数控车床刀塔故障分析

刘少锋

（西安航空动力控制公司 西安）

刀塔是数控车床的核心部件，也是机床的重要组成部分，换刀过程的好坏直接关系到机床的可靠运行，直接影响数控车床的使用效率。刀塔的种类繁多，从早期的液压、霍尔元件刀塔，到现在的编码器电动控制，伺服伺服控制刀塔。控制过程虽然存在差异，但是控制过程却基本相同，基本控制原理为：数控系统发出选刀指令，PLC发出逻辑分析处理，刀架松开，刀位抬起旋转，选刀指令与目标到位比较，符合到位应答，翻转定位锁紧，换刀完成。换刀步骤很多，而且逻辑控制的时序性也很强。

公司的简易数控车床主要应用的是国产的LDB4系列4工位电动刀架，在长城CK7815和DMG的CTX310用的是意大利Duplomaic 12工位的刀塔（型号为BSV-N200），以这2种刀塔为例探讨。

一、简易数控车床CJK6140H的4工位刀架

1.工作原理

图1 4工位电动刀架结构图

刀架属于4工位刀架，由电机、蜗轮和蜗杆结构、丝杠和螺母结构、霍尔元件定位系统等组成，结构原理图见图1。控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。

2.常见故障及诊断

在日常维修中在宝鸡简易车和济南简易车刀架中经常会遇到几种问题。

（1）刀架不能启动。机械方面原因，当用六方扳手插入刀架螺杆前端旋转不易转动，基本可以判断刀架内部机械卡死。一般情况可手动用六方扳手强行旋转一个角度，使刀架旋转转过死点，可恢复刀架的正常使用。如不能手动旋转，那就要将刀架分解，检查刀架内部。由于此类刀架在机床多年使用后，上盖密封性变差，使冷却液容易进入刀架内部，使刀架内部机械结构生锈磨损，刀架在旋转时出现卡死现象。分解刀架检查或更换磨损部位，清除刀架内积存冷却液及油污，将各个部位调整到合适位置并增加密封，重新加入润滑油。

电气方面原因。刀架不旋转时，电气首先检查刀架电机空气开关是否断开，如果断开重新闭合空气开关，启动换刀指令，空开立刻断开，是电路中有短路现象，此时就要检查电机旋转接触器，电机线及刀架电机。还有一种情况就是在拆除过电机线后重新接上，发现刀架不旋转，空开断开，此时就要检查电机相序是否接的正确。

（2）刀架连续旋转到位不停。由于刀架能够连续旋转，所以，机械方面出现故障的可能性很小，主要从电气方面检查，此种情况首先考虑控制回路，在刀架旋转过程中，可以通过PLC输入信号X21.0，X21.1，X21.2,X21.3，这4个点即4个刀位到位信号是否有0到1或1到0的变化，就可以判断霍尔元件是否好坏，如果某个点没有变化，那就可以根据相应的点，判断对应的霍尔元件损坏或此霍尔元件对应的信号线有短线。如果这4个PLC输入点都没有变化，那就要检查24 V是否到发信盘。同时也要检查发信盘是否有腐蚀现象，必要时更换发信盘。

（3）刀架不能锁紧。发信盘位置没有对正，拆开刀架的顶盖，旋转并调整发信盘的位置使刀架的霍尔元件对正磁铁即可。系统反锁时间不够，调整系统反锁时间参数。检查机械锁紧机构，定位销是否折断。

二、长城CK7815意大利BARUFFALDI TS200/12刀塔

公司的长城全功能数控车CK7815和德马吉公司的数控车床CTX310，都是采用的意大利BARUFFALDI TS200/12电动刀塔，刀塔采用行星轮系传动的减速机构，结构紧凑，传动效率高。刀盘无需抬起实现转位刹紧控制。这样可以防止机床切屑过程中铁屑、灰尘、切削液等影响精定位端齿盘，从而保证刀架的高定位精度，其外观见图2。刀塔可双向回转和任意刀位就近选刀，大大减少了刀塔转位的辅助时间。

