換刀係統將機械手作為換刀機構（gòu）的工具，目（mù）的是為了提高刀具交換效率，雖然該項技術在數控加工中心應用中取得（dé）了突出的成績，但也存在著亟待解（jiě）決的問題，例如：換（huàn）刀係（xì）統故障率（lǜ）較高，換刀精度和速度尚有（yǒu）提升空間。對換刀係統進行深入研究（jiū），具有突出的現實意（yì）義，應當引起重視。

     數控加工（gōng）中心代表著機（jī）械行業發展的主流方向。20 世紀70 年代，該項技術的引進為各行各業的發展提供了支持。國內現有加工中心，無論從數量還是質量上來說，均無法（fǎ）滿（mǎn）足行業需（xū）求。要想（xiǎng）使加工效率得到保證，關（guān）鍵是優化加工中心的換刀係統，換刀係統成為研究的重點。

      換刀係統具備交換、存儲刀具的功能。其中，負責對（duì）刀具進行交換的主體為換刀機構（gòu），具體流程如下：數（shù）控（kòng）係統發出換刀指（zhǐ）令後，換刀機構（gòu）對主軸在用刀具進行抓（zhuā）回，再將目（mù）標刀具交換至（zhì）主軸，為（wéi）零（líng）件（jiàn）加工工序（xù）提供保證。此項工作對主軸（zhóu）、刀具位置均提出具（jù）體的要求，降低換刀係統出現故障的概率，成為（wéi）機床製造行業需要解決的瓶（píng）頸問題。加工中心加工的零件工序較多，要想提高工件加工（gōng）的可靠性，關鍵是（shì）根據（jù）不同工序所提出需求，進行刀具（jù）交換（huàn），因此換刀係統對加工中心的意義重（chóng）大（dà）。從零件加工角度來說，換刀係統是否穩定，直接影響換刀的（de）效率。

     換刀係統包括刀庫（kù），即對工件進行加工時，不同刀具的具體位置受功能（néng）、容量影響，刀庫所呈現出形式有鼓式、盤式等。在對工件進（jìn）行加工時，若需要對刀具進（jìn）行交換，加工中心可選擇（zé）以係統（tǒng）參數為依據，自動準備刀具到機械手並隨時等待（dài）更換（huàn）刀具。刀庫卡刀是機床警報產生的主要原因之一。若（ruò）機床（chuáng）係（xì）統無報警但ATC（Automatic Tools Change，自動換刀裝置）不移動，維護（hù）人（rén）員應按照以下思路，對故障進行診斷：手動（dòng）使電磁閥動作，使（shǐ）機械手在油壓的作用下處於鬆開狀態，保證 ATC 能夠自由移動（dòng）；若ATC 裝置無法做到自（zì）由（yóu）移動，則應先對 ATC 液壓回路進（jìn）行檢查；在（zài） MDI 方式下輸入換刀指令執行換刀動作，若出現 ATC 動作卡滯的現象，維修（xiū）人員應對電機進行檢查；若 ATC 裝置無（wú）法滿足動作的要求，表（biǎo）明電機存在故障（zhàng）。維護人員應手動轉動電機軸，觀察傳動部件運轉是否流暢，因為傳動（dòng）部件往往存在較（jiào）為明顯的齒輪減速情況，如（rú）果（guǒ）是傳（chuán）動部件（jiàn）故（gù）障，手動轉（zhuǎn）動可（kě）以找到故（gù）障點；若存在伺服故障且 ATC 不移（yí）動的（de）情況，維護人員（yuán）應根據伺服單元 LED 指（zhǐ）示狀態判斷故障，若 LED 燈被點（diǎn）亮，則應對保險（xiǎn）絲（sī）、I/O 板進行檢查；若（ruò） LED 燈未被點亮，維（wéi）修人員（yuán）應對輸入電源（yuán）電纜和（hé）電機伺服驅動模塊進行檢查，再判斷電氣（qì）器件是否有故障存在（zài）。

