数控系统典型报警故障处理

项目5　数控系统典型报警故障处理

知识目标

1.熟悉数控机床返回参考点的工作原理；

2.了解机床返回参考点的工作方式；

3.掌握机床回参考点的操作过程；

4.熟悉机床发回参考点常见故障分析。

技能目标

1.会排除机床常见不回参考点的故障；

2.能掌握机床5种未找到参考点故障的维修与排除；

3.能对故障现场进行探测以及相关资料的查阅。

任务1　数控机床返回参考点常见故障现象及排除

◎任务提出

MVC400加工中心在返回参考点时未找到参考点，出现超程报警（OVER TROVERL现+ X或+ Y + Z），回参考点绿灯不亮。

有两台数控机床（FANUC 0i）不能正常回零，其中1台为数控车床电机编码器为增量，其故障表现形式为：X轴手动回零过程中，没有减速，直到压到限位开关出现急停报警，其他轴回零正常。另一个为数控铣床并且电机编码器为绝对值，开机出现#300报警（绝对位置丢失）。从机械系统、电气系统、数控系统3个方面对故障现象产生的原因进行全面分析，并排除故障。

◎任务目标

1.会排除机床常见不回参考点的故障；

2.能掌握机床5种未找到参考点故障的维修与排除；

3.能对故障现场进行探测以及相关资料的查阅。

◎相关知识

一、数控返回参考点的必要性

数控机床位置检测装置如果采用绝对编码器时，由于系统断电后位置检测装置靠电池来维持坐标值实际位置的记忆，所以机床开机时，不需要进行返回参考点操作。但是目前，大多数数控机床采用增量编码器作为位置检测装置，系统断电后，工作坐标系的坐标值就失去记忆，机械坐标值尽管靠电池维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的实际坐标，所以机床首次启动系统或在执行了系统“急停”或“复位”操作后，要进行返回参考点操作，是系统的位置记数与脉冲编码器的零位脉冲同步。机床执行返回参考点操作具有以下优点：

①系统通过参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。

②可以消除丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距误差补偿对加工的影响。

二、机床回参考点的操作过程

下面以FANUC 0i系统MVC400加工中心为例，说明数控机床回参考点的操作过程，其他系统与之类似。

①在手动模式（JOG）下，选择“Ref”操作方式。

②按对应轴运动方向键，如+ Z，+ X，+ Y键。被选择的坐标轴以快速移动速度移向参考点。

③当与工作台一起运动的减速挡块压下减速开关接触点时，减速信号由通（ON）转断（OFF），工作台进给减速，按参数设定的慢速进给速度继续移动。减速可削弱运动部件的移动惯性，使零点停留位置准确。

④栅格法是采用脉冲编码器上每转出现一次的栅格信号（又称一转信号）来确定参考点的，当减速挡块释放减速开关触点。触点状态由断转为通后，FANUC 0i数控系统将等待编码器的第一个栅格信号出现。该信号一出现，工作台运动就立即停止，同时数控系统发出参考点返回完成信号，参考点灯亮，表明MVC400加工中心回参考点成功。

有的数控机床在减速信号由通（ON）转断（OFF）后，减速向前继续运动。当脱开开关后，轴则向相反的进给方向运动，直到数控系统接收到第1个零点脉冲，轴停止运动。

三、数控机床返回参考点的方式

返回参考点的方式分为如下4种方式：

①手动回原点，回原点轴以快速移动速度向原点移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回原点轴减速到较慢采参考点定位速度，继续向前移动；当减速开关被释放后，系统开始检测编码器的栅点或零脉冲；当系统检测到第1个栅点或零脉冲后，电机停止转动，当前位置为机床零点，如图5. 1所示。

②回原点轴先以快速移动速度向原点移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回零轴减速到较慢的参考点定为速度，轴向相反方向移动；当减速开关被释放后，系统开始检测编码器的栅点或零脉冲；当系统检测到第1个栅点或零脉冲后，电机停止，当前位置即为机床零点，如图5. 2所示。

③回原点轴先以快速移动速度向原点移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回零轴减速到较慢的参考点定位速度，轴向相反方向移动；当减速开关被释放后，回零轴再次反向；当减速开关在此被压下后，系统开始检测编码器的栅点或零脉冲；当系统检测到第1个栅点或零脉冲点后，电机停止，当前位置即为机床零点，如图5. 3所示。

图5.1

图5.2

图5.3

图5.4

④回原点轴接到回零点信号后，就在当前位置以一个较慢的速度向固定的方向移动，同时系统开始检测编码器的栅点或零脉冲；当系统检测到第1个栅点或零脉冲后，电机停止，当前位置即为机床零点，如图5. 4所示。

一般FANUC系统的机床采用①或②回参考点。

采用何种方式是通过PLC的程序编制和数控系统的机床参数设定决定的。轴的运动速度也是在机床参数中设定的，数控机床回参考点的过程是PLC系统与数控系统配合完成的，有数控系统给出回命令，然后轴按预定方向运动压向零点开关（或脱离零点开关）后，PLC向数控系统发出减速信号，数控系统按照预定方向减速运动，由测量系统接收零点脉冲，接到第一个脉冲后，设计坐标值。所有的轴都找到参考点后，回参考点的过程结束。

