加工中心换刀机构及故障解决方案

加工中心刀库一般有夹臂式刀库、斗笠式刀库、圆盘式刀库、链式刀库等形式。立式加工中心上最常见的形式是斗笠式刀库和圆盘式刀库，卧式加工中心最常见的是链式刀库。

1.斗笠式刀库

斗笠式刀库也称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。

1）斗笠式刀库的制造成本低。其主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。

2）斗笠式刀库的刀号计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是20，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针旋转；如要换10号刀，刀库是顺时针旋转。机床关机后刀具记忆清零。

3）斗笠式刀库是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的，换刀时间比较长，如果所选取的刀具和主轴上的刀具位置相差180°，换刀时间常在8s以上（从一次切削到另一次切削）。由于无法备选下一把刀具，影响生产效率。

4）斗笠式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般BT40刀柄的不超过24把，BT50刀柄的不超过20把，大型龙门机床也有把斗笠式转变为链式结构的，此时刀具数量多达60把。

2.机械手刀库

带有机械手的刀库包括圆盘式刀库和链式刀库，机械手也称换刀臂、刀臂。机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。

1）机械手刀库的制造成本高。该刀库由一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作由凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。

2）机械手刀库的刀号计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号——1号刀。但只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀——T1。系统中有一张刀具表。它有两栏：一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如编制一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2，3号刀套装T3，当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套；同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。如果“回零”，则必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。

3）机械手刀库换刀时间一般为4s（从一次切削到另一次切削）。

4）刀具数量一般比斗笠式刀库多，常规刀具数量有20、24、30、40、60等。

5）刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油。

3.刀库的选择

两种刀库形式各有优缺点。一般单件小批量生产用斗笠式刀库为好，大批量生产用机械手刀库，但圆盘式刀库价格高。

另外，机械手刀库的可靠性比斗笠式刀库高，但斗笠式刀库维护保养简单方便。

选择刀库时还有以下几点需要注意：

1）斗笠式刀库的刀柄在刀库内放置时，7∶24的锥面是敞开的，无保护，时间久了或车间环境恶劣，锥面易沾染油雾灰尘，影响刀具的重复安装精度。而机械手刀库的刀套包容全部锥面，不易脏，特别对精镗刀的镗孔精度的稳定性有好处。

2）机械手刀库对刀具自重要求严格，一旦超重，刀具会从机械手中甩出去，易发生危险。刀具长度也必须在要求范围内，机械手旋转时所占的空间比较大，编程者须计算换刀时是否会碰夹具等。

3）斗笠式刀库从使用上讲，刀具应在圆盘周围均匀放置，尽可能使质心在圆盘中心，以延长刀库使用寿命。

4）从承重的角度讲，斗笠式刀库的刀柄以BT30和BT40比较好，BT40和BT50的刀柄选机械手刀库。

5）一般装有24把BT40刀柄的圆盘式刀库的加工中心允许装刀直径：无相邻刀具为ϕ150mm，有相邻刀具为ϕ80mm。

机械手刀库在使用大直径刀具（大于相邻刀位的最大直径）时处理比较麻烦。要么每一把刀具间隔位置或角度都一样，要么通过PLC专门辟出几个刀套位作为“特区”，比如森精机（MORISEIKI）和哈斯（HAAS）上都可以设置某一把或多把刀具为大直径刀具，即重刀，在重刀交换时，机械手旋转的速度会自动变慢。如果不设置大直径刀具或没有此功能，可以按照以下方法处理：

大刀能放进刀库里，说明相邻刀套上没有刀具。在上一把刀具加工时备选大直径刀具，把大直径刀具换到主轴上之后，不备选下一把刀具，也不手动旋转刀库，待加工完成后直接换刀，然后再选择下一把刀具，换刀……这样，这把大直径刀具就被固定地放入某一个刀套里了。

4.刀库的故障排除

斗笠式刀库的故障概率比机械手刀库的高，易损件主要是“马式机构”中拨叉上的滚针轴承损坏，如果刀库长时间满载或者偏重运行，那么导轨副会磨损，圆盘中心的轴承也会磨损，但更换比较方便。机械手刀库主要是靠凸轮机构完成换刀动作的，简单、可靠，平时只要按时更换凸轮箱里的机油即可，使用寿命长。如果凸轮槽磨损到一定程度后不更换，刀库就不能用了。

