加工中心自動換刀裝置解析
2022-3-9 來源： 神龍汽車有限公司襄陽工廠 作者：胡煉剛
【摘要】 : 本文分析并闡述了東風設備制造廠DM500I 型臥式加工中心 DM40ATC 自動換刀裝置結構特點，介紹了其機械動作原理，電氣程序控制結構，同時結合神龍汽車有限公司襄陽工廠實際應用情況，對東風設備制造廠 DM40ATC 自動換刀裝置現場維護方法進行了探討與總結。
【關鍵詞】: 換刀裝置、動作原理、電氣控制、故障解析
引言
加工中心是由機械設備與數控系統組成的適用于復雜零件加工的高效自動化機床。它與一般數控機床的顯著區別是對零件經行多序加工的能力，即在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻絲等加工。之所以加工中心能夠廣泛運用，是因為其能夠利用刀庫實現自動換刀。因此自動換刀裝置功能的好壞關系到整個加工中心的性能。
自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉塔式、180°回轉式、回轉插入式、二軸轉動式和主軸直接式。按照換刀過程有無機械手參與，分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況。在有機械手換刀的過程中，使用一個機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過程。無機械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達位置換刀時，主軸移到刀庫換刀位置，利用主軸將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉到待命位置。主軸將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。
目前神龍公司襄陽工廠臥式加工中心換刀方法主要有兩種 :1. 主軸直接從刀庫取刀，這種方式主要在 COMAU、MAKIO 等加工中心上。2. 通過換刀裝置機械手交換主軸和刀庫中的刀具，這種方式主要在 NTC，DFMTP 等加工中心上。
本文結合襄陽工廠缸體 L7 線應用實例，對東風設備制造廠 DM500I 型臥式加工中心 DM40ATC自動換刀裝置（以下簡稱 ATC）的動作及控制原理、現場維護維修方法進行研究與探討。
1.DM40ATC 自動換刀裝置簡介及換刀過程說明
東風設備制造廠生產的 DM500 Ⅰ臥式加工中心主軸為電主軸，配置 DM40ATC 換刀裝置。換刀裝置運動采用 FANUC 伺服驅動器控制伺服電動機，通過齒輪傳動帶動凸輪旋轉，利用凸輪機構控制 ATC 機械手的旋轉、進退和松夾刀具。位置檢測通過伺服電機內置編碼器 + 外置原點開關來反饋，從而實現 ATC 運行位置的準確控制。
圖 1 ATC 機械手動作過程
換刀準備 : 刀庫待調刀具移動到換刀位置，主軸移動到換刀位置即第二原點，主軸定向。換刀條件滿足后，ATC 執行換刀動作。
ATC 動作步驟如下 :
① ATC 機械手在原位 ;
② ATC 機械手順時針旋轉 90°，主軸松開刀具，ATC 夾緊刀具 ;
③ ATC 機械手前進到位 ;
④ ATC 機械手順時針旋轉 180° ;
⑤ ATC 機械手后退到位，主軸夾緊刀具，ATC 松開刀具 ;
⑥ ATC 機械手逆時針旋轉 90°返回原位。
2.ATC 機械動作原理
2.1 ATC 機械手的旋轉運動
機構 1: 凸輪溝槽 + 機械手驅動軸上 6 個滾輪軸承。