四、机床返回参考点的原理

图5.5　磁感应开关

数控机床按照控制理论可分为全闭环、半闭环、开环系统。全闭环数控系统装有检测最终直线位移合角位移的反馈装置，半闭环数控系统的位置测量装置安装在伺服电动机转动轴上或丝杠的端部，也就是说反馈信号取自角位移，而开环数控系统不带位置检测反馈装置。对于闭环、半闭环数控系统，通常利用位移检测反馈装置脉冲编码器或光栅尺进行回参考点定位，即栅格法回参考点。而开环系统则需另外加装检测元件，通常利用磁感应开关回参考点定位，即磁开关返回参考点如图5. 6所示。

为保证准确定位，在到达参考点之前必须使数控机床的伺服系统自动减速，因此在多数数控机床上安装减速挡块及相应的检测元件。栅格法根据检测反馈元件计量方法的不同又可分为绝对栅格法和增量栅格法。采用绝对脉冲编码器或光栅尺回参考点的称为绝对栅格法，在机床调试时，通过参数设置和机床回零操作确定参考点，只要检测反馈元件的后备电池有效，此后每次开机，均记录有参考点位置信息，因而不必再进行回参考点操作。

采用增量式编码器或光栅尺回参考点的称为增量栅格法，每次开机时都需要回参考点。不同数控系统返回参考点的动作、细节有所不同，如图5. 7所示。其中以某数控铣床（采用FANUC 0i系统）为例，简要叙述增量栅格法返回零点。

图5.6　磁开关法回参考点原理

图5.7　增量栅格法回参考点原理

◎任务实施

一、MVC400加工中心机床回参考点故障原因

1.故障类型

针对不同型号、不同系统的加工中心，出现此类回参考点故障主要有以下3种情况：

①出现超程报警。

②回不到参考点，参考点指示灯不亮。

③回参考点时报警，并有报警信息。

本任务中，具备以上故障类型，兼有3种类型的特征，即出现超程报警，参考点指示灯不亮，有报警信息。

2.故障原因

通常情况下，找不到参考点主要表现为机床超程报警，其主要原因见表5. 1。

表5.1

续表

3.故障分析点

数控机床返回参考点常见故障的检查关键点：

①检查减速挡块和减速开关的状态。如减速挡块有无松动现象，减速开关是否牢固、有无损坏；减速挡块的长度是否合适；移动部件回原点的起始位置、接近原点速度的参数设置。快速进给时间常数的参数设置以及参考计数器的设置是否合适等。

②检查减速开关导线是否有老化、断裂现象。

③检查回原点模式。检查是否开机后的第1次回原点，是否采用绝对式位置检测装置。

④检查各种参数设置。检查伺服电机每转的运动量指令倍乘比及倍乘比的设置；检查回原点快速进给速度的参数设置、接近原点速度的参数设置、快速进给时间常数的参数设置以及参考计数器的设置是否合适等。

⑤检查I/ O LINK和监控I/ O点。首先检查I/ O LINK是否正常运行，然后在系统I/ O监控画面查看回参考点状态。

4.返回参考点故障诊断与维修一般流程

①机床停止状态下，先检查原点减速挡块是否松动、减速开关固定是否牢固、开关是否损坏，如果减速挡块松动、减速开关固定不牢固，则拧紧即可；若开关损坏，则更换开关。

②检查导线并测量导线。检查导线绝缘皮是否有无破皮、断裂，并用万用表测量导线有无短路或断路现象。

③检查I/ O LINK的回参考点是否损坏。

④如果上步不存在问题，应进一步用千分表或激光测量仪检查机械零部件相对位置的漂移量，若多次测量漂移量不在允许范围内则需检查修光栅尺或编码器。

⑤如果上步不存在，则检查伺服电机每转的运动量、指令倍率比（CMR）及检测倍乘比（DMR）是否与厂家设定相同，若不同需修改。

⑥如果上步不存在问题，则检查回原点快速进给速度的参数及接近原点的减速速度的参数是否设定一致，若不同需修改。

⑦如果以上步骤检查正常，则诊断结束。

二、MVC400加工中心机床回参考点故障排除

对于回参考点时出现超程报警的故障，针对报警信息，应首先查看机床说明书，了解返回参考点控制原理，并作相应处理。对于硬度不良，需要维修或更换；对于参数设置错误，需要按备份参数重新设置。任务故障一般有5种情况：

第1种：机床回参考点时无减速动作，一直运动到触及限位开关超程而停机。

诊断：这种情况是因为返回参考点减速开关失效，接触开关压下后不能复位，或减速挡块松动而位移，机床回参考点时零点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统所致。

