在數控機床的維修中，與換刀相關的故障極為多見。本文基于機械手換刀裝置的結構與動作控制，結合維修實例，歸納常見故障現象、原因及處理措施，在數控機床的維修與改造中具有較大的現實意義，值得認真探索、交流與推廣。
數控機床特別是數控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次裝夾、多工序自動加工，而實現這一功能的關鍵在于自動換刀裝置。由于自動換刀裝置工作頻度高、控制機構復雜，包括刀庫、刀具交換以及驅動等部分，因此出現故障的幾率也大，在數控機床的維修中占有相當大的比例。了解其結構特點與控制機理，熟悉換刀的動作流程，總結歸納常見故障現象、原因及解決措施，借鑒相關維修實例，有助于快速、準確地診斷并排除故障，提高維修工作的質量與效率。
1.機械手換刀裝置的結構
圖1 多主軸換刀
圖2 雙主軸換刀
圖3 轉塔頭式換刀
圖4 斗笠式換刀
圖5 機械手換刀
數控機床自動換刀功能的實現有多種方式，如多主軸換刀（見圖1）、雙主軸換刀（見圖2）、轉塔頭式換刀（見圖3）、斗笠式換刀（見圖4）及機械手換刀（見圖5）等。按是否由機械手換刀可將其分為兩類：無機械手換刀（如斗笠式）大多依靠主軸與刀庫間的軸向相對運動實現拔刀與插刀，換刀時刀庫移至換刀位置，主軸先將刀具還回刀庫換刀位的空刀座上，然后刀庫旋轉使下一工序所需刀具進入換刀位置，主軸再從刀庫取走新的刀具，還刀和取刀兩個動作只能分步進行，加之主軸的軸向運動以及刀庫的移動和轉動，因此換刀時間長，加工效率低，刀庫的容量也較小；目前數控機床更多采用的是機械手換刀，利用機械手快速、準確地對調刀庫中換刀位與主軸上的刀具，還刀、取刀同時進行，換刀時間大大縮短，而且刀庫容量不受換刀機構限制。
圖6 盤式刀庫
圖7 鏈式刀庫
1.刀具固定板架 2.刀座 3.換刀機械手
4.換刀位置刀座 5.取刀機械手縱向導軌
6.取刀機械手橫向導軌
刀庫按刀具的布局可分為盤式、鏈式和格子式三種。盤式刀庫刀具呈圓周狀分布（見圖6），鏈式刀庫刀具布置在鏈條的各個環節上（見圖7），格子式刀庫刀具縱橫排列（見圖8）。盤式刀庫空間利用率低、容量小，一般用于小型加工中心。鏈式與格子式刀庫空間利用率高、容量大，用于中型與大型數控加工中心。刀庫的作用不僅是存放加工過程中所需要的刀具，還負責把下一工序所要使用的刀具準確地送到換刀位置。
圖9 凸輪式換刀機械手結構簡圖
刀具交換裝置的驅動方式有液壓、伺服和交流異步電動機驅動三種。液壓驅動需要足夠的液壓動力，且運動的速度和準確性受油質、油壓、油溫及環境等因素影響，一般用于不需要頻繁換刀的大中型機床。伺服電動機驅動的換刀裝置換刀速度快、精度高、穩定性強，但成本較高。交流異步電動機驅動的換刀裝置，借助凸輪機構（見圖9），換刀速度快、定位準、穩定性高、連貫性好且成本低，廣泛用于頻繁換刀的中小型加工中心。
2.機械手換刀動作流程與選刀方式
圖10 換刀動作流程圖
圓盤式刀庫與凸輪式換刀機械手的換刀動作流程如圖10所示。
換刀數據表
刀庫的選刀有順序選刀、刀具編碼選刀、刀座編碼選刀和隨機選刀四種方式。機械手換刀大多采用隨機換刀方式，從主軸取下的刀具就近放入刀庫中剛取走刀具的換刀位刀座內，取刀與還刀同步完成。其原理是在存儲器中建立換刀數據表，表中存儲單元的地址與刀座編號及主軸相對應，因此數據表的容量為刀庫中刀座數加1，存儲單元中的數據與刀具編號一一對應，如附表所示。換刀時數據更新是先將主軸所對應的存儲單元中的數據（換刀前刀具的編號）寫入刀庫換刀位刀座所對應的存儲單元中，再將換刀指令中的刀具編號寫入主軸所對應的存儲單元，完成主軸與換刀位刀具編號的對換。假設數據表存儲單元首地址為D300，該地址所對應存儲單元中存放的數據即為主軸上刀具的編號，地址為D301～D（300+n）的存儲單元中的數據，即刀庫中從1#～n#刀座上刀具的編號。
3.機械手換刀裝置的常見故障與排除方法
