接口为复用接口，T05与SPEN信号共用同一接口，T07与M41I、 WQPJ信号共用同一接口，T08与M42I、NQPJ信号共用同一接口；复用接口同时只能一个功能有效；

TCP：刀架锁紧信号，标准PLC程序定义的TCP信号接口为复用接口，TCP与PRES（压力检测信号）信号共用同一接口；

TL+、TL-：刀架正转、反转信号。 3．换刀方式

换刀的控制时序、控制逻辑由PLC程序定义。标准PLC程序定义了四种换刀方式，具体

如下：

（1）换刀方式A

在手动、MDI或自动方式下，执行换刀，CNC输出刀架正转信号（TL+），并开始检测刀位信号，在检测到刀位信号后关闭刀架正转信号（TL+），并开始检测刀位信号是否有跳变，若有跳变则输出刀架反转信号（TL-），刀架反转信号（TL-）输出后开始检测锁紧信号TCP，当接收到此信号后，延迟数据参数№085设置的时间，关闭刀架反转信号(TL-)，换刀结束。

（2）换刀方式A(带到位检测)

换刀过程基本同换刀方式A，仅增加了刀位确认这一环节，CNC停止输出刀架反转信号的瞬间检测确认刀位信号（即当前的刀位输入信号是否与当前的刀号一致），若一致，换刀过程完成，若不一致，CNC出现“换刀未完成”报警。

（3）换刀方式B

1）执行换刀操作后，系统输出刀架正转信号TL＋并开始检测刀具到位信号，检测到刀具到位信号后，关闭TL＋输出，延迟数据参数№082设定的时间后输出刀架反转信号TL-。然后检查锁紧信号TCP，当接收到此信号后，延迟数据参数№085设置的时间，关闭刀架反转信号(TL-)，换刀结束；

2）当系统输出刀架反转信号后，在数据参数№083设定的时间内，如果系统没有接收到TCP信号，系统将产生报警并关闭刀架反转信号；

3）若刀架无刀架锁紧信号，可把状态参数№011的Bit0(TCPS)设定为0，此时刀架锁紧信号一直有效（一直与+24V断开）。

（4）换刀方式B(带到位检测)

换刀过程基本和换刀方式B相同，仅增加了刀位确认这一环节：CNC停止输出刀架反转信号TL-的瞬间检测确认刀位信号（即当前的刀位输入信号是否与当前的刀号一致），若一致，换刀过程完成，若不一致，CNC出现“换刀未完成”报警。

4．刀架调试

广州GSK980TD数控系统可支持各种刀架，具体参数设定由机床的说明书为准；如该刀架是4～8工位电动刀架，刀位信号直接输入，正向旋转选刀，反向旋转锁紧。

首次上电进行换刀时，如果刀架不转动，可能是由于刀架电机的三相电源的相序连接不正确，此时应立即按复位键，切断电源并检查接线，如为三相电源的相序连接不正确造成，可调换三相电源中的任意两相。

刀架到位信号高/低电平选择由状态参数№011的Bit1位（TSGN）设置，诊断信息NO.005的Bit7（TL-）和Bit6（TL+）检查刀架的正/反转输出信号是否有效， 诊断信息NO.000的BIT0～BIT3位（T01～T04）检查T01～T04刀位信号是否有效。

4．1．3 数控系统刀架参数

1．刀架控制信号参数 011

BDEC BD8 ZNIK TSGN Bit7＝1：反向间隙补偿方式B，补偿数据以升降速方式输出，设置频率无效； ＝0：反向间隙补偿方式A，以设置频率（状态参数No.010设置）或设置频率的

1/8输出。

Bit6＝1：反向间隙补偿以设置频率的1/8进行补偿； ＝0：反向间隙补偿以设置频率进行补偿。

Bit2＝1：执行回零操作时方向键自锁，按一次方向键回零继续直至结束；

＝0：执行回零操作时方向键不自锁，必须一直按住方向键。 Bit1＝1：刀位信号低电平（与+24V断开）有效；

＝0：刀位信号低电平（与+24V接通）有效。 182

PB6 PB5 Bit2＝1：换刀结束时检查刀位信号； ＝0：换刀结束时不检查刀位信号。 Bit0＝1：换刀方式A；

＝0：换刀方式B。

2．刀架时间参数 076 078 082

T1MAXT TLMAXT T1TIME 换刀时，移动一刀位所需的时间上限；设定范围：100~5000（单位；毫秒） 换刀时，移动最多刀位的时间上限；设定范围：1000~60000（单位；毫秒） 换刀T1时间：刀架正转停止到刀架反转锁紧开始的延迟时间；设定范围：0~4000（单位：毫秒） 083 084 085

TCPWRN TMAX TCPTIME T2：未接收到刀架锁紧﹡TCP信号的报警时间；设定范围：0~4000（单位：毫秒） 总刀位数选择；设定范围：1~32

刀架反转锁紧时间；设定范围：0~40000（单位：毫秒）

3．刀架诊断参数 000 脚号

TCP DIQP XDEC BDT T04 T03 T02 T01 XS39.12 XS39.11 XS40.1 XS40.2 XS40.3 XS40.4 XS40.5 XS40.6 TCP：刀架锁紧信号/压力低检测信号（机床→PLC） DIQP：卡盘控制信号（机床→PLC）

XDEC：X轴回参考点减速信号（机床→CNC） BDT：程序选跳信号（机床→PLC）

T04：刀位信T03：刀位信号T3（机床→PLC） T03：刀位信号T3（机床→PLC） T02：刀位信号T2（机床→PLC） T01：刀位信号T1（机床→PLC）

005 脚号 TL- TL+ DOQPS DOTWS XS39.9 S04 S03 S02 S01 XS40.13 XS40.12 XS39.10 XS39.8 XS39.14 XS39.1 XS39.5 TL+：刀架反转信号（PLC→机床） TL-：刀架正转信号（PLC→机床） DOQPS：卡盘松开信号（PLC→机床） DOTWS：尾座退信号（PLC→机床）

S04：主轴转速开关量控制信号S04（PLC→机床） S03：主轴转速开关量控制信号S03（PLC→机床） S02：主轴转速开关量控制信号S02（PLC→机床） S01：主轴转速开关量控制信号S01（PLC→机床）

4．2 刀架的具体控制电路

1．刀架控制主电路

刀架控制主电路如图4－3所示，刀架电动机的三相电源通过开关QF3接入，由接触器KM3和KM4分别控制刀架电动机的正反转，从而实现电动刀架的换刀与锁紧：

图4－3 刀架控制主电路

2．刀架的控制电路

刀架的控制电路如图4－4和4－5所示：

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