维修：使用“超程解除”功能按钮，解除机床的坐标超程报警，并将机床坐标移回行程范围内，然后检查减速挡块和回参考点减速开关是否松动及相应的行程开关减速信号是否有短路现象。经检查，发现该机床在回参考点时，当压下减速开关后，坐标轴无减速动作，由此判断故障原因应在减速检测信号上。通过系统的输入状态显示，发现该信号在回参考点减速挡块压下与松开情况下状态均无变化。对照原理图检查线路，确认该轴的回参考点减速开关由于切削液的浸入而损坏。更换开关，机床恢复正常。

第2种：返回参考点过程有减速，但直到触及极限开关报警而停机，没有找到参考点，回参考点操作失败。

诊断：产生该故障可能是由于减速后参考点的零标志位信号未出现，这有4种可能。

①编码器（或光栅尺）在回参考点操作中没有发出已经回参考点的零标志位信号。

②回参考点零标志位置失效。

③回参考点的零标志位信号在传输或处理过程中丢失。

④测量系统硬件故障，不识别回参考点的零标志位信号。

维修：首先悬挂“正在维修，严禁合闸”“请勿靠近”警示牌。轴能减速运动，说明零点开关没有问题，主要是回参考点减速开关产生的信号或零标志位脉冲信号失效（包括信号未产生或在传输处理中丢失），使得数控系统接收不到信号。如果采用脉冲编码器作为位置检测装置，则表现为脉冲编码器每转的基准信号（零标志位信号）没有输入到主印制电路板，其原因常常是因为脉冲编码器断线或脉冲编码器的连接电缆、抽头断线。

排除方法：可通过先外后内的方式和接口的I/ O状态指示直接观察信号的有无。所谓“内”，是指脉冲编码器中的零标志位或光信号跟踪法；所谓“外”，是指安装在机床上的减速挡块和回参考点减速开关。可以用CNC系统PLC栅尺上的零标志位，采用示波器检测零标志位脉冲信号。使用信号跟踪法，是指用示波器检查编码器回参考点的零标志位信号。若没发现信号，经检查发现编码器内有油污，使零标志位信号不能输出，则将编码器取下清洗并重新安装，故障即可排除。如果故障仍未排除，则可能是编码器出现故障，应考虑维修或更换编码器。

第3种：回参考点过程有减速，且有回参考点的零标志位信号出现，也有制动到零的过程，但参考点的位置不正确，即返回参考点操作失败。

诊断：经分析，产生回参考点位置不正确（或找不到参考点）故障有4种可能。

①减速挡块离参考点位置太近，坐标轴未移动到指定距离就接触到极限开关而停机。

②回参考点的零标志位信号已被错过，只能等待脉冲编码器再转1周后，测量系统才能找到该信号而停机，使工作台停在距参考点1个选定间距位置（相当于编码器1转的机床位移量）。

③由于信号干扰、减速挡块松动、回参考点零标志位信号电压过低等因素致使工作台停机的位置不准确，且无规律性。

④CNC的后备电池失效，造成参数丢失，重新将备份参数装入后，再回参考点时出现各轴在行程范围中间位置处发生软限位超程报警，此时用手动方式移动各轴，即使其机械位置在行程范围内，CRT也显示各轴位置坐标软限位超程报警，这是因为重装电池开机时CNC把此时的机械位置当作参考点的位置了。

维修：首先悬挂“正在维修，严禁合闸”“请勿靠近”警示牌。对于此类故障，多数情况是由减速挡块安装位置不正确或减速挡块太短所致。

对于第1种可能的维修方法是：先调整减速挡块的位置或减速开关的位置，或适当增加减速挡块长度即可解决此故障。若重试结果不正常，则减小快速进给速度或快速进给时间常数的设置值，重回参考点。减速挡块调整步骤一般为：

①用手动方式回参考点，记录停在参考点时的位置显示值。

②以低速反向移动轴，直到碰上减速挡块，记下此时的位置显示值。

③求出上述两个位置显示值之差。

④调整减速挡块位置使该差值约为半个丝杠螺距。

如上述办法用过后仍有偏离，则应检查参考计数器设置的值是否有效，修正参数设置。

对于第2、第3种可能的维修方法主要是检查排除外界干扰。如屏蔽线接触不良、检测反馈元件的通信电缆与电源电缆靠得太近、脉冲编码器的电源电压过低、脉冲编码器的损坏、数控系统的主印制电路板接触不良、伺服电动机与工作台联轴器连接松动、伺服轴电路板或伺服放大器板接触不良等，在排除此类故障时，应有开阔的思路和足够的耐心，逐个原因进行检查、排除，直到排除故障。