在數控機床維修的過程中，經常出現與換刀相關的故障，根據其結構特點及換刀動作過程，歸納刀庫及機械手兩大方面常見故障現象、產生原因與采取措施如下。
（1）刀庫故障。
①常見故障1：刀庫不能轉動。可能原因：電動機軸與蝸桿軸的聯軸器松動；變頻器故障，電動機不得電；接近開關或磁簧開關故障；PLC無輸出控制，或PLC有輸出但接口板中的繼電器失效；氣壓低。常用措施：檢查調整聯軸器；檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；通過PLC的IO監控畫面檢查IO狀態，調整或更換接近開關或磁簧開關，檢查或更換繼電器；調整氣壓達到規定值。
② 常見故障2：刀盤定位不準。可能原因：電動機剎車器磨損。常用措施：調整電動機剎車器中調節螺釘。
③常見故障3：換刀位刀座在倒刀時不正常。可能原因：氣壓不符合要求、止動螺絲松動、氣缸損壞、倒刀電磁閥接觸不良或損壞、刀具超重或超長。常用措施：調整氣壓到符合要求、鎖緊止動螺絲、更換氣缸、檢查電磁閥接點或更換元件、更換刀具。
④常見故障4：刀套上下不到位。可能原因：安裝調整不當或撥叉位置不正確、限位開關安裝不正確或調整不當，造成反饋信號錯誤。常用措施：檢查、調整撥叉或限位開關位置，或更換元件。
⑤常見故障5：倒刀時刀具掉落。可能原因：刀套內彈簧夾力不夠或不能正常復位、刀柄和拉釘的距離不正確。常用措施：調整或更換元器件。
⑥常見故障6：刀套破裂。可能原因：刀套未定位前有倒刀動作或未回位前刀盤轉動、裝入刀具時撞壞。常用措施：調整刀盤定位近接開關或倒刀氣缸磁簧開關位置、更換刀套。
⑦常見故障7：電動機燒壞。可能原因：電源缺相或電壓不正確、剎車燒壞、刀具超重、組件不能運轉。常用措施：檢查接觸器接點是否損壞、電源是否缺相及電壓等級是否匹配；檢測剎車器線圈是否損壞、接地是否正確；檢查刀具質量是否超過允許值；檢查刀套滑動部位是否順暢。
（2）機械手故障。
①常見故障1：刀具夾不緊，時常掉刀。可能原因：卡爪彈簧的壓力太小、彈簧后面的螺母松動、機械手卡緊鎖不起作用、刀具超重。常用措施：擰緊彈簧后螺母、調整或更換卡緊鎖、更換彈簧、更換刀具。
②常見故障2：刀具夾緊后松不開。可能原因：卡爪彈簧壓合過緊，卡爪縮不回。常用措施：調松螺母或更換彈簧，使最大載荷不超過額定值。
③常見故障3：刀具交換時掉刀。可能原因：換刀時主軸箱沒回到換刀點或換刀點漂移；機械手抓刀時沒有到位就開始打刀或拔刀、刀臂及刀具的夾刀點不正確，打刀缸松拉刀位置不準確，打刀缸壓力不夠，松刀不正常、刀具太重、刀臂變形。常用措施： 應重設定換刀點；校正夾刀點、調整打刀缸松刀行程、調整壓力值、檢查刀具質量、更換刀臂。
④常見故障4：刀臂不回位。可能原因：電路接觸不良、無夾刀或松刀信號、刀臂彎曲。常用措施：執行手動換刀，檢查是否電路故障；用PLC監看夾刀或松刀信號，調整近接開關位置、調整或更換刀臂。
4.維修實例
（1）案例1。
故障現象：加工中心VMC1000C換刀時出現主軸掉刀故障。
故障診斷與排除方法：
①檢查機械手手臂上兩個卡爪的彈簧及附件，沒有發現異常，說明機械手夾持刀具沒有問題。
②拆開主軸檢查碟簧能否對刀具夾持緊固，發現碟簧完好。
③打開PLC的I O監控畫面，反復按壓主軸刀具夾緊到位行程開關，發現其“0”、“1”狀態與實際動作不一致，說明該行程開關有問題, 更換后故障排除。
（2）案例2。故障現象：加工中心BX-110P機械手取送刀具時不能縮爪。
故障診斷與排除方法： 打開PLC的IO監控畫面，發現相應的限位開關沒有壓合；調整其位置后，機床恢復正常。但一段時間之后，再次出現此故障，檢查限位開關沒有松動，但卻沒有壓合，進一步檢查發現液壓缸拉桿頂端鎖緊螺母的緊固螺釘松動，致使液壓缸伸縮的行程發生了變化；調整鎖緊螺母并擰緊緊固螺釘后，此故障排除。
5.結語
機械手換刀裝置是數控機床最重要的功能部件之一，掌握其結構特點、控制機理，不斷總結歸納常見故障現象、原因及解決措施，不但有助于提高維修數控機床的效率與質量，對機床的維護與改造也有重要的參考意義。