在數控機床的維修中，與換刀相關的故障極為多見。本文基于機械手換刀裝置的結構與動作控制，結合維修實例，歸納常見故障現象、原因及處理措施，在數控機床的維修與改造中具有較大的現實意義，值得認真探索、交流與推廣。

數控機床特別是數控加工中心高精度、高效率的重要原因之一在于其一次裝夾、多工序自動加工，而實現這一功能的關鍵在于自動換刀裝置。由于自動換刀裝置工作頻度高、控制機構復雜，包括刀庫、刀具交換以及驅動等部分，因此出現故障的幾率也大，在數控機床的維修中占有相當大的比例。了解其結構特點與控制機理，熟悉換刀的動作流程，總結歸納常見故障現象、原因及解決措施，借鑒相關維修實例，有助于快速、準確地診斷并排除故障，提高維修工作的質量與效率。

1.機械手換刀裝置的結構

圖1 多主軸換刀

圖2 雙主軸換刀

圖3 轉塔頭式換刀

圖4 斗笠式換刀

圖5 機械手換刀

數控機床自動換刀功能的實現有多種方式，如多主軸換刀（見圖1）、雙主軸換刀（見圖2）、轉塔頭式換刀（見圖3）、斗笠式換刀（見圖4）及機械手換刀（見圖5）等。按是否由機械手換刀可將其分為兩類：無機械手換刀（如斗笠式）大多依靠主軸與刀庫間的軸向相對運動實現拔刀與插刀，換刀時刀庫移至換刀位置，主軸先將刀具還回刀庫換刀位的空刀座上，然后刀庫旋轉使下一工序所需刀具進入換刀位置，主軸再從刀庫取走新的刀具，還刀和取刀兩個動作只能分步進行，加之主軸的軸向運動以及刀庫的移動和轉動，因此換刀時間長，加工效率低，刀庫的容量也較小；目前數控機床更多采用的是機械手換刀，利用機械手快速、準確地對調刀庫中換刀位與主軸上的刀具，還刀、取刀同時進行，換刀時間大大縮短，而且刀庫容量不受換刀機構限制。

圖6 盤式刀庫

圖7 鏈式刀庫

圖8 格子式刀庫

1.刀具固定板架；2.刀座；3.換刀機械手；4.換刀位置刀座；5.取刀機械手縱向導軌；6.取刀機械手橫向導軌

刀庫按刀具的布局可分為盤式、鏈式和格子式三種。盤式刀庫刀具呈圓周狀分布（見圖6），鏈式刀庫刀具布置在鏈條的各個環節上（見圖7），格子式刀庫刀具縱橫排列（見圖8）。盤式刀庫空間利用率低、容量小，一般用于小型加工中心。鏈式與格子式刀庫空間利用率高、容量大，用于中型與大型數控加工中心。刀庫的作用不僅是存放加工過程中所需要的刀具，還負責把下一工序所要使用的刀具準確地送到換刀位置。

圖9 凸輪式換刀機械手結構簡圖

刀具交換裝置的驅動方式有液壓、伺服和交流異步電動機驅動三種。液壓驅動需要足夠的液壓動力，且運動的速度和準確性受油質、油壓、油溫及環境等因素影響，一般用于不需要頻繁換刀的大中型機床。伺服電動機驅動的換刀裝置換?速度快、精度高、穩?性強，但成本較高。交流異步電動機驅動的換刀裝置，借助凸輪機構（見圖9），換刀速度快、定位準、穩定性高、連貫性好且成本低，廣泛用于頻繁換刀的中小型加工中心。

2.機械手換刀動作流程與選刀方式

圖10 換刀動作流程圖

圓盤式刀庫與凸輪式換刀機械手的換刀動作流程如圖10所示。

換刀數據表

刀庫的選刀有順序選刀、刀具編碼選刀、刀座編碼選刀和隨機選刀四種方式。機械手換刀大多采用隨機換刀方式，從主軸取下的刀具就近放入刀庫中剛取走刀具的換刀位刀座內，取刀與還刀同步完成。其原理是在存儲器中建立換刀數據表，表中存儲單元的地址與刀座編號及主軸相對應，因此數據表的容量為刀庫中刀座數加1，存儲單元中的數據與刀具編號一一對應，如附表所示。換刀時數據更新是先將主軸所對應的存儲單元中的數據（換刀前刀具的編號）寫入刀庫換刀位刀座所對應的存儲單元中，再將換刀指令中的刀具編號寫入主軸所對應的存儲單元，完成主軸與換刀位刀具編號的對換。假設數據表存儲單元首地址為D300，該地址所對應存儲單元中存放的數據即為主軸上刀具的編號，地址為D301～D（300+n）的存儲單元中的數據，即刀庫中從1#～n#刀座上刀具的編號。

3.機械手換刀裝置的常見故障與排除方法

在數控機床維修的過程中，經常出現與換刀相關的故障，根據其結構特點及換刀動作過程，歸納刀庫及機械手兩大方面常見故障現象、產生原因與采取措施如下。

（1）刀庫故障。

①常見故障1：刀庫不能轉動。可能原因：電動機軸與蝸桿軸的聯軸器松動；變頻器故障，電動機不得電；接近開關或磁簧開關故障；PLC無輸出控制，或PLC有輸出但接口板中的繼電器失效；氣壓低。常用措施：檢查調整聯軸器；檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；通過PLC的IO監控畫面檢查IO狀態，調整或更換接近開關或磁簧開關，檢查或更換繼電器；調整氣壓達到規定值。

② 常見故障2：刀盤定位不準。可能原因：電動機