一、引言
数控加工中心利用刀库实现自动换刀，是目前数控加工中大量使用的换刀方式，自动换刀装置进一步提高了数控机床的加工效率，且具备换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储备量，占地面积小，安全可靠等特性。同时自动换刀装置结构复杂、控制为机电联合控制且电气控制的复杂系数高等原因，所以加工中心自动换刀装置的故障率也比较高，也我们的维修维护提出了许多新的课题。
我所购买的四台托普数控有限公司生产的VMC800A加工中心在安装使用一年之后，频繁地出现了掉刀故障，不仅影响机床稳定性和生产进度，还造成刀具和工件的浪费，并给操作者留下了不良的心理负担。通过对现场故障现象的观察与分析，我们发现这是一类“软故障”。这通常又是我们维修中最难解决的问题，所以我们需要了解自动换刀装置的工作原理和结构，并从其工作流程入手，逐一分析故障发生的原因以及解决方法。本文通过以下一系列分析讨论来解决这类问题。
二、自动换刀结构、工作流程及控制原理
首先我们应该了解设备自动换刀装置的结构、控制原理以及工作流程，才能为我们有效得判断问题打好基础。该机床配备FANUC0i控制系统，采用斗笠式刀库自动换刀装置，由主轴直接从刀库抓取相应刀具的方式完成换刀。自动换刀装置由刀盘、选刀机构（选刀电机、减速器等）、刀库推进装置（进退电机、摇臂等）及刀具夹紧松开机构等组成。
刀库的选址方式采用固定地址选择方式，即对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然后根据刀座的编码选取刀具。刀具不能装错，刀具编号与刀座必须一致，否则会造成抓错刀具的情况。
刀具的控制原理如下图所示，刀具刀号和换刀信号经输入输出设备输入到寄存器，再被送去进行刀具号的比较，计算的结果被输出用以控制刀盘的转向和刀具的转动位数等。在准停信号、刀库到主轴位信号等符合信号的触发下，机床给出换刀信号，控制换刀动作的执行。
以下是换刀控制过程：
1)找刀 如果下一工序选用T04号刀具,根据找刀信号M77,刀库开始旋转,并进行刀具编码检测,如下图1所示找到T04号刀具后发出符合信号,刀库停。
2)主轴停转 当前一工序结束停转时，主轴准停后发出主轴准停信号。
3)返回原点，主轴根据返回程序返回原点后发出返回信号。
4)换刀指令M06 当下一工序需进行换刀时，发出换刀指令M06，即进行换刀。
5) 换刀动作程序
本机床换刀过程的动作程序如下：
1) 前一个工序加工完毕，主轴停转，Z轴上升
2) Z轴上升至第二换刀点高度停止
3）主轴定向
4) 刀库摆出
5) 主轴松刀(刀具松开)，Z轴开始上升
6) Z轴上升至第一换刀点高度停止
7) 选刀电机开始旋转，机床开始选刀
8) 到目标刀号，电机停转
9) Z轴下降至第二换刀点高度停止
10) 主轴抓刀（刀具夹紧）
11) 刀库摆回，换刀完成
三、故障分析及解决
故障现象：该型号的所有四台机床，在加工中频繁地出现掉刀故障，且机床无报警信息，而后机床又能继续换刀正常加工，但使用一段时间后又出现该故障。
现场观察：故障出现时换刀动作并不是固定于某个动作，刀具也不是固定于同意一把刀。现场观察换刀动作，无明显异常情况；且反复执行换刀动作，也不会出现掉刀的情况。
统过故障现象和现场的观察，我们认为这是一种偶发性故障（俗称软故障），由于其出现比较频繁，我们认为其设计存在缺陷，各职能元件性能不好，配合有问题。通过多次的维修和思考，我总结了以下这个检查故障的流程图，其中几乎囊括了该设备换刀可能出现的所有因素，及解决办法。下面我们通过故障发生在何种执行动作，分别来讨论。
（一）发生在取刀时
首先应该检查主轴中心与刀具中心是否重合（流程图①）。主轴中心与刀具中心重合是换刀动作正常执行的先决条件，也是基本条件。如果主轴中心和刀具中心的位置偏差过大，势必造成换刀动作不能正常进行，甚至可能掉刀，所以我们必须保证这个先决条件的满足。
如果我们检查发现主轴中心与刀具中心的距离偏差过大，就必须从以下三个方面着手检查造成其偏差过大的原因：
1、刀库运动轨迹直线是否通过主轴轴线（流程图②）
如图所示1、2、3分别代表刀库推进运动的线路，由图可见，刀库如果沿着1、3两条线路运动，一定不能正常地完成换刀工作，只有沿着2号线路才有可能避免掉刀的发生，所以我们必须确保刀库运动直线通过主轴中心。如果刀库运动轨际直线没有通过主轴轴线或偏差很大，则我们须检查刀库滑轮及滑轨（流程图④）的状态。检查包括几个方面：
