数控车床刀架发信盘的故障诊断与维修

数控车床刀架发信盘的故障诊断与维修秦皇岛职业技术学院陈仕华段文艳摘要：刀架作为数控车床的重要配置，在机床运行工作中起着至关重要的作用，一旦出现故障很可能造成工件报废，甚至造成卡盘与刀架碰撞的事故。本文针对数控车床电动刀架最易出现故障的发信盘入手，分析其内部结构以找出解决故障的最佳方法，以提高维修效率和降低维修成本。关键词：电动刀架发信盘霍尔器件一、引言随着数控技术的提高，数控机床逐渐成为机械加工企业的“常规”设备。其成功地解决了某些形状复杂，一致性要求高的中、小批零件的自动化问题，这不仅大大提高了生产效率和加工精度，还减轻了工人的劳动强度，缩短了生产准备周期。但是，在数控机床使用过程中，难免会出现各种故障，所以故障的维修就成了数控机床使用者最关键的问题。由于维修数控机床结构和控制电路比较复杂，通常都是由设备生产厂家（或代理服务公司）提供维修服务，这样就有可能不能及时修复从而影响生产的正常进行，并且也会增加不必要的设备维修成本。掌握一些数控设备维修技术可以快速判断故障所在，缩短维修时间，以降低维修成本。在日常故障中，我们经常遇见的是刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障。而刀架故障在其中占有很大比例。二、数控车床电动刀架故障分析电动刀架作为数控车床的重要配置，在机床运行工作中起着至关重要的作用，一旦出现故障很可能造成工件报废，甚至造成卡盘与刀架碰撞的事故。在数控机床的故障维修中，电气控制部分线路复杂，故障现象多变，有些故障现象不太明显，查找难度比较大，而机械部分与普通机床比较类似，故障相对容易排除。电动刀架一般有四工位或六工位，由电动机、机械换刀机构、发信盘等组成，当系统发出换刀信号，刀架电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋转到所选择刀位，发信盘发出刀位到位信号，刀架电机反转，完成初定位后上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降机构锁紧刀架。刀架出现故障时就会出现下属现象：1、刀架不换刀对于这种故障，首先判断是刀架内部机械问题还是刀架电机故障，换刀时，用手触摸电机，看有无振动及测量电机电压来判断是否为电机故障。如电机正常，那么就机械问题，一般都为刀架内部机械卡死，把刀架拆下洗干净重新装上即可。有时候也可能是内部机械损坏。2、刀架锁不紧这种故障有可能是机床参数中的刀架反锁时间设置的太短，也有可能是刀架内部锁刀螺母太松以及发信盘的霍尔元件位置与磁钢没对准。3、找不到刀位表现为刀架不停的转。这种问题可能存在于刀架发信盘出现问题；CNC系统的刀位信号接收电路的问题；通信线路故障的问题等。4、找不到某一号刀表现为找不到某一号刀，而其他刀位可以正常换，这种问题有可能是刀架发信盘霍尔元件产生偏移或这一号刀霍尔元件损坏，或该刀位的信号线断路。前两种故障通常是有机械原因导致的比较容易判断和维修，而后两种故障是电气原因导致的。在实际生产过程中，由于刀架发信盘的原因导致数控车床刀架故障的情况较多，下面着重分析刀架发信盘的工作原理和诊断、维修。三、电动刀架发信盘的工作原理电动刀架发信盘是固定在刀架内部中心固定轴上由尼龙材料作为封装的圆盘部件。发信盘的内部根据刀架工位数设有四个或六个霍尔元件，并与固定在刀架上的磁钢共同作用来检测刀具的位置，如图1所示。图1四工位电动刀架发信盘在电动刀架的位置1、发信盘内部结构和工作原理四工位发信盘共有六个接线端子，两个端子直流电源端，其余四个端子按顺序分别接四个刀位所对应的霍尔元件的控制端，根据霍尔传感器的输出信号来识别和感知刀具的位置状态。当程序指令刀架更换2号刀具时，刀架电机驱动刀架旋转，当在刀架上的磁钢到达发信盘的2号位置时，霍尔元件感测到一定的磁感应强度就会发出开关信号给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置并锁住刀架。电路原理如图2所示。有原理图可知，发信盘的主要器件构成是霍尔器件。四工位发信盘磁钢RV30203020302030201231234111222333+-系统刀架位置控制接口电源接口图2电动刀架发信盘电路原理图（图中1、2、3、4为霍尔器件）2、霍尔器件结构和检测刀架发信盘内部核心元件是霍尔器件（Hall-effectdevices），它是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路的输出级集成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。