1.工作原理

图2 TS200/12刀塔外观图

图3 TS200/12刀塔换刀时序图

CK7815数控车床上转塔换刀过刀架换刀过程要4工位电动刀架换刀过程复杂得多，各部分的动作都有严格的时序关系，图3是CK7815电动刀塔换刀时序图，当PLC应用程序接收到数控系统发出的换刀指令后，首先根据当前的刀具位置确定出就近旋转到目标刀具的方向，刀架制动松开，启动电机按判定的方向转动，同时检测刀位编码器发出的实际刀位信号和选通信号。当选通信号由1变为0，即选通信号下降沿出现，PLC程序控制预分度电磁铁通电动作，这时PLC程序监控分度开关的上升沿，直到分度插销插入机械停止槽。分度开关信号的上升沿出现，电机立即停止转动，经延时后控制电机向相反方向转动。这时刀塔进入锁紧过程，一旦锁紧开关由0变为1，即锁紧开关信号的上升沿出现，电机停止转动，经延时刀塔制动，预分度电磁铁断电释放。为了说明得更清楚明了一些，用图4流程图说明整个换刀过程。

图4 换刀过程

2.常见故障及诊断

（1）刀塔未锁紧报警。这个报警在工作中经常会遇到，对这类报警一般先要判断，刀塔是否真的没有锁紧，这时可以用手使劲转动刀塔，看是否能够刀塔有晃动的现象，如果已经锁紧，检查PLC刀塔锁紧信号X6.6，看是否为1，如不为1，则检查刀塔锁紧开关是否损坏或断线，还有就是检查锁紧开关位置是不是调整合适。

当刀塔确实没有锁紧或选刀时不停时，就要检查预分度开关，可在PLC界面查看X5.7在预分度电磁铁动作时，是否有0和1的变化，如果没有变化，就要检查预分度开关的好坏，在实际维修过程中，可能会遇见很多种情况，在一次维修时，曾发现预分度开关信号在换刀时从0到1有，但是在由1到0时，有时正常有时不正常。调整开关位置及检查预分度电磁铁等都没发现问题，在预分度电磁铁下的2个弹簧长度有些不一样，试着更换了2个相同长短的弹簧后，故障消除。还有一次，刀架换刀后常无法锁紧或出现换刀超时报警。经过检查，发现是固定弹簧的销子松动，重新固定后，故障现象消除。另有一次，发现刀架塔机在反方向转动时能机械锁紧，仅正转时不能锁紧。检查后发现，插销在反转时不能插入机械停止槽内。仔细检查后，发现插销打磨得很厉害。插销一插入就滑出来，根本无法正常插入机械停止槽内。取下插销处理后，故障消除。

影响刀架分度定位的主要部件是刀具位置编码器、分度开关、预分度电磁铁、插销，其中任何一个环节存在问题，都将影响到刀架的预定位。在不拆卸转塔刀架的情况下，手动控制电机的转动、制动，通断预分度电磁铁24 V直流电源，观察电机、制动器、电磁铁、刀具位置编码器、及插销的工作情况及信号变化，快速对故障原因做出判断。

（2）换刀过程中出现空气开关跳闸现象。出现这种情况，主要是短路和过载，一般情况是在换刀指令执行后，换刀接触器吸合瞬间跳闸，就要检查刀塔电机和电源线是否有短路现象，如果是接触器工作一段时间后再跳闸，那可能是电机缺相或机械上有卡死现象。

（3）换刀中出现乱刀现象。出现该故障的一般是编码器故障或编码器短线，需检查编码器。

在维修过程中，可能同一故障原因有不同的表现形式，也有可能同一表现形式由不同的原因造成，这就是对维修人员的考验，只要理解其工作原理，不管是那种刀塔，在实际维修中，都可以对其故障做到快速准确判断。