（1）滑轮轴承的工作状态
（2）滑轮轴承与滑轮、滑轮与刀库的紧固状况
（3）滑轨的工作状态及滑轨与机床的连接状况（流程图⑥）
（4）摆臂滑轮的顶丝是否松动，是否有轴向窜动
上述几个方面的检查可以有效预防刀库运行轨迹的偏移，其中滑轨的安装位置对其影响最大，我们可以通过调节其四个紧固螺钉的位置，来达到调节的目的。
2、刀库运动轨迹直线通过主轴轴线，但刀盘位置偏差（流程图⑧）
刀库运动轨迹直线通过主轴轴线，但由于刀盘位置偏差造成主轴中心和刀具中心偏差过大。此类问题是造成该机床掉刀的主要原因之一，其中包括电器、机械及检测三方面的原因：
（1）电器引起原因
通过电路图我们可以了解到选刀电机采用的是单相电容式 异步电动机根据选刀电机工作的原理，当目标刀旋转至换刀位置时，触发刀具检测装置刀具到位信号，即认为刀具到达正确位置，这时选刀电机断电停转。可是根据异步电动机的工作原理，电动机定子上有两个绕组，一为运行绕组，一为启动绕组，它们的轴线在空间相互垂直。在启动绕组电路中窜有电容C，当适当选用参数使启动绕组中的电流iA超前于运行绕组的iB90度，在定、转子气隙内产生一个旋转磁场，使其能自行启动。同理，在断电时，存在着滞后变化，磁场依然存在，电机将继续转动，这就是伺服电机的“自转”现象，也就是操作者常反映的刀库“晃动”。这就意味着失去控制，这是不允许的。根据异步电动机的特性曲线，我们了解到需要采用高电阻材料的导条，使转子电阻增大而惯量减小。
（2）机械配合
选刀电机是通过减速器减速后，驱动刀盘转动的。因此各传动件之间的配合也影响着刀盘的旋转精度。我们应着重检查以下几方面问题：
A、选刀电机与减速器之间的配合
B、减速器本身的齿间间隙
C、减速器带拨叉与刀盘间配合间隙
D、刀盘安装情况
以上四点是引起掉刀的重要原因，也要求我们仔细检查。
（3）检测装置
刀盘旋转到位是依靠刀具旋转检测装置检测的，本机床采用金属接近感应开关来检测刀盘位置的。感应器的灵敏程度和安装位置也决定着刀盘旋转位置的精度，因此要求我们正确安装，并确保其正常工作。
通过以上三点的分析，我们清楚影响刀盘转动精度的原因，同时还要求我们能够对发现的问题进行及时有效的处理和解决：
A、选用可靠性更高的电机；
B、最大限度地消除各传动件之间的配合间隙
C、通过一些干预手段来减弱一些因素的影响，可以通过延长动作等待时间，以 获取刀库稳定后，再进行换刀动作，从而减小了掉刀几率。
例如：我们在换刀宏程序中延长暂停时间
O9001
N1 G80 G30 G91 Z0.0 M65；
N2 IF[#1012 EQ1] GOTO6；
N3 M66；
G4 X1
N4 G91 G28 Z0.0 M67
G4 X1；
N5 G91 G30 Z0.0 M68；
N6 G90 M99；
其中原G4 P600被改成了G4 X1，我们将暂停时间由原来的600毫秒延长到1秒，实践证明，这样更增加了机床的稳定性。
3、刀库运动轨迹直线通过主轴轴线，但刀具中心未到达主轴轴线（流程图③）
刀库运动轨迹直线通过主轴轴线，但仍出现掉刀的另一种情况，就是刀具中心未达到主轴轴线位置。此问题就是检查刀库推进装置。
如图所示，刀库推进装置由一带刹车的单相异步电动机驱动，通过一摇杆推动刀库做直线运动。摇臂垂直位置表示刀库在退回位置，水平位置表示刀库已运行到换刀位置。其中减震器起到减震和定位的作用，它与金属感应开关、电机刹车一起决定刀库的定位精度。
我们可以通过以下调整，排除刀库定位精度不准的问题：
A、调整减震器长度，确保摇臂水平位置时，刀具中心到达主轴轴线中心；
B、正确调节金属传感器位置；
C、如果电机刹车不灵，则容易造成刀库的来回震荡，所以须确保刹车的有效动作。
4、主轴中心与刀具中心重合时掉刀故障的分析
以上三种情况，我们分析的是主轴中心与刀具中心不重合的情况，下面我们接着分析主轴中心与刀具中心重合时的掉刀问题。由于先决条件已经满足，再现出现掉刀问题，应该检查主轴锥孔与刀柄位置的关系，我们可以通过以下两个方面着手检查：
（1）第二换刀点的位置高度是否合适（流程图⑿）。
如果高度不合适，容易造成取刀时挤压刀盘，而引起掉刀。下面介绍调整第二换刀点的方法：
A、首先准备一无拉钉的刀柄；
B、将1241号Z参数设为0，3003号ITX参数设为1（使用M6T0指令时，Z轴可以摇下来）；.
