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加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的維修技術(shù)及應(yīng)用

2024-4-17 來(lái)源：- 作者：薛一剛常喜萍等

摘要：介紹加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)在換刀過(guò)程中出現(xiàn)的故障及維修調(diào)整方法，結(jié)合實(shí)例，介紹換刀機(jī)構(gòu)在執(zhí)行伸縮、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)的維修調(diào)整步驟與檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：加工中心；自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)；凸輪；換刀點(diǎn)位置；機(jī)械手伸縮旋轉(zhuǎn)

0 引言

機(jī)械手自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工中心，其運(yùn)動(dòng)部件或刀具定位元件在出現(xiàn)磨損和損壞的情況下，換刀過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)卡滯、掉刀等故障現(xiàn)象，有時(shí)快速換刀過(guò)程中沖擊較大，伴隨機(jī)械部件異響，造成的結(jié)果是機(jī)械手無(wú)法正常換刀，甚者會(huì)導(dǎo)致刀具及設(shè)備損壞，如不及時(shí)有效處理，有可能會(huì)引發(fā)更大的損失。但是更新?lián)Q刀機(jī)構(gòu)費(fèi)用昂貴（每套進(jìn)口設(shè)備換刀機(jī)構(gòu)總成均價(jià)在 30 萬(wàn)元左右），且備件周期很長(zhǎng)。因此正確分析研判換刀機(jī)構(gòu)卡刀、掉刀等故障因素，利用或結(jié)合現(xiàn)有可行的維修資源，對(duì)其進(jìn)行部分元件的更換與維修，能很大程度地降低維修費(fèi)用，提高維修速度，分析換刀機(jī)構(gòu)的維修技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際維修過(guò)程具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1、機(jī)械手換刀故障的維修調(diào)整方法

1.1 調(diào)整刀庫(kù)傳輸器與主軸相對(duì)于換刀點(diǎn)的位置

通過(guò)檢測(cè)裝置對(duì)換刀點(diǎn)位置在 X、Y 平面內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)（圖 1），檢測(cè)裝置采用可拆解的模擬刀具 3 連件，刀柄為 HSK 結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)刀具進(jìn)入機(jī)械手手爪及鍵塊時(shí)是否在中心位置、插刀時(shí)刀具進(jìn)入主軸是否在主軸錐孔中心位置以及是否發(fā)生干涉產(chǎn)生異響等方面檢查，若有上述情況時(shí)更改主軸換刀點(diǎn) X、Y 的換刀原點(diǎn)位置以及刀庫(kù)傳輸器的位置，位置誤差應(yīng)控制在 0.2 mm 以內(nèi)。以上操作均是在手動(dòng)操作狀態(tài)下或手盤電機(jī)的情況下操作。

圖 1 利用檢測(cè)裝置校驗(yàn)換刀點(diǎn)位置

1.2 機(jī)械手刀具定位元件和鎖刀機(jī)構(gòu)的檢測(cè)

檢查刀具定位鍵塊是否完好可靠，主要檢測(cè)定位元件機(jī)械手爪圓弧側(cè)面的磨損量，以較重、較長(zhǎng)刀具為例（重刀和長(zhǎng)刀更容易驗(yàn)證出換刀效果），分別裝入兩個(gè)機(jī)械手，在刀具的遠(yuǎn)端水平方向施加外力，檢測(cè)左右的擺動(dòng)量，以及刀具受重力影響導(dǎo)致的低頭量，且對(duì)刀柄尾部造成的擺動(dòng)不超過(guò) 0.2 mm，否則將會(huì)對(duì)換刀造成影響，裝刀時(shí)會(huì)卡滯或鎖不住刀。根據(jù)刀具裝入時(shí)的擺動(dòng)量來(lái)判斷機(jī)械手爪是否磨損，磨損的手爪是固定的手爪還是活動(dòng)的手爪，這時(shí)需要對(duì)手爪進(jìn)行仔細(xì)的檢驗(yàn)，一般是檢驗(yàn)機(jī)械手爪的圓弧側(cè)面，重點(diǎn)是活動(dòng)手爪，因?yàn)榛顒?dòng)手爪的受力面積小，更容易磨損。手爪檢查完畢后，檢測(cè)鎖刀機(jī)構(gòu)的鎖緊銷是否伸縮正常，鎖刀彈簧的回復(fù)力是否正常，正常情況下刀具鎖緊后在沒(méi)有壓入鎖緊銷的情況下是取不出來(lái)的，依次可手動(dòng)檢驗(yàn)刀具的鎖緊狀況。對(duì)磨損量大的機(jī)械手手爪應(yīng)及時(shí)予以更換，此外，對(duì)于鎖刀彈簧回復(fù)力不夠的也應(yīng)予以更換，根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，鎖刀彈簧也屬于易消耗件，維修人員應(yīng)該多加注意。