在数控车床的电动刀架的发信盘通常采用3020型霍尔开关器件，其采用TO-92T封装，标识面为磁极工作面，三个引脚由左到右为1电源、2地和3输出。图3所示为霍尔器件内部功能框图。REG1，电源2，地3，输出图3霍尔器件内部功能框图霍尔开关器件具有电源电压范围较宽（4.5V~24VDC），开关速度快没有瞬间抖动，工作频率宽（DC~100KHz），能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，对环境要求不苛刻等优点。检测霍尔开关器件时，将器件的1、2引脚分别接到直流稳压电源（可选20V）的正负极，指针式万用表在电阻档（×10）上，黑表笔接3引脚，红表笔接2引脚，此时万用表的指针没有明显偏转，当用一磁铁贴近霍尔器件标志面时，指针有明显的偏转（若无偏转可将磁铁调换一面再试），磁铁离开指针又恢复原来位置，表明该器件完好，否则该器件已坏。四、刀架发信盘的故障维修当数控车床电动刀架出现不停地转时，首先排除程序错误，再观察刀架上的磁钢位置是否正确，然后检查通往发信盘的电源和通信线路是否正常以排除刀架控制线路故障。若上述基本检查没发现问题时，那就用替换法更换好的发信盘看是否能恢复正常，这样就可以很快确定故障范围。当电动刀架找不到某一刀位时，先检查与该刀位相对应的通信线路是否正常，然后采用换接线法，即将故障刀位的接线连到正常刀位的接线柱上进行测试以判断是线路问题还是发信盘的问题。发信盘出现故障的概率较高，虽然其拆装并不复杂，但其配件在有些地区并不方便购买，并且配件价格相对较高，由于发信盘的内部结构并不复杂，如图4所示。其电路原理见图2，因此根据发信盘的故障情况可以自行维修，维修难度并不高，关键问题是找出发信盘中的故障点和如何更换元件。1234+-RV电源地1接线柱2接线柱3接线柱4接线柱1，2，3，4为霍尔器件电阻稳压管发信盘外壳图4发信盘内部器件结构首先，确定发信盘是短路故障还是短路故障，将发信盘接入小于24V的直流稳压电流源，用指针式万用表的电阻档用红表笔接发信盘的负极（标志位“－”），黑表笔接发信盘的四个霍尔器件输出接线柱上的任意一个点，将磁铁贴近该霍尔传感器外侧观察指针偏转情况（注意磁铁的极性），若哪个不偏转就可判断该霍尔器件断路损坏，若测四个位置都不偏转可能是短路故障或者是电路中电阻、稳压二极管出现故障。对于断路故障只要更换霍尔器件就可以了；对于发信盘短路故障可以检查电阻和稳压二极管是否损坏以确定是否有维修价值。确定故障后，将发信盘的上封盖揭开，用小台钻（或手钻，钻头直径可选2.5~3mm）小心地把故障点上的密封树脂钻铣掉（注意不要损坏器件引脚）。用偏口钳将损坏的霍尔器件的实体部分剪碎（注意不要剪断器件的引脚），并将引脚理直，将新霍尔器件的引脚，比照发信盘上留下的引脚成型为U形（注意霍尔器件的标志方向），如图5所示，确定好位置后分别将对应引脚焊好，再按上述检测方法检测正常后，剪去多余引脚用热熔胶回复密封，并盖好上封盖，发信盘维修完毕。其它故障可参照此法，关键是不要剪断坏元件的引脚就可以了。1,电源2,地3,输出123保留原坏器件的引脚霍尔器件标志面发信盘外侧焊接处图5引脚焊接示意图五、结束语在实际维修过程中，修复的发信盘能够可靠的正常工作，由此可知对数控设备来说，有些易损部件在了解其功能和结构的前提下可以完全修复，由于3020霍尔元件应用较广泛一般电子商店就可购得，价格低廉，并且维修过程并不复杂，所以修复成本和周期比购买配件有很多优越性。参考文献[1]周宏甫.数控技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005.[2]马西秦.自动检测技术.北京：机械工业出版社，2007.作者简介：陈仕华男1964年8月出生于天津宁河县，河北秦皇岛职业技术学院机电工程系电子电气实训室主任，从事机械加工实践教学10年，电工电子实践教学工作15年。工作单位：秦皇岛职业技术学院单位地址：河北秦皇岛北戴河海滨联峰北路90号单位电话：[phone]通信地址：河北秦皇岛河北大街西段102号邮编：066000Email:[e-mail]联系电话：[phone]段文艳女副教授工作单位：秦皇岛职业技术学院侯蕊女助理讲师工作单位：秦皇岛职业技术学院