C、用M6T0指令使刀库摆出，将刀柄装上刀库；
D、用手轮将Z轴摇下，使定向块进入刀具缺口约2/3处，且刚好不挤压刀具；
E、记下此时的Z轴坐标值，记入1241号Z参数，即可
（2）主轴定向检查（流程图⒁）
如果换刀高度合适，就应该继续检查主轴定向是否正确。主轴定向调整方法如下：
A、首先准备一无拉钉的刀柄；
B、将1241号Z参数设为0，3003号ITX参数设为1（使用M6T0 指令时，Z轴可以摇下来）；.
C、用M19指令使主轴定向
D、用M6T0指令使刀库摆出，将刀柄装上刀库；
E、用手轮将Z轴摇下，
F、通过调整参数4077的值，使定向块准确进入刀具缺口，使用塞尺使两边间隙均衡；
G、将1241及3003号参数改回，即完成调整
如果主轴定向总不能调整正确，这时应该检查编码器的安装情况。
（二）发生在装刀时
前面我们分析了发生在抓刀时掉刀的原因，如果掉刀出现在主轴装刀（还刀）时，则应该首先检查松刀气压及松刀气缸（流程图⒃）：
1、确保压缩空气气源压力在0.6Mpa，过高或过低都不能使气动元件（电磁控制阀、气缸）正常工作；
2、检查电磁换向阀的工作情况；
3、检查汽缸密封及工作情况。
除开上述3种原因引起的故障，我们可以继续使用上述的检查流程，帮助我们分析解决问题
（三）刀库退回或旋转时，从刀库掉刀
刀库退回或旋转时，从刀库掉刀的故障也曾出现过，究其原因还是主轴装刀位置不理想造成的。除了上述换刀点高度和主轴定向可能引起外，我们还应该检查以下几个方面的因素：
1、主轴锥孔表面及刀柄锥面磨损或划伤引起的原因
主轴锥孔表面及刀柄锥面磨损或划伤使刀具和主轴锥孔结合更紧密，当还刀时，刀夹不能有效夹住刀具，致使刀具和主轴一同向上运动一端距离才脱离。这时刀具不能正确卡在刀夹，刀库运动时势必造成掉刀。
2、刀夹的状况和刀盘的安装情况
3、检查松刀动作是否正常。
四、总结
综上所述，我们讨论了引起VMC800A加工中心掉刀的可能因素，通过该流程图我们可以快速有效地分析故障发生的原因并加以解决。经过这两年的实践，我们已经有效地解决了该类型设备的偶发性掉刀问题。同时该流程图也适用于斗笠式刀库的换刀系统，可以帮助我们解决诸如北京机电院的VMC750、HSK714以及小巨人公司的VTC-16A等的换刀乃至刀库问题。
参考文献
[1]刘永久等，数控机床故障诊断与维修技术，机械工业出版社，2006 .
[2]罗学科等，数控原理与数控机床，化学工业出版社，2004.
[3]叶晖，FANUC系统维修技巧，机械工业出版社，2005.
[4]邓星钟等，机电传动控制，华中理工大学出版社，1999 .
作者简介：高阳，1978.10，男，汉族，四川省南部县，本科，研究方向:设备管理及维修。