换刀的注意事项：

1）换刀动作必须在主轴停转时进行，且必须实现主轴定向停止（M19指令）。

2）换刀点的位置应根据所用机床的要求安排，有的机床要求必须将换刀位置安排在各轴参考点处或至少应让Z轴方向返回参考点，这时就要使用G28指令。有的机床则允许用参数设定第二参考点作为换刀位置，这时就可在换刀程序前编写G30指令。无论如何，换刀点的位置应远离工件及夹具，应保证有足够的换刀空间。

3）为了节省自动换刀时间，提高加工效率，应将选刀动作与机床加工动作在时间上重合起来。比如，可将选刀动作指令安排在换刀前的耗时较长的加工程序段中。

4）换刀完毕后，不要忘记安排重新起动主轴的指令。

5.刀具装入刀库的方法及操作

当加工所需的刀具比较多时，要将全部刀具在加工之前放置到刀库中，并给每一把刀具设定刀具号码，然后由程序调用。具体步骤如下：(www.xing528.com)

1）将需用的刀具在刀柄上装夹好，并调整到准确尺寸。

2）根据工艺和程序的设计将刀具和刀具号一一对应。

3）主轴回Z轴零点。

4）手动输入并执行“T01 M06”。

5）手动将1号刀具装入主轴，此时主轴上刀具即为1号刀具。

6）手动输入并执行“T02 M06”。

7）手动将2号刀具装入主轴，此时主轴上刀具即为2号刀具。

8）其他刀具按照以上步骤依次放入刀库。

6.M06换刀指令的解读

M06换刀指令只是看到的表面，事实上这么复杂有序的动作不可能只用一个指令就能完成，通过参数No.6071～6079的设置来调用程序号为O9001～O9009的子程序的M代码。通常，参数No.6071被设置为6，即用M06指令来调用O9001换刀子程序；在卧式加工中心上，参数No.6072被设置为60，即用M60指令来调用O9002交换工作台子程序。而这些程序被参数No.3202＃4保护起来了，将其设置为1时，就不能进行程序的删除、输出、登录、核对、显示、程序号检索、登录程序的编辑等操作。

参数No.3202＃6=0，能够看到O9001程序内容；No.3202＃6=1，只能看到显示屏右上角的O9001程序号，或者什么也看不到。

在不同刀库类型的加工中心上，在立式和卧式加工中心上，O9001换刀宏程序的编写是不一样的：

1）在斗笠式刀库上，换刀动作一般包括：①信号判断，如果所需刀具号就是主轴上的刀具号，则跳转到程序末尾的M99所对应的程序段号上；②存储原来的G90或G91、G20或G21代码；③返回Z轴第二参考点、M19、刀库靠近主轴、主轴松刀、返回Z轴第一参考点、刀库刀号判断、刀库就近旋转、返回Z轴第二参考点、主轴紧刀、刀库远离主轴、刀库旋转结束、刀库数据更新；④释放原模态G代码、M99。

2）在圆盘式刀库上，换刀动作一般包括：①信号判断，如果所需刀具号就是主轴上的刀具号，则跳转到程序末尾的M99所对应的程序段上；如果不是，就近旋转刀库，找到需要交换的刀具；②存储原来的G90或G91、G20或G21代码；③返回Z轴第二参考点、M19、刀套向下（pot down）、换刀臂60°旋转（arm 60 degree）、主轴松刀（tool unclamp）、换刀臂180°旋转（arm1 80 degree）、主轴紧刀（tool clamp）、换刀臂回原位（arm back to original position）、刀套向上（pot up）、刀库数据更新；④释放原来存储的模态G代码、M99。

换刀时刀套的待命位置为刀套在上或刀套在下，由机床厂商通过PLC位选择参数设定，例如某机床厂设置为K3.3=0，刀套在上；K3.3=1，刀套在下。

为了使信号到达、动作可靠到位，伴随有多处G04指令。换刀时最好不要选择单段方式或按下进给保持键。

7.换刀故障的排除

刀库和换刀机械手结构较复杂，且在工作中频繁运动，所以故障率较高，机床上有50％的故障都与之有关。如刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹持刀柄不稳定，机械手动作误差过大，刀库分度未到位突然断电，刀套上、下传感器报警等。这些故障造成换刀动作中止，报警产生，机床停止工作。因此，刀库和机械手的维护十分重要。换刀臂、手爪的结构如图2-4所示。

