数控机床自动换刀装置的故障诊断与维修
【摘要】
随着制造业的不断发展，对机床特别是高精度和高效率数控机床的要求越来越高，而数控机床刀库与换刀装置作为机床的主要构件又直接影响到机床的加工效率，因此数控机床刀库与换刀装置设计又显得特别重要。下文将主要介绍自动换刀装置的基本知识，形式，刀库的结构，刀具交换装置的结构，刀库及换刀机械手的常见故障和维护，刀库及换刀机械手的维护要点，刀库的故障，换刀机械手故障。还将会详细为大家介绍一下关于加工中心自动换刀装置的故障与维护。并且会通过几个自动换刀装置故障维修实例进行说明。
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关键字:】自动换刀；刀库；机械手；故障
引言 1
一、概述 2
二、自动换刀系统历史、现状和前景 2
三、自动换刀装置的形式 3
（一）回转刀架换刀 3
（二）更换主轴头换刀 5
（三）带刀库的自动换刀系统 6
四、自动换刀动作顺序 6
五、刀库 9
六、刀具交换装置 11
七、刀库及换刀机械手的常见故障和维护 12
（一）刀库及换刀机械手的维护要点 12
（二）刀库的故障 12
（三）换刀机械手故障 12
八、关于加工中心自动换刀装置常见故障及处理方法 13
九、自动换刀装置故障维修实例 14
（一）机械手故障的维修 14
（二）回转刀架故障的维修 16
（三）刀库无法旋转的故障维修 16
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
随着计算机技术的高速发展，现代制造技术不断推陈出新。在现代制造系统中，数控技术集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，适应了高精度、高速度、复杂零件的加工的需要，是实现自动化、数字化柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心。其中，自动换刀系统是数控机床的重要组成部分，其本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。本文将主要介绍关于数控机床自动换刀装置的故障与维修问题。
一、概述
数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。
机床是发展机械制造业乃至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产要素，又是重要的商品。而数控机床是机电一体化现代机床，对复杂件、难削件的加工起到重要作用，又特别适合于中小批多品种柔性生产。在大批大量生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化，以适应社会产品多样化的需求。
数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。
二、自动换刀系统历史、现状和前景
从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。
目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可做成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。
随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。
三、自动换刀装置的形式
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，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，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。
在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型有以下几种。
（一）回转刀架换刀
数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图3-1为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图3-1 数控车床六角回转刀架
1－活塞 2－刀架体 3、7－齿轮 4－齿圈 5－空套齿轮
6－活塞 8－齿条 9－固定插销 10、11－推杆 12－触头
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：
1．刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
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