数控车床刀架转位异常故障诊断与排除校本教材

1、 数控机床常见故障诊断与排除特色教材 数控车床刀架转位异常故障诊断与排除一、项目要求华中数控车床不能完成自动换刀的功能，现对刀架转位不正常故障进行诊断与维修，使其能够正常换刀。1时间要求：8学时2质量要求：能够准确无误地诊断与排除故障3安全要求：严格按照安全操作规程进行项目作业4文明要求：自觉按照文明生产规则进行项目作业5环保要求：努力按照环境保护要求进行项目作业二、项目分析数控车床的刀架转位不正常故障是典型的机械与电气交叉故障类型，在故障检测的过程中，应遵循数控机床故障的诊断原则与故障排除的思路，进行所有可能故障原因的分析。（一）刀架转位不正常机械故障的分析华中数控车床的自动换刀装置属于回转

2、刀架式自动换刀装置，四方刀架，可安装4把刀，三相交流步进电动机带动刀架动作，从而完成自动换刀的过程。项目链接一、刀架机械部分工作原理刀架机械部分的工作过程主要分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位、刀架夹紧四个步骤组成，其具体的控制原理如下：系统发出换刀信号，控制继电器动作，电机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，销盘带动上刀体转位，当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电机反转，反靠销进入反靠销盘槽，离合销从离合槽中爬出，刀架完成定位，同时销盘下降端齿啮合，完成精定位，刀架缩紧。在机械部分，引起刀架转位不正常故障的典型原因，通常是刀架的

3、预紧力过大或是刀架内部机械卡死。典型故障1：预紧力过大。用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力可以转动，此种现象的出现，可确定刀架不能正确转位的原因是预紧力过大，可以通过调小刀架电机的夹紧力来排除。典型故障2：机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向不转，其原因是机械卡死，首先。检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠销盘槽内，若在，则需将反靠销盘与螺杆连接销孔重新连接；检查主轴螺母是否锁死，如主轴锁死应重新调整；也有可能是润滑不良造成旋转件卡死，此时应拆开，加以润滑处理。如果这两个常见机械原因都不存在的话，还可能有其他机械部位故障原因，这时就要对刀架机械部分进行拆装，一一检查来确定故障点。

4、（二）刀架转位不正常电气故障的分析当判断无机械故障时，引起自动刀架无法正常转位的原因还可能是电气控制内部线路与PLC内部参数设定的问题，也就是通常所说的电气硬件故障与软件故障。项目链接1软件故障软件故障是指由程序编制错误、机床操作失误、参数设定不正确等引起的故障，可通过正确的操作、设定合适的参数等方法避免和消除。只要将软件恢复正常之后就可排除，所以也称为可恢复性故障。2硬件故障硬件故障是指由CNC电子元器件、机床本体、限位机构等硬件因素造成的故障。可通过常规检查、故障现场分析、面板显示与指示灯显示、系统分析法、信号追踪法、动态测量法与动态测量法等方法来确定故障原因。1刀架转位不正常电气硬件故障

5、分析电气控制线路中传送由PLC发出的刀架控制信号以及由刀位信号传感器发出的转位到达信号，任一组成线路出现问题，都可能导致刀架转位不正常故障的产生，这样，硬件故障可能出现在以下几部分：(1) 电动刀架电源部分故障分析项目链接一、电动刀架电源电路华中数控车床四工位电动刀架电源电路如图3.1-1所示。三相380V交流强电经过自动空气开关QF1、QF2后加到刀架电动机的定子绕组上，使刀架能够产生相应的动作。图3.1-1 电动刀架电源电路典型故障3：当三相电源出现无电源、缺相、相序接反、电压不正常等问题时，都可能引起刀架无法正常转位，可通过万用表来诊断电源缺相、相序接反及电压不正常，重新正确接线可排除故

