数控车床自动换刀装置的设计

机械工程学院 专业课    课程说明书 设  计  题  目：    数控车床自动换刀装置的设计                                                                                            专          业：  　 　    专业设计制造          班          级：            　        姓          名：    学  号    指  导  教  师：                            2012年 12 月 30  日 目    录 第1章 数控机床的产生  ……………………………………………（5） 第2章 数控机床的发展  …………………………………………… （6） 2.1 数控系统的发展  ………………………………………………（6） 2.2 机床的发展趋势  ………………………………………………（6） 第3章 绪论 3.1  概述  ………………………………………………………………（8） 3.1.1  四刀位数控车床,换刀的故障现象  ………………………（8） 3.1.2  六刀位数控车床换刀的故障现象    ……………………（8） 3.2  稳压电源故障      ……………………………………………（8） 3.3  系统程序锁故障    …………………………………………… （9） 3.4  结束语    ………………………………………………………… （9） 第4章 诊断 4.1数控机床的故障诊断技术  …………………………………（9） 4.1.1数控系统自诊断 …………………………………………………（9） 4.1.2在线诊断和离线    ……………………………………………（10） 4.2数控机床故障的实用诊断方法诊断  ……………………（10） 4.2.1诊断常用的仪器、仪及工具万用表-可测电阻、交、直流电压、电流        …………………………………………………………（11） 4.2.2诊断技术资料……………………………………………………（11） 4.2.3故障处理 …………………………………………………………（11） 4.2.4数控系统故障诊断方法 ………………………………………（11） 4.2.5故障诊断应遵循的原则 ………………………………………（11） 4.3数控机床故障的类型与特点………………………（12） 第5章 维护 5.1主传动链的维护…………………………………………… （13） 5.2刀库及换刀装置的维护………………………………（13） 5.3液压系统的维护 …………………………………………（14） 参考文献 ……………………………………………………………………（14） 第1章 数控机床的产生 在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在10～100件）约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。 为了满足多品种，小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的，通用的，能够适用产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。 根据国家ＧＢ／Ｔ８１２９－１９９７，对机床数字控制的定义：用数字控制的装置（简称数控装置），在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某一生产过程实现自动控制，叫数字控制，简称数控。用计算机控制加工功能，称计算机数控（computerized numerical ，缩写ＣＮＣ）。 数控机床即使采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。从应用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松加工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，是机床自动加工出所需要的零件。 第2章 数控机床的发展 2.1 数控系统的发展 从１９５２年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控ＰＣ机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称ＮＣ系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称ＣＮＣ系统。 2.2 机床的发展趋势 数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。 