造成卡刀的故障有很多，常见的有，突然断电或误操作，比如按下急停或复位，或者气压不足，致使换刀臂60°旋转后刀具无法正常拔下。

图2-4 换刀臂、手爪的结构

1、3—弹簧 2—锁紧销 4—活动销 5—手爪

在换刀臂旋转轴上有两个销子，用来防止换刀时刀具甩落，按下急停按钮后，借助工具把一个销子按下去，另外一个人帮忙把这个销子所对应一侧夹持的刀具拆卸下来，另一侧的刀具也拆卸下来。如果刀具没有卸下来就旋转换刀臂电动机轴，主轴此时处于紧刀状态，刀柄尾端的拉钉会把主轴内部的碟形弹簧挤坏。

一个人爬到机床刀库旁，下面一个人观察换刀臂情况，在换刀臂的上方有一个换刀臂电动机。从上向下看，先沿逆时针方向拨动电动机上的制动装置，松开制动装置，用活动扳手拧电动机上端的外六角，先沿顺时针方向拧，如果拧不动，就是方向错了，不要用蛮力拧，马上再换个方向拧，换刀臂沿逆时针方向转动，使换刀臂脱离主轴上的刀具。上面的人旋转换刀臂的同时，下面的人一定要注意换刀臂旋转的方向，及时提醒上面操作的人。在没松开制动装置时是拧不动换刀臂的。

在换刀臂脱离主轴时，如果主轴上有刀具，听见了漏气声（主轴处于松刀状态），就要注意，在工装上垫上木板，注意刀具可能会掉下来，不要用手去抓。请一直旋转刀臂，直到刀臂做完一个完整的换刀动作，回到其原点位置。有的设备操作面板上有“刀具就位”等标志，当这个灯亮起代表换刀臂已经到了原点位置，如果没有这个标志，就要目测刀库内的原点灯了，这是每台设备都有的，在刀库防护罩内，里面有3个红色灯，一般中间那个亮了就是刀臂处于原点位置。

排除完卡刀故障后，将换刀臂电动机制动装置拨回原来的位置，然后再在MDI状态下进行一次换刀动作，看是否正常，如果正常，请一定记住要将加工用到的所有刀具核对一遍，意外的卡刀动作，会影响数据传输，刀具番号信息中断等，导致俗称的“乱刀”。

发生乱刀后，最简单的方法就是把刀库刀具全部拿下来，再按照程序里编写的顺序一把把装上去，就可以了。

更省力便捷的方法是在参数界面里进行刀具重整，就是查刀具番号，按操作面板按钮“SYSTEM”→［PMC］软键→［PMCPRM］软键→［DATA］软键，然后在刀具列表里检查刀具表的刀号是否有重复的刀号，在刀库手动的方式下一边转动刀库，一边查看刀套内刀号与程序中的刀号是否相符。若有错误，可以自行在数据表中修改更换，不需要手动将刀具重整，如图2_-5所示。

图2-5 主轴和刀套中的刀号参数

左侧一列番号栏就是刀库里的刀套号，0号是主轴刀具的意思。中间一列地址栏，不同的设备，号码也不相同，有的是D500开始是刀具地址，有的是D100开始是刀具地址。右侧一列数据栏就是在程序加工时用到的刀具号码，即T06现在在主轴上，T07现在在8号刀套内，T02现在在6号刀套内……

8.掉刀的处理

换刀臂接刀后，没有把新刀放回主轴上出现掉刀情况，多数是因为刀具太重或弹簧失效造成的。先检查换刀臂旋转轴两侧的两个销子是否弹起，如果未弹起，就会导致掉刀。把未弹起销子一端的盖板拆开，清理出切屑，取出刀臂卡爪锁紧弹簧和推块，用煤油清洗后放回，如果弹簧弹力不足，更换弹簧，加入些许润滑脂，放回盖板时涂抹适量密封胶，一般都能解决这个问题。