6、障。如果在手动方式下，可实现电动刀架的正常换位，则说明机械部分、三相异步电动机、三相电源部分无故障。(2)PLC换刀控制信号正向传送线路故障分析由于刀架转位属于数控机床内的辅助动作，而不属于位置控制，所以是由PLC控制完成的。所以对与PLC有关的故障应遵守相应的思路和方法，由于有些数控系统自诊断功能较差，而且无梯形图显示，因此在诊断的过程中，应重点根据控制对象的工作原理与PLC的I/O状态两种诊断方法，判断故障。项目链接一、PLC在数控机床上的作用PLC在数控机床上起到连接CNC与机床的桥梁作用，一方面，它不仅接收CNC的控制指令，还要根据机床侧的控制信号，在内部顺序程序的控制下，给机床侧发出

7、控制信号，控制电磁阀、继电器、指示灯，还要将状态信号发送给CNC；另一方面，大量的开关量信号在处理过程中，任何一个信号不到位，任何一个执行元件不动作，都会使机床出现故障，大多数的PLC的故障是外围接口信号故障，所以应把重点检查放在外围电路上。二、数控机床PLC故障的表现形式当数控机床出现PLC故障时，一般表现为三个方面：（1）可通过CNC报警直接找出故障原因；（2）CNC虽有显示，但不能直接查出故障之所在；（3）故障没有任何的显示。对于后两种情况，可利用数控系统的自诊断功能，根据PLC的输入/输出状态，来分析故障的原因，这是解决外围故障的根本方法。三、数控机床PLC典型故障诊断与维修的方法(1

8、)根据故障号诊断故障数控机床的PLC程序属于机床厂家的二次开发，即厂家根据机床的功能和特点，编制相应的动作顺序以及报警文本，对控制过程进行监控，当出现异常情况，会发出相应的报警。在维修过程充分注意这些信息。(2)根据动作顺序诊断故障数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是按一定的顺序来完成的，因此，观察机械装置的运动过程，比较正常和故障时的情况，就可以发现可疑点，诊断出故障的原因。(3)根据控制对象的工作原理诊断故障数控机床的PLC程序是按照控制对象的工作原理来设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合PLC的I/O状态来检查。(4)根据PLC的I/O状态诊断数控机床中输入/输出信号的传递

9、一般都要通过PLC接口来实现，因此，许多故障都会在PLC的I/O接口这个通道反映出来，数控机床的这个特点为故障诊断提供了方便，不用万用表就可以知道信号的状态，但要熟悉有关控制对象的正常状态和故障状态。(5)通过梯形图诊断故障通过PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法，用这种方法诊断机床故障首先应搞清机床的工作原理、动作顺序和连锁关系，然后利用系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC的梯形图查看相关的输入/输出及标志位的状态，从而确定故障的原因。(6)动态跟踪梯形图诊断故障有些数控系统带有梯形图监控功能，调出梯形图画图，可以看到输入/输出点状态，梯形图执行的动态过程有

10、的需要利用机外编程器，在线状态下监控程序的运行。当有些PLC发生故障时，因过程变化快，查看I/O及标志无跟踪，此时需要通过PLC动态跟踪，实时观察I/O及标志位状态的瞬间变化，根据PLC的动作原理做出诊断。从PLC发出的转位控制信号从数控装置的开关量输入/输出接口XS20输送到PLC的继电器输出转接板上去，从而将换刀信号输送出去。项目链接一、数控装置X20接口定义华中世纪星XS20接口图如图3.1-2所示，PLC内部编译从操作面板输入或加工程序中的换刀要求，换刀控制信号经过数控装置后侧的功能接口XS20输出，XS20的11、24引脚信号分别为刀架的正向与反向输出信号。在PLC内部程序编译的过程

11、中，用Y03、Y04表示，同时这两个信号的状态，可以通过数控系统PLC输入/输出的信号状态表来进行查看。图3.1-2 数控系统XS20接口结构图二、PLC输出转接板的接口定义PLC输出转接板的接口结构图如图3.1-3所示，由数控装置XS20输出的换刀信号经由互联光缆送至PLC开关量输出转接板HC5301-R的J1上，HC5301-R上集成了八个单刀单投继电器和两个双刀双投继电器，可接16路PLC输出信号，其中8路开关量信号用于控制八个单刀单投继电器。这时，换刀信号送至单刀单投开关KA4、KA5上，KA4为刀架正转，KA5为刀架反转，一旦KA4、KA5接收到换刀信号为高电平，KA4、KA5的动合