2.2.1 工序集中 20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心， 即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。 目前，加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。 2.2.2 高速、高效、高精度 高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也就更为突出。 2.2.3 方便使用 数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。 1）加工编程方便 手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。 近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP，又称面向车间编程），很受用户欢迎。这种编程方式不使用G、M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。 2）使用方法 数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。 第3章 绪论 3.1  概述 数控车换刀一般的过程是:换刀电机接到换刀信号后,通过蜗轮蜗杆减速带动刀架旋转,由霍尔元件发出刀位信号,数控系统再利用这个信号与目标值进行比较以判断刀具是否到位。刀换到位后,电机反转缩紧刀架。在我维修数控车的过程中遇到了以下几个故障现象。 3.1.1一台四刀位数控车床,发生一号刀位找不到,其它刀位能正常换刀的故障现象 故障分析:由于只有一号刀找不到刀位,可以排除机械传动方面的问题,确定就是电气方面的故障。可能是该刀位的霍尔元件及其周围线路出现问题,导致该刀位信号不能输送给PLC。对照电路图利用万用表检查后发现:1号刀位霍尔元件的24V供电正常,GND线路为正常,T1信号线正常。因此可以断定是霍尔元件损坏导致该刀位信号不能发出。 解决办法:更换新的霍尔元件后故障排除,一号刀正常找到。 3.1.2一台六刀位数控车床,换刀时所有刀位都找不到,刀架旋转数周后停止,并且数控系统显示换刀报警:换刀超时或没有信号输入 故障分析查找:对于该故障,仍可以排除机械故障,归咎于电气故障所致。产生该故障的电气原因有以下几种: 1.磁性元件脱落; 2.六个霍尔元件同时全部损坏; 3.霍尔元件的供电和信号线路开路导致无电压信号输出。 其中以第三种原因可能性最大。因此找来电路图,利用万用表对霍尔元件的电气线路的供电线路进行检查。结果发现:刀架检测线路端子排上的24V供电电压为0V,其它线路均正常。以该线为线索沿线查找,发现从电气柜引出的24V线头脱落,接上后仍无反应。由此判断应该是该线断线造成故障。 解决办法:利用同规格导线替代断线后,故障排除。 3.2、稳压电源故障 机床在运行时机床照明灯突然不亮,机床操作面板灯也不亮,系统电源正常,同时系统急停报警,和主轴无信号警。关机后重新上电故障依旧。 故障分析检查:经询问当时操作人员,没有违规操作,排除人为原因,也可以排除机械原因,应该是电气故障引起。该机床的电器原理图显示,这些失电区域都和24V有关,并且该机床拥有两个稳压电源,一个是I/O接口电源,另一个为系统电源。失电区域都与I/O接口有关,于是打开电气柜观察发现I/O接口稳压电源指示灯未能点亮,说明该电源未能正常工作或损坏。由稳压电源的工作原理知道,稳压电源有电流短路和过载保护的功能,当电源短路或过载时自动关断电源输出,以保护电源电路不被损坏。于是试着把电源的输出负载线路拆下来,结果发现重新上电后电源指示灯亮了。这说明电源本身没有损坏。通过分析得知该电源为I/O接口电源,负载不大,也不会出现过载现象,应该是输出回路中有短路故障。沿着输出线号进行检查发现有一根24V+输出线接头从绝缘胶布中露出并接触到机床床体。原因很明显:由于该线与机床发生对地短路,造成该稳压电源处于自我保护状态,使得操作面板和一些I/O接口继电器供电停止,导致发生以上故障。至于变频器报警可能24V信号不能到位发出报警。 解决办法:用绝缘胶布把接头处重新包好,重新上电开机所有故障解决,报警解除照明灯也亮了。 3.3 系统程序锁故障 一台数控车,配有FANUC-0i-mate系统,无法输入对刀值等参数,不能编辑程序,并伴有报警。 故障分析检查:对此现象首先想到了程序保护开关,通过对比正常的系统发现:与系统锁住时现象一样。所以怀疑系统锁开关坏了,但经过短接,仍不能解决问题。通过观察故障系统的梯形图发现X56输入点无信号输入,说明这条输入线路断路。沿着这条线号利用万用表检查,发现在操作面板后面选轴开关接头处线头脱落,导致线路无法输入信号,使PLC逻辑关系不正确,才出现以上故障。 解决办法:用烙铁焊锡把脱落的线头重新焊接好,报警解除,参数输入正常,故障消失。 3.4 结束语 以上维修,可作为类似故障的排除参考。