对于第4种可能的维修方法是：应先将各个轴正向软限位值设成最大值，再将三轴回参考点，建立正确的机床零点，然后再将三轴软限位改为原值。具体操作步骤如下：

第1步：在MDI模式下、按OFFSET键，在OFFSET菜单下，设置PWE = 1（参数设定允许）。

第2步：将CNC参数No. 700、No. 702、No. 704（X，Y，Z）三轴分别设为最大值。

第3步：将X，Y，Z轴手动移开机械原点一定距离。

第4步：在参考点回零模式下，将各轴手动回参考点。

第5步：仔细观察各轴是否在回参考点位置上，特别是与ATC（刀库）有关的Z轴。若位置不准确，重复第3步、第4步直至准确。

第6步：将第2步中改过的参数重新改回来。

第7步：将PWE（参数设定允许）重新设置为零。

这样，回参考点出现超程报警的问题解决了。

第4种：机床再返回参考点时，发出“未返回参考点”报警，不执行返回参考点动作。

诊断：其原因可能是因为改变了设定参数所致。

维修：首先悬挂“正在维修，严禁合闸”警示牌。出现这种情况应该考虑检查数控机床的如下参数：

①指令倍率比（CMR）是否设为零。

②检测倍乘比（DMR）是否设为零。

③回参考点快速进给速度是否设为零。

④接近原点的减速速度是否设为零。

⑤机床操作面板快速倍乘率开关及进给倍率开关是否设置了0挡。

如果上述参数中有的设为零，则需按照原参数进行修改，重新执行返回参考点操作即可。

对于这4种情况，由于有报警存在，数控系统不会执行用户所编辑的任何加工程序，及时排除即可，从而避免了批量废品产生。

第5种：对于绝对编码器#300的故障处理，绝对值编码器是有电池记录当前开机位置断电以后并记录。当出现报警#300时，说明电池记录的当前位置丢失。方法是将相关的绝对值参数进行修改，并且重新回参考点。

◎思考题

1.为什么要设置机床回参考点？

2.如何消除回参考点出现超程报警？并思考回参考点原理。

3.怎样监控I/ O？

任务2　数控机床运行中限位报警的处理

◎任务提出

数控机床（FANUC 0i MC）工作中突然断电，重新启动后出现类似#500报警，提示X轴正向发生软超程，从X轴位置看，并不在行程之外，复位后X轴只能负方向移动，正方向一移动就出现正方向超程报警。排除该故障。另一数控铣床（FANUC 0i MC），工作台行程（X，Y）向X为250 mm，Y为200 mm，Z为500 mm，完成机床软限位设置调整。

◎任务目标

1.排除机床的限位报警；

2.熟悉限位开关的接线原理；

3.了解限位开关的作用。

◎相关知识

一、软件限位、硬件限位设置方法（软件限位一般在有绝对值编码器电机时设置）

1.软件限位和硬件限位的含义

自动进行超程检测，是数控系统的基本功能。当机床位置超出机床参数设定的范围时（一般设在机床最大行程处），机床将自动减速并停止移动，并出现相应的报警。这种靠参数设定、CNC自动判断进行超程检测的方法称为软件限位。

如果伺服反馈系统发生故障，CNC无法检测到实际位置，则机床将超出软件限位值而继续移动，将会发生机械碰撞，这是不允许的，为此必须安装行程限位开关，作为超程信号，迫使机床停下来，这称为硬件限位。

2.软件限位和硬件限位的设置

如图5. 8所示SQ1为机床X轴方向的硬件限位保护行程开关，SQ4为机床X轴正向返回参考点的减速开关（参考点的位置通常都设在各个轴正向行程极限附近，也有厂家将个别轴设在负向极限附近）。软件限位中参数设定的行程极限值不能超过机床的硬件限位保护范围，否则软件限位功能不起作用。

图5.8

3.硬件限位的电气控制

将硬件限位开关与急停信号串联，当开关被挡块压上后，CNC复位并进入急停状态，伺服电动机和主轴电动机立即减速停止，机床立刻停止移动。这个状态与按下面板上急停按钮的状态是一样的，如图5. 9所示。KA1的一对接触点被接入伺服放大器PSM电源模块的CX4端子（i）或者第一个放大器CX30接口，另一对接触点接到I/ O模块的急停输入（X8. 4）上。

图5.9

4.软、硬限位的设置条件

软件限位点、硬件限位点、机械式挡块点（机械碰撞位置）的相对位置关系如图5. 10所示。

图5.10

①硬件超程急停生效时，应保证在机械式挡块产生碰撞前，坐标轴能够紧急制动并停止，因此，动作点与坐标轴产生机械碰撞的距离最好大于紧急制动所需的减速距离，见式（5. 1）。

式中 L1——硬件限位开关离机械碰撞区的距离，mm；

　t1——行程开关发信延时，ms；

　Ts——伺服时间常数，ms；

　vR——快移速度，mm/ min；

　t2——系统信号接收电路的固定延时，ms。②正常情况下，应保证在软件限位起作用时，不会导致硬件限位开关动作。软件限位作用时，实际的停止点可能超过参数设定的位置，超过距离见式（5. 2）。

式中 L2——软件限位设定点离硬件限位开关的距离，mm；

　vR——快移速度，mm/ min。

③设置举例

vR=15 000 mm/ min（PRM1420），Ts=33 ms（PRM1825），t1=15 ms，t1=30 ms，则

由此可见，如果在行程保护到达前不对坐标轴的运动速度加以限制，则必须留有较大的行程余量。因此，在实际机床设计时一般需要通过外部减速、软件限位等措施将运动速度限制在某一较小的值上，以减小行程余量。