12、触点闭合，换刀信号传送到下一级电路。图3.1-3 PLC输出转接板接口结构图根据控制对象的工作原理可知，控制信号的正向传送线路出现以下故障可能引起换刀信号无法发出，致使数控系统无法正常换刀。典型故障4：如果数控系统接口XS20与输出转接板HC5301-R之间的互联电缆接触不良或损坏，应更换互联光缆或重新进行连接。典型故障5：用万用表检查HC5301-R输出转接板的直流工作电源，如果无电压或电压过低，可能造成继电器触点不能闭合，此时应检查直流稳压电源的输出或检查电源输入线是否断线或松脱，应重新接线或更换电源线。典型故障6：断电检查输出转接板上的KA4、KA5继电器是否损坏、触点接触不良或接线松脱

13、，应重新更换或接线。项目链接一、刀架电机正反转控制线路电动刀架正反转控制线路如图3.1-4所示，当KA4或KA5的动合触点闭合之后，可以使接触器KM1、KM2的线圈得电，这样刀架电机的定子绕组上就会输入正向电源或反向电源，从而使刀架电机正转或反转。图3.1-4 刀架电动机正反转控制线路根据控制对象的工作原理可知， 控制电源与接触器如果出现故障，可能使数控系统无法正常换刀。典型故障7：用万用表或电压表检查220V控制电源是否正常，检查连线时候松脱或断线，应重新接线。典型故障8：检查KM4、KM5的线圈接线、主触点接线、辅助触点接线是否松脱、断线或接触不良，应重新接线或更换接触器。(3)换刀到位反

14、馈信号传送线路故障分析当自动刀架正转转到所需的刀位时，霍尔传感器上的发询盘触点就会与弹簧片触点相接触，从而将刀号到位信号反馈给PLC，此时三相异步电动机反转，进行夹紧定位。霍尔传感器发出的刀位信号输送到PLC输入接线板上，由互联光缆最终传送到数控装置内部的PLC。项目链接一、霍尔传感器的工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应原理的一种典型的电学传感器，当检测到有物体接近时，传感元件就会感应磁体的靠近，发出电压信号，经过传感器内部硬件电路处理后，形成一高电平的脉冲信号，即开关量信号。二、PLC输入转接板接口定义华中世纪星数控系统PLC输入转接板接口结构图如图3.1-5所示，当刀架转到相应的刀位时，霍尔

15、传感器就会发出到位控制信号，此信号为一高电平脉冲信号，霍尔传感器的输出口与HC5301-8输入接线板上的N10N13接口连接起来，在PLC程序内用X11X14表示。当一号刀刀位时，N10对应的指示灯就会亮起来，依次类推。图3.1-5 PLC输入转接板接口定义根据控制对象的工作原理和PLC的I/O状态可知，控制信号的反馈信号传送线路出现以下故障可能引起反馈信号无法回到数控系统内部的PLC，致使数控系统无法正常换刀。典型故障9：利用一些简单维修工具检查到位信号的接线是否正确或松脱，触点是否接触不良，有无损坏现象。若无，手动按下正转控制接触器动合触点，使其线圈得电，三相异步电动正转，带动刀架动作，观

16、察到位信号所对应的PLC输入接线板上的指示灯是否按顺序点亮，若是，则霍尔元件无问题，否则，霍尔元件出现问题，应及时更换。典型故障10：检查数控系统与PLC输入接线板间的互联光缆是否接触不良或损坏，此时，可查看数控系统内部的PLC输入/输出状态是否正常，若正常，则互联光缆无问题，若仍有问题，则可能是数控装置控制板损坏或是软件故障。2刀架转位不正常电气软件故障分析在硬件无故障的情况下，电动刀架仍然无法完成正常转刀，那么可能是由数控系统内部软件故障引起的。项目链接一、数控装置开关量输入接口XS10接口定义华中世纪星数控装置开关量输入接口结构图如图3.1-6所示，HC5301-8上的刀位信号经由正向互