一般地,对于任何故障,首先是根据现象,根据原理来判断故障点,分析每一个可能性,如一个开关,一个线接头,一个螺钉都会是都会是故障原因,参照之前的操作、维修历史进行分析,能有利于缩小查找范围,有利于提高维修的效率。 第4章 诊断 4.1数控机床的故障诊断技术 4.1.1数控系统自诊断 开机自诊断数控系统在通电开机后，都要运行开机自诊断程序，对系统中关键的硬件和控制软件进行检测，并将检测结果在CRT上显示出来。运行自诊断运行自诊断是数控系统正常工作时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以及与数控装置相连的其他外部装置进行自动测试、检查，并显示有关状态信息和故障信息。 4.1.2在线诊断和离线诊断 在线诊断是指通过数控系统的控制程序，在系统处于正常运行状态下，实时自动地对数控装置、PLC控制器、伺服系统、PLC的输入输出和其他外部装置进行自检，并显示状态信息、故障信息。脱机诊断当数控系统出现故障时，需要停机进行检查，这就是脱机诊断。脱机诊断的目的是修复系统的错误和定位故障，将故障定位在最小的范围。 远程诊断实现远程诊断的数控系统，必须具备计算机网络功能。因此，远程诊断是近几年发展起来的一种新型的诊断技术。数控机床利用数控系统的网络功能通过互联网连接到机床制造厂家，数控机床出现故障后，通过机床厂家的专业人员远程诊断，快速确诊故障。 4.2数控机床故障的实用诊断方法 4.2.1诊断常用的仪器、仪表及工具万用表-可测电阻、交、直流电压、电流 相序表-可检测直流驱动装置输入电流的相序。转速表-可测量伺服电动机的转速，是检查伺服调速系统的重要依据。钳形电流表-可不断线检测电流。测振仪-是振动检测中最常用、最基本的仪器。短路追踪仪-可检测电气维修中经常碰到的短路故障现象。逻辑测试笔-可测量数字电路的脉冲、电平。IC测试仪-用于数控系统集成电路元件的检测和筛选。工具-弹头钩形扳手、拉锥度平键工具、弹性手锤、拉卸工具等。 4.2.2诊断用技术资料 主要有：数控机床电气说明书，电气控制原理图，电气连接图，参数表， PLC程序，编程手册，数控系统安装与维修手册，伺服驱动系统使用说明书等。数控机床的技术资料非常重要，必须参照机床实物认真仔细地阅读。一旦机床发生故障，在进行分析的同时查阅相关资料。 4.2.3故障处理 故障软故障-由调整、参数设置或操作不当引起硬故障-由数控机床(控制、检测、驱动、液气、机械装置)的硬件失效引起。故障处理对策除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源，应保持故障现场。从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。如不能消失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。 4.2.4数控系统故障诊断方法 直观法(望闻问切)：问-机床的故障现象、加工状况等看-CRT报警信息、报警指示灯、电容器等元件变形烟熏烧焦、保护器脱扣等听-异常声响闻-电气元件焦糊味及其它异味摸-发热、振动、接触不良等。参数检查法：参数通常是存放在RAM中，有时电池电压不足、系统长期不通电或外部干扰都会使参数丢失或混乱，应根据故障特征，检查和校对有关参数。隔离法：一些故障，难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常采用隔离法。同类对调法用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板，或将功能相同的模板或单元相互交换。功能程序测试法：将G、M、S、T、功能的全部指令编写一些小程序，在诊断故障时运行这些程序，即可判断功能的缺失。 4.2.5故障诊断应遵循的原则 第一，先外部后内部数控机床的检修要求维修人员掌握先外部后内部的原则，由外向内逐一进行检查排除。 第二，先机械后电气首先检查机械是否正常，行程开关是否灵活，气动液压部分是否正常等，在故障检修之前，首先注意排除机械的故障。 第三，先静后动维修人员本身要做到先静后动。首先询问机床操作人员故障发生的过程及状态，查阅机床说明书、图纸资料，进行分析后，才可动手查找和处理故障。数控机床是现代化企业进行生产的一种重要物质基础，是完成生产过程的重要技术手段，强化管理是关键，“防”与“治”的结合是解决数控机床“使用难、维修难”的唯一途径。 4.3数控机床故障的类型与特点 数控机床的故障是指机床不能完成预定功能的事件或状态称为故障，即丧失完成规定的功能，按故障引起的结果可分为致命性故障和非致命性故障，前者会使产品不能完成规定任务可导致人或物的重大损失，最终使任务失败；后者不影响任务完成，但会导致非计划的维修。按故障的统计特性又可分为独立故障和从属故障。前者是指不是由于另一产品故障引起的故障，后者是由另一产品故障引起的故障。按照数控机床故障频率的高低又可分为早期故障、偶然故障和耗损故障。 如图所示，早期故障是指机床使用初期，由于设计或生产等原因引起的故障，在这段时间内，机械处于磨合阶段，机械零件或电子元器件经受不了初期的考验而损坏。