1.3 換刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)與維修

換刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸出、旋轉(zhuǎn) 180°、縮回、鎖緊銷壓盤伸出壓住鎖緊銷等一系列動(dòng)作，傳動(dòng)包含齒輪傳動(dòng)、凸輪傳動(dòng)、曲柄滑塊傳動(dòng)等。以公司一臺(tái)德國(guó)進(jìn)口 NBH630 型臥式加工中心換刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，故障現(xiàn)象為機(jī)械手換刀時(shí)頻繁掉刀，首先要分析傳動(dòng)故障的現(xiàn)象、原因和實(shí)施維修方案的過(guò)程。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)吊運(yùn)的空間狹小、吊裝難度比較大，若要將整個(gè)換刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體吊出維修工作量很大，從實(shí)際情況出發(fā)，嘗試在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆解，當(dāng)然加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)可以整體拆出做進(jìn)一步的檢查和維修，但是需要注意的是，拆出重新安裝時(shí)需要特別注意整體安裝位置，避免二次安裝偏差造成的換刀問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)解體后，實(shí)際情況如圖2a）所示，進(jìn)一步檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)伸縮傳動(dòng)鏈曲柄中與端面凸輪配合的螺栓軸承損壞、曲柄回轉(zhuǎn)軸斷裂，斷裂位置如 2b）所示。通過(guò)對(duì)機(jī)械手換刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分解及原理分析，結(jié)合進(jìn)口備件的周期和成本，此類故障是可以通過(guò)更換部分部件來(lái)解決的，于是采用自制曲柄回轉(zhuǎn)軸、定制軸承進(jìn)行安裝恢復(fù)。此過(guò)程需要自主測(cè)繪并加工所需備件，測(cè)繪并加工的曲柄回轉(zhuǎn)軸如圖 3 所示。

圖 2 分解后的換刀機(jī)構(gòu)以及損壞的部件

圖 3 自主測(cè)繪曲柄回轉(zhuǎn)軸

1.4 安裝調(diào)試順序和注意事項(xiàng)

（1）先安裝圓柱凸輪。圓柱凸輪的安裝要在機(jī)械手伸縮的位置安裝，由圓柱凸輪的凸輪槽的曲線可以看出（圖 4），當(dāng)凸輪槽斜齒部位與機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸的凸輪軸承嚙合時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)凸輪槽圓周方向與機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸軸承嚙合時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸處于伸縮狀態(tài)，如果在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)安裝的話，會(huì)造成旋轉(zhuǎn)軸的初始位置可能不在水平位置，與水平位置或 60°或 120°，根據(jù)齒數(shù)的傳動(dòng)比可知，圓柱凸輪旋轉(zhuǎn)一周轉(zhuǎn)過(guò) 3 個(gè)斜齒，與之嚙合的機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸的 6 個(gè)凸輪軸承同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò) 3 個(gè)凸輪軸承，即圓柱凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一周是一個(gè)循環(huán)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn) 180°仍處于水平位置，機(jī)械手與旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力傳遞通過(guò) 32 個(gè)齒的花鍵連接，32/6 不是整數(shù)，因此無(wú)法通過(guò)調(diào)整機(jī)械手在花鍵軸上的安裝位置來(lái)調(diào)整機(jī)械手的初始水平位置。