17、联光缆J1送往数控装置的开关量输入接口XS10，引脚7、8、20、24分别接收14刀的到位信号，从而由PLC内部编译，从而再发出反转信号，使刀架反转定位夹紧。二、PMC换刀参数在系统PMC参数中，与自动换刀有关的参数有三个，分别是换刀超时时间P2、刀具紧锁时间P3、正转延时时间P4，换刀超时时间是为了对刀架进行保护，系统设定为10S，如果在换刀过程在规定时间内不能完成，系统就会自动报警，为了能让刀架正确选择刀具以及对所选择的刀具进行锁紧，设定另外两个参数，系统默认为1S与0.1S。典型故障11：如果PMC换刀参数值设置不当或外界干扰等原因使其发生变化，可能引起刀架无法正常换刀，排除的方法是在操

18、作界面上，按下F3键进入参数功能子菜单，输入正确密码生效后，按下F1参数索引键，进入系统参数编辑状态，选择PMC系统参数，用键选择与刀架有关的PMC参数，将参数调整到合适值。典型故障12：如果查看参数都是正常的，而数控车床仍无法换刀，则可用机外编程器或机床操作面板字符输入对PLC换刀程序进行重新编译。典型故障13：如果调试后，还是不能正常换刀，则可能是数控装置控制板故障，排除的方法是与数控厂家联系或是更换数控装置控制板。图3.1-6 XS10接口结构图三、项目实施的路径与步骤(一)项目路径见图3.1-7。(二)项目步骤1布置项目任务，对项目实施时间、最终质量、安全生产、文明生产、环保意识做出具

19、体要求。2从回转式换刀装置的机械结构出发，对数控车床电动刀架转位不正常可能的机械故障进行分析。3从自动刀架转位信号的传送线路出发，对数控车床刀架转位不正常可能的电气硬件故障进行分析。4从自动刀架换位控制的内部PMC参数设置出发，对数控车床刀架转位不正常可能的电气软件故障进行分析。5首先检查自动换刀装置的机械部分是否正常，是否有机械卡死、夹紧力过大或内部元件损坏等问题，夹紧力过大可以通过调小刀架电机的夹紧力来排除。将反靠销盘与螺杆连接销孔重新连接或加以润滑处理可排除机械卡死故障。6按照规定次序开机后，用万用表检查电动机两端的电源，若有电压不正常或缺相问题，应马上断电，按照电气原理图，重新接线。7

20、如果不能排除故障，检查数控系统与PLC输出转接板之间的互联光缆是否接触不良或损坏、KA4与KA5的指示灯是否亮、PLC输出转接板的工作电源灯是否亮，如果相应指示灯亮，则表明其硬件无故障，若指示灯灭，则说明硬件损坏。排除的方法是更换元器或重现接线；接着检查继电器与接触器以及接触器与电动机的接线是否正确或接触不良。8手动方式下进行换刀，观察PLC输入接线板上对应的指示灯是否呈轮流闪亮状，若无变化，则说明霍尔元件损坏或是刀位反馈信号线接触不良，排除的方法是更换霍尔元件或重新接线。故障还未排除，进入数控系统内部设置，查看与换刀有关的PLC的I/O点的状态，手动换刀，I/O点的状态有变化，则说明数控系统

21、与PLC输入接线板间的互联光缆没有故障。9进入数控系统参数编辑状态，查看换刀超时时间P2、刀具紧锁时间P3、正转延时时间P4三个参数的设置是否合适，若不合适，将参数值调整合适。如果参数合适，不能排除故障，重新编译换刀程序。10如果还是无法排除故障，则说明数控系统故障，应与生产厂家联系或更换数控装置控制板。11对学生的项目完成情况进行评价，按照评分表的标准给出成绩。如果故障不能排除，要重新诊断与排除故障。12关闭电源，将机床恢复原样，清点工具并归还教师，认真填写实训设备使用情况，对废品废料进行分类处理，打扫实训室卫生，组织同学对此次项目进行总结，项目完成。四、项目预案问题一 换刀装置软件故障，在进行参数正确设置完成后，数控机床仍无法换刀。 解决措施：在设置PMC参数保