在数控机床的维修中，与换刀相关的故障极为多见。本文基于机械手换刀装置的结构与动作控制，结合维修实例，归纳常见故障现象、原因及处理措施，在数控机床的维修与改造中具有较大的现实意义，值得认真探索、交流与推广。
数控机床特别是数控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次装夹、多工序自动加工，而实现这一功能的关键在于自动换刀装置。由于自动换刀装置工作频度高、控制机构复杂，包括刀库、刀具交换以及驱动等部分，因此出现故障的几率也大，在数控机床的维修中占有相当大的比例。了解其结构特点与控制机理，熟悉换刀的动作流程，总结归纳常见故障现象、原因及解决措施，借鉴相关维修实例，有助于快速、准确地诊断并排除故障，提高维修工作的质量与效率。
1.机械手换刀装置的结构
图1 多主轴换刀
图2 双主轴换刀
图3 转塔头式换刀
图4 斗笠式换刀
图5 机械手换刀
数控机床自动换刀功能的实现有多种方式，如多主轴换刀（见图1）、双主轴换刀（见图2）、转塔头式换刀（见图3）、斗笠式换刀（见图4）及机械手换刀（见图5）等。按是否由机械手换刀可将其分为两类：无机械手换刀（如斗笠式）大多依靠主轴与刀库间的轴向相对运动实现拔刀与插刀，换刀时刀库移至换刀位置，主轴先将刀具还回刀库换刀位的空刀座上，然后刀库旋转使下一工序所需刀具进入换刀位置，主轴再从刀库取走新的刀具，还刀和取刀两个动作只能分步进行，加之主轴的轴向运动以及刀库的移动和转动，因此换刀时间长，加工效率低，刀库的容量也较小；目前数控机床更多采用的是机械手换刀，利用机械手快速、准确地对调刀库中换刀位与主轴上的刀具，还刀、取刀同时进行，换刀时间大大缩短，而且刀库容量不受换刀机构限制。
图6 盘式刀库
图7 链式刀库
1.刀具固定板架 2.刀座 3.换刀机械手
4.换刀位置刀座 5.取刀机械手纵向导轨
6.取刀机械手横向导轨
刀库按刀具的布局可分为盘式、链式和格子式三种。盘式刀库刀具呈圆周状分布（见图6），链式刀库刀具布置在链条的各个环节上（见图7），格子式刀库刀具纵横排列（见图8）。盘式刀库空间利用率低、容量小，一般用于小型加工中心。链式与格子式刀库空间利用率高、容量大，用于中型与大型数控加工中心。刀库的作用不仅是存放加工过程中所需要的刀具，还负责把下一工序所要使用的刀具准确地送到换刀位置。
图9 凸轮式换刀机械手结构简图
刀具交换装置的驱动方式有液压、伺服和交流异步电动机驱动三种。液压驱动需要足够的液压动力，且运动的速度和准确性受油质、油压、油温及环境等因素影响，一般用于不需要频繁换刀的大中型机床。伺服电动机驱动的换刀装置换刀速度快、精度高、稳定性强，但成本较高。交流异步电动机驱动的换刀装置，借助凸轮机构（见图9），换刀速度快、定位准、稳定性高、连贯性好且成本低，广泛用于频繁换刀的中小型加工中心。
2.机械手换刀动作流程与选刀方式
图10 换刀动作流程图
圆盘式刀库与凸轮式换刀机械手的换刀动作流程如图10所示。
换刀数据表
刀库的选刀有顺序选刀、刀具编码选刀、刀座编码选刀和随机选刀四种方式。机械手换刀大多采用随机换刀方式，从主轴取下的刀具就近放入刀库中刚取走刀具的换刀位刀座内，取刀与还刀同步完成。其原理是在存储器中建立换刀数据表，表中存储单元的地址与刀座编号及主轴相对应，因此数据表的容量为刀库中刀座数加1，存储单元中的数据与刀具编号一一对应，如附表所示。换刀时数据更新是先将主轴所对应的存储单元中的数据（换刀前刀具的编号）写入刀库换刀位刀座所对应的存储单元中，再将换刀指令中的刀具编号写入主轴所对应的存储单元，完成主轴与换刀位刀具编号的对换。假设数据表存储单元首地址为D300，该地址所对应存储单元中存放的数据即为主轴上刀具的编号，地址为D301～D（300+n）的存储单元中的数据，即刀库中从1#～n#刀座上刀具的编号。
3.机械手换刀装置的常见故障与排除方法