所以故障发生的频率相对来讲要高一些。偶然故障是指机床投入使用一段时间后，产品的故障率降到较低的水平，但基本上处于平衡状态，此时，可以认为故障率为常数，这个时期，机床的故障主要是由偶然因素引起的偶然故障，是机床的主要使用期，一般为7～10年。耗损故障是 通过事前检测或监测可预测到的故障，是由于机床的规定随时间增加而逐渐衰退引起的，耗损故障可以通过预防维修，防止故障发生，延长使用寿命，或在将到耗损期前及时更新以保证机床的使用寿命。 数控机床故障的特点：数控机床一般由数控系统，包含伺服电动机和检测反馈装置的伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。 数控机床的复杂性使其故障具有复杂性和特殊性，引起数控机床故障的因素有很多，不能只看故障的现象，要透过现象去检查引起故障的综合因素，找到引起故障的根源，采取合理的方法给予排除。 第5章 维护 5.1主传动链的维护 1) 熟悉数控机床主传动链的结构、性能参数，严禁超性能使用 2) 主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。 3) 操作者应注意观察主轴箱温度，检查主轴恒温邮箱，调节温度范围使油量充足。 4) 使用带传动的主轴系统，需定期观察调整驱动皮带的松紧程度，防止因皮带打滑造成的丢转现象。 5) 对由液压系统平衡主轴箱重量的平衡系统，需定期观察液压系统的压力表，当油压低于要求值时，要进行补油。 6) 使用液压拔叉变速的主传动系统，必须在主轴停车后变速。 7) 使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统，必须在主轴停车后变速。 8) 注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械碰撞。 9) 每年对主轴润滑恒温邮箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。 10) 每年清理润滑油池底一次，并更换液压泵滤油器。 11) 每天检查主轴润滑恒温油箱，使其油量充足，工作正常。 12) 防止各种杂质进入润滑油箱，保持油液清洁。 13) 经常检查轴端及各处密封情况，防止润滑油液的泄露。 14) 刀具夹紧装置长时间使用后，会使活塞杆和拉杆的间隙加大，造成拉杆位移量减少，使碟形弹簧的张闭伸缩量不够，影响刀具的夹紧，故需要及时调整液压缸活塞的位移量。 15) 经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值。足够的气压才能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。 5.2刀库及换刀装置的维护 加工中心刀库及自动换刀装置的故障表现有：刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳和机械手运动误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作，机械维护修人员对此要有足够的重视。 5.2.1刀库与换刀机械手的维护要点 严禁把超重、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。 采用顺序选刀方式时必须注意刀具放置在刀库上的顺序要正确。采用其他选刀方式时也要注意所换刀具号是否与所卸刀具一致，防止因换错刀而导致事故发生。 用手动方式往刀库上装刀时，要确保刀具安装到位、牢靠。检查刀座上的锁紧是否可靠。 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。 要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 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，发现不正常应及时处理。 5.3液压系统的维护 5.3.1液压系统的维护要点 1. 控制油液污染、保持油液清洁时确保液压系统正常工作的重要措施。 2. 控制液压系统中油液的温升是减少能源消耗、提高系统效率的一个重要环节。 3. 控制液压系统泄漏极为重要，因为泄漏和吸空气是液压系统常见的故障。 4. 防止液压系统振动与噪声。 5. 严格执行日常点检。 6. 严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制度。 参考文献 [1]FANUC-0i-mate使用说明书. [2]机床数控车床电器说明书. [3]数控GSK980T使用说明书. [4]沈阳机床集团数控车床电器说明书. [5]王侃夫.数控机床故障诊断及维护.机械工业出版社. [6]任建平.现代数控机床故障诊断及维修.北京:国防工业出版社 [7]夏庆观.数控机床诊断与维修.北京:高等教育出版社