     自動（dòng）換刀的常見故障，有超時報警和機（jī）械手反應不及時等故（gù）障。換刀超時報警信息（xī）為“動作並未在規定時間完（wán）成”，需（xū）要對（duì）PMC 到位信號開關進行檢查，如 X1.3（機械手滑板左移到位）及X1.4（機械手滑板右移到位）相應動（dòng）作（zuò）到位信號（hào）變化為 1；對機械手進行手動操作，機械手均能給予相應（yīng）反應，表明轉動（dòng）機構無異常現象；維護人員對其進行深入的排查，發現刀套到位（X1.0所（suǒ）對應信號變化為 1）動作正常，但動作緩慢；判斷機械（xiè）手滿足正常轉動的要求。要想使機（jī）械手完成抓（zhuā）刀動作，其前提是保證刀套位置正確，維護人員決定對刀套動（dòng）作進行仔細排查，發現位於刀庫側的預選刀套，向主軸側進行移動的時間，明顯比其他類似（sì）機床時間長。控製刀庫移動的機構為液壓油缸，需對其進行分解進一步排查（chá）故障。將油缸拆下分解並檢查發現（xiàn）缸壁和活塞（sāi）間存在（zài）較大配合間隙，導致（zhì）出現（xiàn）漏油故障，主要表現為活塞杆無法（fǎ）達到預定的運動速度，換刀動作完成過（guò）程緩慢，由此引發換刀超時故（gù）障報警（jǐng）。解決故障的方法是對液壓缸整套部件進行更（gèng）換[2]，試機調試（shì）機床正常投入使用。

明零位信號檢測正確。導致故障（zhàng）出現的原因可能是刀庫機械傳動部位故障。機械手由電機驅動，中（zhōng）間機構（gòu）為多級齒輪或皮帶傳動（dòng）。係統（tǒng）收到“換刀”指（zhǐ）令後，ATC 的（de）電機為（wéi）機械手提供動力，完成換刀過程。維護人員將刀庫門（mén）打開，拆卸防護（hù）蓋板，排（pái）查機械（xiè）手傳動機構，發現故障的（de）原因一個是小齒輪脫落，另一個是電機軸斷裂。即係統接到換刀指（zhǐ）令，機軸斷（duàn）裂（liè）的電機，無法將動力進行傳遞，缺少動力的（de）機械手自然會發出警報。更換電機後，維護人員發現機（jī）械手傳動機構齒輪齧合不順暢，這一現象增加了電機（jī）阻力，隨著換刀動作過程的次數越（yuè）來越頻繁（fán），出現機軸斷裂的情況，在對齒輪（lún）間隙進行調整後，傳動機構（gòu）的故障得到（dào）了徹底解決。

     第一步（bù），按（àn）下故（gù）障（zhàng）恢複按（àn）鍵，警報仍存在，則需（xū）要（yào）按下複位（wèi）按鍵，將警報消除；第二步，判斷主軸、換刀位（wèi）刀套、機械手（shǒu） AB爪是否有刀具存在，若有（yǒu）刀具存在，對刀臂給刀具移動（dòng）所帶（dài）來（lái）阻礙進行判斷，如果有阻（zǔ）礙存在，則表明（míng）刀庫卡刀的時間應是交換過程（chéng）中，隻需對刀具進行移除；若無刀具存在，隻需將機械手手動返回換刀等待位（wèi），或執行（háng）單（dān）步指令讓機械手（shǒu）自動返回（huí）等待位（wèi）；第三步，MDI 方式下進行（háng）自動還刀操作，使機（jī）械手返回換刀等待位（wèi），刀具還回刀庫；另（lìng）外，還（hái）可按下鬆刀按鈕，先將刀具移除，再對其位置進行手（shǒu）動恢複；第（dì）四（sì）步，若刀庫亂刀，維護人員應對刀（dāo）庫進行回零、重（chóng）新裝刀，並對每（měi）把刀具、刀套位進行檢查確認；若（ruò）從刀庫移除全部刀具的過程（chéng）中，執行卸刀操作，需要將（jiāng）刀具換到裝刀位逐個移除[3]。使換刀故障從根本上得以排除。