5.软、硬件限位点的设定和调整

首先按照机床安装图纸装好行程开关、挡板与槽板。各轴的硬件限位点有正、负向两个，调整硬件限位开关和挡块位置时，应确保开关动作点距离机械碰撞区达到20 mm以上。

在确定了各轴硬限位点和零点位置后，对各轴的软限位点进行调整。调整前将参数1320（各轴正向软件限位，单位μm）设定为99999999，参数1321（各轴负向软件限位，单位μm）设定为99999999，即先使软限位无效。调整时使用手轮或在手动寸进的方式下使所调轴到达距离硬件限位点2～3 mm处，将该点设为软限位点（如图5. 8中的T1，T2），将该点的机床坐标转换成系统的检测单位后，分别输入到系统参数1320和1321中。

如一数控铣床，工作台行程（X，Y向）X方向为600 mm，Y方向为450 mm，主轴头垂直行程（Z向）为520 mm。该机床软件限位和硬件限位的相对位置关系如图5. 11所示（以X轴为例）。在参数1320中，X，Y，Z均设为1000，在参数1321中，X，Y，Z分别设为- 601000，-451000，-521000（单位为μm）。

图5.11

二、轴超程故障分析处理

如果轴在运动过程中碰到软件极限，系统会发出类似#500、#501号报警信息，提示操作者轴已运动至软件极限值，此时操作者只需在JOG方式下，反方向退出极限区。按下RESET键使系统复位，消除超程报警。

如果轴由于运动速度过快而越过软件极限，到达硬件极限，系统会显示紧急停止报警信息或者超程（EMERGENCY STOP），此时机床在任何操作方式下都不能运动。要退出超程状态，操作者必须在JOG方式下，同时按下“超程解除”按钮（如图5. 12中的SB6）和方向键，反方向退出。

图5.12

如果机床出现软件超程而系统处于死机状态时（重新启动系统发现软件限位无效），首先把存储行程极限参数设定为无效，即参数1320设定为99999999，参数1321设定为-99999999，然后系统断电再重新通电，进行机床返回参考点操作后再设定系统的存储行程极限参数。如果机床还出现超程报警或系统死机，则必须把系统参数全部清除，并重新恢复参数。

如果系统存储行程极限值设定在机床返回参考点之前（为了避免加工时刀具超过指定范围），那么机床首次开机时，返回参考点操作就会出现超程报警。解决办法是：同时按下系统MDI键盘的P和CAN键后，系统通电。这样操作的目的是：系统开机首次返回参考点不进行存储行程极限值的检测，机床返回参考点之后，系统行程极限值检测才有效。

◎任务实施

1.故障原因

操作中突然断电，造成系统内软限位参数丢失。系统默认为参数1320为零，使得系统认为当前状态X轴处于超程状态，故出现#500报警。

（1）加工中心超行程故障分析

该任务故障为机床正在加工时断电所致，从X轴停的位置看，此轴未超出行程范围，检查机床软件限位参数，发现没有变化，正向移动就出现正向超程报警，判断是零点丢失。

（2）加工中心超行程故障排除

将机床的软极限位参数全部设为极限值，即1320中X轴设为99999999，1321中X轴设为-99999999，故障随之消除。重新回零后，再把参数1320和1321恢复到正常数据，移动各轴，轴行程正常。

2.机床软限位设置调整

第1步：在MDI模式下、按OFFSET键，在OFFSET菜单下，设置PWE =1。

第2步：将参数1320（各轴正向软件限位，单位μm）设定为99999999，参数1321（各轴负向软件限位，单位μm）设定为-99999999，即先使软限位无效。

第3步：各轴回零。

第4步：用手轮方式下，使X轴超过零点继续向正方向移动，在正向硬限位点前2～3 mm处停下，将此处的机床坐标转换成系统的检测单位后，输入到系统参数1320中。如X轴机械坐标为4 mm，则参数1320中X值设置为4000，负方向移动X轴，在负向硬限位点前2～3 mm处停下，将此处的机床坐标转换成系统的检测单位后，输入到系统参数1321中。如X轴机械坐标为-254 mm，则参数1321中X值设置为-2544000。

第5步：同样完成Y、Z轴的软限位点的设定。

第6步：各轴软限位检查，确定软限位设定准确有效。

◎思考题

1.机床为什么要设置软件、硬件限位？

2.软件、硬件限位的区别是什么？

3.分析硬件限位的原理。

任务3　数控加工中心换刀装置的常见故障处理

子任务1　斗笠式刀库乱刀故障及处理方法实例

◎任务提出

以MVC400数控加工中心为例，分析加工中心在换刀过程中出现乱刀现象，并伴随有主轴上的刀装不到位现象。试对带刀库的自动换刀系统的故障、产生原因等方面进行分析，并排除故障。