如圖 2 圖 3 所示，凸輪旋轉時，通過外圓面上的溝槽，帶動 ATC 機械手驅動軸上的 6 個滾輪軸承旋轉，從而將凸輪的旋轉運動轉換成與之成 90°的 ATC 機械手驅動軸的旋轉運動。
圖 2 ATC 裝置機械裝配圖
圖 3 凸輪外圓面溝槽圖
2.2 ATC 機械手的前進和后退運動
機構 2: 凸輪溝槽 + 推桿上 1 個滾輪軸承。
如圖 2 所示，凸輪旋轉時，凸輪端面上的溝槽，帶動推桿上的軸承在溝槽中運動，從而將凸輪的旋轉運動轉換成推桿的來回擺動，帶動 ATC機械手驅動軸的前后運動。
2.3 ATC 夾刀和松刀
機構3:凸輪外圓面凸臺+1個軸承+連桿機構。如圖 2 圖 3 所示，凸輪旋轉時，凸輪外圓面上的凸臺推動機械手驅動軸中心的夾刀桿動作，克服彈簧力，從而將刀具松開 ; 當凸臺轉過軸承時，由于彈簧力，夾刀桿將往回拉，夾刀桿與卡刀舌頭的錐面配合，將刀具夾緊。
3．電氣程序控制原理
在自動的 ATC 循環過程中，電機的啟動由PMC 輸出點 Y0.0（ATC FWD）控制。Y0.0 主要取決于 R1.4（ATC ARM FWD）信號，R1.4信號主要取決于 R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信號。
R3.5（ATC CYCLE COMM）為 ATC 循環命令，條件滿足后接通 R3.7(ATC DRIVE CYCLE)，ATC 電機開始旋轉。
其中R101.0（ATC ARM STOP TIM）取反點，換刀臂運行過程中當 R101.0 有信號時 R3.7 會斷開，ATC 電機停止，在整個的 ATC 循環過程中會有兩次停止。因此 R101.0 信號時長決定著換刀臂停止的時長。R3.2（ATC ARM CYCLECOMP）為 ATC 循環完成信號，即 ATC 循環完成后 R3.7 斷開。
ATC 動作步驟② ATC 機械手順時針旋轉90°過程中，第一次停止啟動條件 R4.5（ATCCYCLE 1）有信號后經過 T9 定時器延時（默認值為 24ms）后，R101.0 有信號，ATC 機械手停止運動，同時，R4.5 接通后經過 T10 主軸開始松刀，并保持松刀狀態，刀具松開后，松刀信號 X2.1（TOOL UNCLAMP） 有 信 號，R101.0信號斷開，ATC 機械手停止解除，ATC 機械手繼續運動，直至 ATC 循環過程中滿足下一次停止條件。
ATC 動作步驟⑤ ATC 機械手后退到位過程中，第二次停止條件 X2.6（ATC ARM
RECOVERPOSITION）有信號且 ATC 機械手循環三完成信號 R4.7 有信號，經過定時器 T9 延時（默認值為24ms）后 R101.0 有信號，ATC 機械手停止運動。同時 R101.1(ATC CYCLE TOOL UNCLAMPAUX) 及 Y4.5(TOOL UNCLAMP) 信 號 斷 開 后，Y4.6（TOOL CLAMP） 接 通， 主 軸 開 始 夾 刀。
當 ATC 機械手上有刀時，X2.0（TOOL CLAMPHAVE TOOL）有信號后 R101.0 斷開，ATC 機械手停止解除，ATC 電機繼續旋轉 ; 當換刀臂上沒有刀時，為 X1.4（TOOL CLAMP NO TOOL）有信號后 R101.0 斷開，ATC 機械手停止解除，ATC 電機繼續旋轉。直至 X2.5(ATC ARM STOPPOS) 接通使得整個 ATC 循環完成即 R3.2（ATCARM CYCLE COMPLET）有信號。
4．機械結構引起的故障解析
4.1 刀庫的位置不好
現象 : ① ATC 機械手從刀庫取刀時，拔出后刀在 ATC 機械手上放的不正，刀具傾斜，導致插入主軸時插不進，刀具撞到主軸端面上 ; ②換刀時不能很好的插入到刀座內，或撞到刀座端面上。