圖 4 機(jī)械手動(dòng)作原理

（2）伸縮連桿的安裝。安裝加工的曲柄回轉(zhuǎn)軸，安裝定制的凸輪軸承，連接伸縮桿與端面凸輪槽。

（3）傳動(dòng)齒輪的安裝。安裝齒輪時(shí)要防止凸輪軸承的位置發(fā)生錯(cuò)位。

（4）蓋板的安裝。將蓋板涂密封膠，拆掉左邊伸縮連桿軸的軸座和中間傳動(dòng)齒輪軸的軸座，增大軸在孔間的移動(dòng)量，便于多軸同時(shí)安裝，用 M8 長(zhǎng)螺釘先連接上面兩個(gè)螺釘孔，便于對(duì)準(zhǔn)各安裝孔的位置，先對(duì)準(zhǔn)鎖銷釋放盤連桿的中心定位軸的安裝，同時(shí)兼顧伸縮連桿軸和傳動(dòng)齒輪軸的位置，逐步將各個(gè)軸安裝到位，最終將蓋板固定。

（5）分別安裝伸縮連桿軸座和傳動(dòng)齒輪軸的軸座，軸孔錯(cuò)位時(shí)可盤動(dòng)電機(jī)使軸孔同軸，使兩個(gè)軸座的安裝順利，然后緊固 3個(gè)軸的鎖母。

（6）編碼器的安裝，在編碼器的初始位置安裝，手動(dòng)將機(jī)械手盤動(dòng)至縮回的初始位置，連接編碼器。

（7）安裝完成后，重新校驗(yàn)換刀點(diǎn)位置，執(zhí)行自動(dòng)換刀動(dòng)作，此時(shí)機(jī)床換刀正常。

2、應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)維修技術(shù)的研究，取得一定的維修經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累，并成功運(yùn)用到公司其他設(shè)備的維修工作之中。例如公司一臺(tái)德國(guó)進(jìn)口 DMC160U 型五軸聯(lián)動(dòng)立臥轉(zhuǎn)換加工中心，在加工過(guò)程中突發(fā)機(jī)械手執(zhí)行旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)動(dòng)作的故障，對(duì)機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)與凸輪槽配合的旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)斷裂的情況（圖 5a）），將斷軸拆開(kāi)后借助壓床將軸承壓出，對(duì)斷軸進(jìn)行測(cè)繪加工后，更換新軸后修復(fù)故障。

再如公司一臺(tái)美國(guó)進(jìn)口辛辛那提立式加工中心，設(shè)備在使用過(guò)程中頻繁出現(xiàn)機(jī)械手換刀時(shí)掉刀的故障，維修人員多次調(diào)整換刀點(diǎn)位置未果，對(duì)換刀機(jī)構(gòu)拆解后做進(jìn)一步檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，減速器內(nèi)部的凸輪磨損（圖 5b）），凸輪槽磨出臺(tái)階 1 mm，磨損后導(dǎo)致的結(jié)果是換刀機(jī)構(gòu)在執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、伸縮動(dòng)作時(shí)間隙過(guò)大，換刀點(diǎn)位置無(wú)法保證，這是造成機(jī)械手掉刀的根本原因。維修人員對(duì)凸輪進(jìn)行更換后，機(jī)械手換刀動(dòng)作穩(wěn)定，設(shè)備故障得以消除。

圖 5 斷軸位置以及凸輪槽磨損

3、結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)控加工中心的維修過(guò)程中，會(huì)遇到各式各樣的故障類型；加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)故障只是其中一種常見(jiàn)的故障類型，此故障會(huì)涉及換刀點(diǎn)位置的校驗(yàn)及修改、機(jī)械手手爪及換刀機(jī)構(gòu)部件磨損的排查、更換等方面，這是一套系統(tǒng)的維修過(guò)程。在實(shí)際中，還會(huì)經(jīng)常遇到進(jìn)口設(shè)備自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)磨損部件無(wú)法單獨(dú)采購(gòu)，造成維修工作被動(dòng)的局面，這時(shí)需要維修工作者對(duì)機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行分析掌握，避免盲目拆卸后機(jī)構(gòu)無(wú)法回裝至原位，造成新的更為棘手的故障，針對(duì)公司自主解決進(jìn)口設(shè)備自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的故障，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的分享及交流，希望對(duì)從事此類維修工作的人員提供依據(jù)。

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