数控车床电动方刀架常见故障的分析与诊断

摘要：通过介绍数控车床电动方刀架的结构和工作原理，结合具体数控系统的数控车床，对电动方刀架常见故障进行详细的分析与诊断，找到解决此类问题的有效方法和手段。

关键词：数控车床；方刀架；霍尔元件；接触器；故障 1.引言

数控机床是典型的机电一体化的高科技产品，集合了机械制造技术、计算机技术、伺服驱动及检测技术、可编程控制技术、液压与气动技术等多项技术。由于数控机床种类繁多，并集合多项技术，“维修难”的问题已直接影响到数控机床的有效使用。数控车床是较常见的一类数控机床，其机械传动结构比普通车床简单许多，容易出现故障的部位多集中在刀架系统、CNC装置和伺服系统等。统计以往维修数控车床的实例表明，刀架系统故障占到整个数控车床故障的30%左右。有效掌握数控车床刀架系统的维修规律和特点，对于数控车床的故障处理是大有帮助的。

2.方刀架的结构和工作原理

数控车床使用的刀架是数控机床中最常见的装置，有转塔刀架、四方刀架、六角刀架等，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。数控机床的刀架必须要有良好的硬度与强度，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。作为数控车床的重要部件，刀架的结构形式很多。以下着重介绍四方刀架（简称方刀架）的结构和工作原理。

数控车床方刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。如图1所示为经济型数控机床常用方刀架结构，则该刀架可以安装四把不同的道具，转位信号有加工程序指定。工作顺序为：刀架抬起—刀架转位—刀架定位—夹紧刀架。

3.方刀架常见故障的分析与诊断

数控车床方刀架的故障原因有很多种，常见的故障现象大致有以下几种。

故障现象一：完全找不到刀位或某一具体刀位。具体表现为刀架不停的旋转。这种问题为刀架的感应圈的霍尔元件因刀架换刀时的振动而与刀架的磁钢产生偏移，将其校准即可。也有可能是刀架感应圈损坏，或感应圈无电压输入。如果表现为找不到某一号刀，而其他刀位可以正常换，这种问题有可能是刀架感应圈霍尔元件产生偏移或这一号刀对应的霍尔元件发生损坏，或该刀位的信号线断路。

霍尔元件具体工作原理见图2，发信盘上的4只霍尔开关，都有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接+12V地线，第3脚为4个

刀位信号的输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1~T4分别送到图的4只光电耦合进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8225的PC4~PC7四个引脚，见图3。

对于这类故障，常用的解决方法有下面几种：①此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号，检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可；②此位刀的霍尔元件损坏，确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入转动该刀位，用万用表量该刀位触点对+12V触点是否有变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件；③系统的刀位信号接收电路有问题，当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板刀架换刀不到位或刀架不能锁紧的故障现象及原因 。

下面以配备西门子810T系统的车床为例进行说明。该车床在执行换刀指令时，方刀架上刀体连续不停的旋转，无法准确定位。在出

现此次故障之前，由于操作者的误操作，出现了一次撞刀的事故。根据故障现象，首先判断磁钢和霍尔元件之间无信号，是否由于撞刀造成两者之间的位置不对，拆掉刀架上罩壳，检查磁钢和霍尔元件的位置，没有问题。接下来依次检查发信盘接地线断路或电源线断路，经过检查都是正常的。最后用万用表检查四个霍尔元件是否短路或者短路，发现1号和3号刀位的霍尔元件信号线损坏。故障处理：经过维修人员将霍尔元件连接信号线重新更换后试车，故障排除，正常运行。

故障现象二：刀架锁不紧。这种故障有可能是机床参数中的刀架反锁时间设置的太短或是发信盘位置不准，也有可能是控制电路故障或刀架内部锁刀反靠定位销磨损。

对于这类故障，常用的解决方法有下面几种： ①发信盘位置没对正，拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置；②锁紧机构故障 ，拆开刀架，调整机械，并检查反靠定位销是否折断；③刀架强电控制部分中控制电机反锁的接触器故障，检查接触器的线圈和各触点是否正常； ④系统反锁时间不够，调整系统反锁时间数即可（新刀架反锁时间ｔ＝1.2 s即可）。

下面以配置FANUC 0i-TB系统的数控车床为例进行说明。该车床在执行换刀指令后，刀架可以准确定位，但反转无法锁紧，导致机床不能进行零件加工。此时显示器上没任何报警提示。首先怀疑可能是机械故障，即锁紧机构中的定位销磨损或折断。维修人员对方刀架

上刀体进行拆卸，检查反靠定位销，发现定位销稍有磨损，但不致影响刀架锁紧。接下来怀疑可能是发信盘与磁钢之间没有对好，拆下刀架的顶盖后反复调整发信盘的位置，仍然没有作用。又怀疑是系统的反锁时间不够，进入机床的参数界面，对反锁时间进行了修改，重新起动机床，问题依然没有解决。最后对刀架的控制电路进行检查，维修人员根据机床的控制电路图，依次检查各电器元件，发现控制电机反转的接触器KM6线圈烧坏，导致刀架无法反转锁紧。故障处理：经过维修人员将控制电机反转的接触器KM6更换后试车，故障得到排除，机床运行正常。

故障现象三：不换刀。遇到这种故障，首先判断是刀架内部机械问题还是刀架电机故障，换刀时，用手触摸电机，看有无振动，或是测量电机电压来判断。如电机正常，那么就机械问题，一般都为刀架内部机械卡死或损坏，把刀架拆下，或重新装上更换损坏零件即可排除故障。此类机械故障比较容易诊断和排除，这里不做过多阐述。

除以上故障现象外，有时还会出现：机床无法控制选刀动作、夹紧后无回答信号、执行换刀指令时系统发出电动机过载报警等。出现这些故障的主要原因是电源相序不对所致、电路中继电器接触不良、机械卡死等，可以分别进行加固，修复，调整。

4.结论

刀架作为数控车床的重要装置，在机床运行有着尤为重要的位

置，一旦出现故障，很可能造成工件报废甚至造成卡盘与刀架碰撞现象出现。综合分析以上几例故障的查找及排除过程，在数控车床的故障维修中，电气控制复杂多变，有些故障很难看出，从而导致排解问题增大。而机械部分与普通机床比较相似，故障相对来说比较好排除。故在查找故障原因时要同时进行综合机械与电气两方面，才能达到事倍功半的效果。

参考文献

[1] 刘永久. 数控机床故障诊断与维修技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 数控机床数控系统维修技术与实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 蔡厚道. 数控机床构造[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[4] 彭永忠. 电动刀架的换刀原理及故障诊断[J].中国科技信息. 2010年第7期：121-123.