     加工中心（xīn）由數控係統、機械設施及換刀裝置組成，可（kě）以實現對工件進行高效加工。參數、類別不同的機床，通常對應不同的（de）加工中心，設計人員可選擇（zé）根據用戶所提出的需求，修改機床功能與部件，但是，類別相同的機床，所存在差別相對細微。例如以表現出的形（xíng）態為依據，可將加工中（zhōng）心分為多個（gè）不同種類，如臥式加工中心、立式加工中心。構成加（jiā）工（gōng）中心的元素，除了自動換刀係統，還有主（zhǔ）軸係（xì）統、基礎（chǔ）附件、冷卻係統和數控係統等。由電機、傳動機構構成的主軸（zhóu）係統，對加工效率與零件質量起決定性作用。基礎部件由立柱和床身構成，其價值主要體現在對工作負荷（hé）的承載（zǎi），這也決定其對剛度具有較高要求。另（lìng）外，數控係統包括 PLC、CNC、伺（sì）服係統和電（diàn）機，從控製角度來說，數控係統是機床（chuáng）的運動（dòng）控製核心，完成（chéng）機床各軸位置精（jīng）度控製的工作，控製零件加工軌跡，同樣應當引起重視。機床其他輔助係（xì）統的（de）功能，主要是冷卻、排屑（xiè）、潤滑和檢測，目的是為工件加工質量提供保（bǎo）證，使加工中心具備良好的可靠性與（yǔ）穩定性[4]。

    現階（jiē）段，加工中心的使用壽命已延長至 15 年，但是，不間斷、高強度的使用，加劇了機械（xiè）部件磨損的程度，無（wú）論是加工精度，還是（shì）後續的裝夾精度，均會受到不（bú）同程度的影響，若換刀係統出現精度（dù）降（jiàng）低的情況，極易導致刀具裝卸位置出現（xiàn）偏差，由此而（ér）引發（fā）的問題，主要體現在以下 3 個方麵：①刀具隨（suí）加工時（shí）間（jiān）增長有一定磨損，零件加（jiā）工精度隨之下降，則刀具需要定期（qī）進行更換；②主軸（zhóu）錐孔磨損，零（líng）件的加工精度無法得到保證，且（qiě）修複主軸精度難度較大，對維修技能水平要求高；③刀具種類、數（shù）量與刀具傳送效果成正比關係（xì），這也是導致傳（chuán）送位置出現偏差的主要（yào）原因。

    以 PID 為代表的控（kòng）製策（cè）略（luè），其優勢可歸納為可靠、便（biàn）於計（jì）算，上述優勢的存在（zài），使（shǐ）得其在多個行業得到廣泛應用，事實證明，PID 控製（zhì）策略能夠使位移（yí）偏差（chà）獲得補償，電機（jī）轉動精度自然得到提高。該策略（luè）的不足，則體現在不具備（bèi）在線（xiàn）控製（zhì）換刀係統功（gōng）能，如果係統（tǒng）參數出現變更，PID 參數往往無法實時做出反應（yīng），控製效果相應會受到影響。要想使（shǐ）換刀過程得到優化，降低出現故障的概率（lǜ），關鍵是對模糊控製（zhì）法（fǎ）加以（yǐ）使用（yòng），以參數（shù）可（kě）自動調節PID 為基礎，使位移（yí）偏差量得到補償，達到（dào）自動校正（zhèng）參（cān）數的目

    換刀係統是加工中心不可或缺的構成部分，其運行效率直接影響到加工的精度與效率。研究表明（míng），無法完成自動換刀的過程的原因往往與電氣、機械、液（yè）壓和氣壓綜合相關，隻有對換刀（dāo）原理及過程進（jìn）行深（shēn）入了解，才能做到及時發現並（bìng）解決潛在故（gù）障，為提升各機（jī）械行業的加（jiā）工效（xiào）率提供支持。