在数控机床维修的过程中，经常出现与换刀相关的故障，根据其结构特点及换刀动作过程，归纳刀库及机械手两大方面常见故障现象、产生原因与采取措施如下。
（1）刀库故障。
①常见故障1：刀库不能转动。可能原因：电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；变频器故障，电动机不得电；接近开关或磁簧开关故障；PLC无输出控制，或PLC有输出但接口板中的继电器失效；气压低。常用措施：检查调整联轴器；检查变频器的输入、输出电压是否正常；通过PLC的IO监控画面检查IO状态，调整或更换接近开关或磁簧开关，检查或更换继电器；调整气压达到规定值。
② 常见故障2：刀盘定位不准。可能原因：电动机剎车器磨损。常用措施：调整电动机剎车器中调节螺钉。
③常见故障3：换刀位刀座在倒刀时不正常。可能原因：气压不符合要求、止动螺丝松动、气缸损坏、倒刀电磁阀接触不良或损坏、刀具超重或超长。常用措施：调整气压到符合要求、锁紧止动螺丝、更换气缸、检查电磁阀接点或更换元件、更换刀具。
④常见故障4：刀套上下不到位。可能原因：安装调整不当或拨叉位置不正确、限位开关安装不正确或调整不当，造成反馈信号错误。常用措施：检查、调整拨叉或限位开关位置，或更换元件。
⑤常见故障5：倒刀时刀具掉落。可能原因：刀套内弹簧夹力不够或不能正常复位、刀柄和拉钉的距离不正确。常用措施：调整或更换元器件。
⑥常见故障6：刀套破裂。可能原因：刀套未定位前有倒刀动作或未回位前刀盘转动、装入刀具时撞坏。常用措施：调整刀盘定位近接开关或倒刀气缸磁簧开关位置、更换刀套。
⑦常见故障7：电动机烧坏。可能原因：电源缺相或电压不正确、剎车烧坏、刀具超重、组件不能运转。常用措施：检查接触器接点是否损坏、电源是否缺相及电压等级是否匹配；检测剎车器线圈是否损坏、接地是否正确；检查刀具质量是否超过允许值；检查刀套滑动部位是否顺畅。
（2）机械手故障。
①常见故障1：刀具夹不紧，时常掉刀。可能原因：卡爪弹簧的压力太小、弹簧后面的螺母松动、机械手卡紧锁不起作用、刀具超重。常用措施：拧紧弹簧后螺母、调整或更换卡紧锁、更换弹簧、更换刀具。
②常见故障2：刀具夹紧后松不开。可能原因：卡爪弹簧压合过紧，卡爪缩不回。常用措施：调松螺母或更换弹簧，使最大载荷不超过额定值。
③常见故障3：刀具交换时掉刀。可能原因：换刀时主轴箱没回到换刀点或换刀点漂移；机械手抓刀时没有到位就开始打刀或拔刀、刀臂及刀具的夹刀点不正确，打刀缸松拉刀位置不准确，打刀缸压力不够，松刀不正常、刀具太重、刀臂变形。常用措施： 应重设定换刀点；校正夹刀点、调整打刀缸松刀行程、调整压力值、检查刀具质量、更换刀臂。
④常见故障4：刀臂不回位。可能原因：电路接触不良、无夹刀或松刀信号、刀臂弯曲。常用措施：执行手动换刀，检查是否电路故障；用PLC监看夹刀或松刀信号，调整近接开关位置、调整或更换刀臂。
4.维修实例
（1）案例1。
故障现象：加工中心VMC1000C换刀时出现主轴掉刀故障。
故障诊断与排除方法：
①检查机械手手臂上两个卡爪的弹簧及附件，没有发现异常，说明机械手夹持刀具没有问题。
②拆开主轴检查碟簧能否对刀具夹持紧固，发现碟簧完好。
③打开PLC的I O监控画面，反复按压主轴刀具夹紧到位行程开关，发现其“0”、“1”状态与实际动作不一致，说明该行程开关有问题, 更换后故障排除。
（2）案例2。故障现象：加工中心BX-110P机械手取送刀具时不能缩爪。
故障诊断与排除方法： 打开PLC的IO监控画面，发现相应的限位开关没有压合；调整其位置后，机床恢复正常。但一段时间之后，再次出现此故障，检查限位开关没有松动，但却没有压合，进一步检查发现液压缸拉杆顶端锁紧螺母的紧固螺钉松动，致使液压缸伸缩的行程发生了变化；调整锁紧螺母并拧紧紧固螺钉后，此故障排除。
5.结语
机械手换刀装置是数控机床最重要的功能部件之一，掌握其结构特点、控制机理，不断总结归纳常见故障现象、原因及解决措施，不但有助于提高维修数控机床的效率与质量，对机床的维护与改造也有重要的参考意义。