原因 : 刀庫旋轉未到位即原定位置不準確。
方案 : 松開刀庫與轉動軸的連接漲套，稍許調整刀庫的轉角，使刀具與 ATC 機械手抓刀位置重合。
4.2 凸輪松動
現象 : 換刀時 ATC 機械手夾刀撞到主軸端面，手搖動 ATC 機械手，發現其圓周方向晃動大。
原因 : 凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘松，導致ATC 機械手不能很好的定位，換刀時停止的位置就忽上忽下。
方案:將凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘重新擰緊。
4.3 ATC 機械手位置軸向向前偏移
現象 : ① ATC 機械手將刀具裝入主軸后，ATC 機械手又將刀帶出，相當于 ATC 機械手軸向反彈 ; ②刀插刀主軸內時不到位，刀具不能在主軸上正常夾緊 ; ③ ATC 機械手不能正常轉動，旋轉時發澀。
原因 : 換刀裝置內，換刀臂進退推桿上的軸承碎，出現間隙或卡主。
方案 : 吊出上部電機及電機座，拆下推桿，更換軸承 KRV30PP。
4.4 換刀臂運動過程中卡主
現象 :ATC 機械手在旋轉過程中，運動到一定的部位就卡住。
原因 :ATC 機械手驅動軸改變運動方向的轉塔上的 6 個軸承有松動。
方案 : 重新將軸承裝到位后頂緊頂絲。
4.5 換刀時兩把刀同時被摔掉
現象 : 換刀時兩把刀同時被摔掉。
原因 : ①換刀臂銷子直徑尺寸過大，導致卡刀舌頭有時運動不暢 ; ②卡刀舌頭復位彈簧力不夠。
方案 : ①重新更換尺寸合適的換刀臂銷 ; ②更換彈力適當的彈簧。
4.6 在刀庫內掉刀
現象 : 刀具交換結束后，換刀正常，但是刀掉在刀庫內。
原因 : 刀座進雜質。
解決 : 將刀座拆下清潔，加潤滑油后恢復。提前預防 : 操作工在換刀裝刀時，注意刀具是否在刀座內裝到位，刀具與刀座是否還有間隙或者刀很容易就被拔出。發現可用切削液沖洗刀座內部，還不行就需要維修工將刀座解體修理。
5．電氣控制引起的故障解析
5.1 凸輪轉不到位
現象 : 在主軸側抓刀時，換刀臂轉到 90°時有回彈的動作，導致沒有卡緊刀，主軸松刀后刀直接掉到地上 ;
原因 : 凸輪沒有轉到位 , 使得換刀臂到位后不能自鎖，從而出現反彈，
方法 : 需要增在轉動時間，查看 PMC, 調整控制電機轉到 90°位置時的控制時間 T9, 微調逐步增加，直至抓刀平穩。
5.2 換刀臂換刀時同時摔掉兩把刀
現象 : 在自動換刀過程中直接摔掉兩把刀（檢查機械換刀位置，以及夾刀力，卡刀舌頭均未發現明顯的問題，檢查精確調整之后仍然掉刀）。
原因 : 在快速換刀時，鎖刀舌頭卡刀時要縮回，還來不及彈出就被拉刀桿拉緊，被拉刀桿錐端卡住，導致鎖刀舌頭不能伸出，不能正常卡緊刀具，導致抓刀后兩把刀都掉。
方案 : 將變頻器控制速度降低之后逐步往上加，然后調整控制時間，使得不出現 5.1 的故障即可。
5.3 換刀臂夾刀具放不進主軸，即刀具撞主軸
現象 : 換刀臂帶著刀直接撞向主軸，不能完全插入。
原因 : 主軸定向偏移。
方案 : 重新標定主軸定向位置，并解決主軸定向偏移。主軸定向偏移原因及解決方案 : 主軸編碼器屏蔽線屏蔽功能不好，導致信號有干擾，脈沖丟失主軸定向位置偏移，需要重新將編碼器屏蔽線接地線。
6. 結束語
從前期故障處理過程來看，換刀過程控制是通過傳感器信號和延時控制，因此換刀裝置故障往往不是單一的，可能有電氣與機械故障的雜合，因此處理故障時思考問題需要綜合考慮。
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