◎任务目标

掌握加工中心刀库的自动换刀系统换刀时掉刀故障及排除方法。

◎相关知识

（1）加工中心采用的换刀装置为带刀库的自动换刀系统，它有效实现了“多种工序集中”的功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、锪、攻螺纹等多种工序加工。

（2）加工中心的刀库按其形式可分为盘式刀库、链式刀库等，按换刀方法不同分为有机械手换刀和无机械手换刀两种。选用何种结构形式，根据工艺、刀具数量、主机结构、总体布局等多种因素决定。

（3）带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。使用时，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中。换刀时先在刀库选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放在刀库。

（4）加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更具有柔性化。加工中心常用的刀库有斗笠式、凸轮式、链条式等，其中斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，10～24把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。

（5）斗笠式刀库的动作过程。斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴平行移动，首先，取下主轴上原有刀具，当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具；其次，主轴安装新刀具，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。刀库具体动作过程如下：

①刀库处于正常状态，此时刀库停留在远离主轴中心的位置。此位置一般安装有信号传感器（为了方便理解，定义为A），传感器A发送信号输送到数控机床的PLC中，对刀库状态进行确认。

②数控系统对指令的目标刀具号和当前主轴的刀具号进行分析。如果目标刀具号和当前主轴刀具号一致，直接发出换刀完成信号。如果目标刀具号和当前主轴刀具号不一致，启动换刀程序，进入下一步。

③主轴沿Z方向移动到安全位置。一般安全位置定义为Z轴的第1参考点位置，同时主轴完成定位动作，并保持定位状态；主轴定位常常通过检测主轴所带的位置编码器一转信号来完成。

④刀库平行向主轴位置移动。刀库刀具中心和主轴中心线在一条直线上时为换刀位置，位置到达通过信号传感器B反馈信号到数控系统PLC进行确认。

⑤主轴向下移动到刀具交换位置。一般刀具交换位置定义为Z轴的第2参考点，在此位置将当前主轴上的刀具还回到刀库中。

⑥刀库抓刀确认后，主轴吹气松刀。机床在主轴部分安装松刀确认传感器C，数控机床PLC接收到传感器C发送的反馈信号后，确认本步动作执行完成，允许下一步动作开始。

⑦主轴抬起到Z轴第1参考点位置。此操作目的是防止刀库转动时，刀库和主轴发生干涉。

⑧刀库旋转使能。数控系统发出刀库电机正/反转启动信号，启动刀库电机的转动，找到指令要求更换的目标刀具，并使此刀具位置的中心与主轴中心在一条直线上。

⑨主轴沿下移到Z轴的第2参考点位置，进行抓刀动作。

⑩主轴刀具加紧。加紧传感器D发出确认信号。

刀库向远离主轴中心位置侧平移，直到PLC接收到传感器A发出的反馈确认信号。

主轴定位解除，换刀操作完成。

刀库仅有以上4个传感器是不够的，为了保证数控机床的安全，保证刀库的换刀顺利完成，在斗笠式刀库中一般还安装刀库转动到位确认传感器E，保证刀库转动停止时，刀具中心线位置和主轴中心线在一条直线上。

图5.13

◎任务实施

斗笠式刀库换刀过程常见故障分析。斗笠室刀库如图5. 14所示。

图5.14　斗笠室刀库

数控机床刀库部分故障率相对较高，对斗笠式刀库在换刀过程中常见故障现象及原因总结以下几条：

【例1】 故障现象：数控系统发出换刀指令，刀库不动作。

原因分析：

①检查机床的操作模式是否正确？机床是否锁住状态？指令是否正确？这些原因虽然简单，但也是初学者容易犯的错误。

②检查数控机床的压缩空气，检查空气的气压是否在要求范围内？一般数控机床常用的压缩空气压力在0. 5～0. 6 MPa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A、E的状态是否良好？输送到数控系统PLC的入口信号是否正确？可以通过数控系统提供的PLC地址诊断功能帮助检查。

【例2】 故障现象：刀库移动到主轴中心位置，但不进行接下的动作。

原因分析：

①检查刀库到主轴侧的确认信号传感器B、E是否良好？发送到数控系统PLC中的信号状态是否正常？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加紧？

③检查主轴定位是否完成？

④确认第一参考点返回是否完成？

【例3】 故障现象：刀库从主轴取完刀，不旋转到目标刀位。

原因分析：

一般刀库的旋转电机为三相异步电动机带动，如果发生以上故障，要进行以下检查：

①参照机床的电气图纸，利用万用表等检测工具检查电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380 V电压，交流接触器线圈控制部分的电源为交流110 V或直流24 V，检查此部分的电路并保证电路正常。

③如果在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？

【例4】 故障现象：主轴抓刀后，刀库不移回初始位置。

原因分析：

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？刀库控制电机正、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检查刀库控制电机。

③检查主轴刀具抓紧情况，主轴刀具抓紧通过加紧传感器D发出回馈信号到数控系统，如果数控系统接收不到传感器D发送的加紧确认信号，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。

加工中心采用斗笠式刀库换刀，一般刀库的平移过程通过汽缸动作来实现，所以在刀库动作过程中，保证气压的充足与稳定非常重要，操作者开机前首先要检查机床的压缩空气压力，保证压力稳定在要求范围内。对于刀库出现的其他电气问题，维修人员参照机床的电气图册，通过分析斗笠式刀库的动作过程，一定能找出原因，解决问题，保证设备的正常运转。

子任务2　机械手刀库换刀掉刀故障分析及处理

◎任务提出

1.以MVC400数控加工中心为例，分析加工中心在换刀过程中出现掉刀现象，并伴随有主轴上的刀装不到位现象；

2.加工中心在换刀过程中出现掉刀故障发生在工件加工之后；

3.试分析带刀库的自动换刀系统的故障、产生原因等方面进行分析，并排除故障。

◎任务目标

掌握加工中心刀库的自动换刀系统换刀时乱刀、掉刀故障及排除方法。

◎相关知识

一、机械手刀库的动作过程。机械手换刀装置如图5. 15所示。

图5.15　机械手换刀装置

1.抓刀

当程序执行换刀指令M06时，刀库的刀套翻下，机械手逆时针方向回转90°，其两端的手爪同时分别抓住刀库上的刀和主轴上已用过的刀。

2.拔刀

机械手沿主轴轴向同时将所抓的两把刀拔出。

3.换刀

机械手顺时针回转180°，两把刀交换位置。

4.插刀

机械手沿主轴轴向向里移动，将刀具插入主轴和刀库上的刀夹中。刀具在主轴内定位夹紧，插入刀库的刀也应被锁住，以防掉刀。

5.复位

机械手逆时针回转90°，回到水平原始位置。

二、刀库及换刀机械手的维护

在刀库与换刀机械手的维护中，应注意以下几点内容：

①不能把超重、超长的刀具装入刀库，防止在机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞。

②顺序选刀方式必须注意刀具放置在刀库中的顺序要正确。其他选刀方式也要注意所换刀具是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生。

③用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位、装牢靠，并检查刀座上的锁紧是否可靠。

④经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作。

⑤要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。

⑥开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否正常，刀具在机械手上的锁紧是否可靠，发现不正常时应及时处理。

三、数控加工中心气压传动控制换刀系统

图5. 16所示为MVC数控加工中心气压传动控制换刀系统原理图。利用该系统可以在换刀过程中完成主轴定位、主轴送刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀等一系列加工时的必要动作。气压传动系统的工作原理如下：当数控系统发出换刀指令时，主轴即停止旋转，同时5YA通电，阀3右位处于工作状态，压缩空气经气压传动三联件1、换向阀3右位、单向节流阀7进入主轴定位缸B无杆腔，活塞杆向外伸出，使主轴自动定位。定位后压下无触点开关，使3YA通电，阀4右位处于工作状态，压缩空气经换向阀4右位、快速排气阀31011进入气液增压缸C的上腔，增压腔的高压油推动活塞杆向外伸出，实现主轴松刀，同时1YA通电，阀5右位处于工作状态，压缩空气经换向阀5右位、单向节流阀9进入缸A无杆腔，推动活塞杆向外伸出，实现拔刀。然后由回转刀库交换刀具，同时8YA通电，阀2左位处于工作状态，压缩空气经换向阀2左位、单向节流阀6向主轴锥孔吹气。稍后8YA断电、7YA通电，停止吹气，IYA断电、2YA通电，阀5左位处于工作状态，压缩空气经换向阀5左位，单向节流阀8进入缸A有杆腔，推动活塞杆上移，实现插刀动作。随后3YA断电、4YA通电，阀4左位处于工作状态，压缩空气经阀4左位进入气液增压缸C下腔，使活塞杆缩回，通过主轴的机械传动机构夹紧刀具。最后5YA断电、6YA通电，阀6左位处于工作状态，缸B无杆腔经阀6左位排气，缸B的活塞杆在弹簧力的作用下复位，恢复到开始状态，至此完整的换刀动作循环结束。

图5.16

◎任务实施

1.刀库乱刀故障原因分析

所谓乱刀故障现象就是指指令的刀具不是实际选择的刀具，如果出现乱刀故障将会损坏刀具并使加工工件报废，严重时将损坏机床。

乱刀的产生原因大体有以下几个方面：

①在正常换刀时由于换刀气压不足，导致换刀过程卡住。在手动刀库复位后可能产生刀库乱刀。

②在加工中心机械手换刀时，由于操作人员按下了RESET复位键，或者急停键，导致换刀意外终止，可能产生刀库乱刀。

③由于机床机械结构的损坏，或者数控系统的参数丢失，混乱的故障导致的乱刀现象。

④其他原因造成的刀库乱刀。

⑤系统PMC参数和实际刀库的道具记忆值不符。

⑥刀库计数器开关故障或与实际刀库位置不一致。

⑦刀库拆装修复。

⑧操作者装刀过程中刀具混乱。

2.处理方法

①排除故障，取消机床的报警，手动盘刀，让机械臂复位、刀库复位、机床执行回零方式一次（返回参考点）。

②手动方式下取下刀库中的所有刀具，然后在手动数据输入MDI方式下执行：

TO；

M06；（把刀安装到主轴上）

③选择方式功能至手动方式JOG，通过机床面板上的刀库管理键，顺时针旋转或逆时针旋转手动调整刀库，让刀盘上的一号刀座处于刀盘最下方，即换刀过程中刀库刀座的位置。切换方式功能至手动数据输入MDI方式，输入M33指令，点击机床上的程序启动键，当听见机床PLC工作产生“嘟”声，机床刀具清空复位。

④选择手动数据输入MDI方式，进入刀具表查看刀具表信息，可以看见刀具表内的表内值是杂乱无序的。手动输入表内值，让表内值与序号、表内号相同，如表5. 2所示。

表5.2　刀具表

用光标键选择D0000对应的表内值在输入栏中输入0，然后点击MDI面板上INPUT键。

⑤参看D357号参数（D357表示当前刀座号所存的刀具号）查是否为数字1，若不是，点击MDI 面板，点击CRT 屏幕下的键，然后依次点击→→查看，如表5. 3所示。

表5.3

这时，查看01号参数的内容可以看到，CURRENT中的参数为任意值。此时，如表5. 3所示其值为4。之前由于刀库回零后刀座1号座处于刀库最下端，换刀位置上。这个4代表的意思就是刀库1号刀座中存放的是T4刀，我们可以手动更改这个数值。用光标键选择到数字4的位置上，输入数字1，然后点击MDI面板上INPUT键，这时数值就由4更改为1，其意思代表为刀座1号座里存放的刀号为T1刀。到这里，就完成了刀库回零及刀具表复位的操作。

⑥检查一下机床刀库是否正确，刀库是否与刀具表位置一一对应。在MDI方式下，依次执行T1；M06；及T2；M06；及T3；M06；…；T16；M06；仔细观察到库中的位置，依次是在1号刀座、2号刀座、3号刀座至21号刀座处换刀，由此判断刀库正常。

3.刀库掉刀故障原因分析

按照换刀顺序的逆过程，进行分析。排除故障。加工中心过程：CNC换刀指令—刀套下降—下降到位—机械手转动—转动减速—转动到位—主轴刀松开—松开到位—机械手转动—转动减速—转动到位—主轴刀夹紧—加紧到位—机械手逆转—机械复位—换刀完成。

故障原因：

①机械手扣刀位置出现偏差。此故障有两种情况发生：一是机械手加持刀具的情况，二是主轴夹持刀具的情况，三是检查有关扣刀刹车信号是否正常。

检查机械手手臂上的两个卡爪及支持卡爪的弹簧、螺母、卡紧锁等附件。若卡紧爪弹簧压力过小，卡紧爪弹簧后面的螺母松动，刀具超重，机械手卡紧锁不起作用，都会导致在机械手转动情况下出现掉刀现象。

检查主轴内刀具夹紧装置中的蝶形弹簧等附件。若没有发现问题，主轴夹持刀具紧固，不会出现掉刀现象。若蝶形螺母等损坏，就会出现刀装不到位，甚至装不上而掉刀现象。

检查有关扣刀刹车信号线是否脱落或者损坏，PLC处理是否正常。

②加工时掉刀故障的状态情况。观察掉刀现象是出现在工件加工完成之后，还是本工件根本没有加工刀具就落在工作台上。此故障有两种情况发生：一是机械手没有把刀装上，二是机械手没有接住松开的刀具。

检查换刀程序，若发现如下情况：主轴刀具夹紧没有到位，甚至在没有夹紧动作的情况下机械手转动，于是发生掉刀故障。经分析，是主轴刀具夹紧到位行程开关及其连接线路存在问题。

检查换刀程序，若发现如下情况：在机械手没有到位的情况下，主轴上的刀具松开，机械手没有抓住刀，于是发生掉刀故障。经分析，是机械手到位磁感应开关及其连接线路存在问题。

故障的处理：

①调整机械手的位置与机械手位置检测开关位置相对应。

②更换机械手锁紧弹簧。

案例中加工中心1的掉刀故障伴随有主轴刀具装不到位的现象，故诊断为主轴内刀具夹紧装置中的蝶形螺母等附件存在问题。检查发现，几处蝶形螺母损坏，具体维修方法如下：

①拆下主轴外面的护罩。

②拆下主轴上端的气缸。

③拆下主轴拉刀赶上的锁紧螺母。

④取出拉刀杆和蝶形弹簧。

⑤更换损坏的蝶形弹簧。

加工中心2换刀过程出现的掉刀故障发生在工件加工完成之后，并发生在本工件没加工的情况下。同时没有“刀装不到位”的现象伴随发生，因此属于机械手到位磁感应开关及其连接线路的问题。更换机械手到位磁感应开关，故障消除。

◎思考题

1.自动换刀装置有哪几种形式？各有何特点？

2.刀库有哪几种形式？各适用于什么场合？

3.刀具的选择方式有几种？各适用于何种场合？