数控加工技术是二十世纪机械加工技术最大的进步之一，而数控加工技术提升的基础，是数控加工设备日新月异的进步。其中，最有代表性的数控加工设备则是数控加工中心,简称 CNC MC（Computer Numerical Control Manufacturing Center）。随着数控系统控制能力的发展，具备自动换刀功能的CNC加工中心在现代制造业企业中，应用得越来越普遍，在智能制造掀起的新工业革命浪潮中，扮演着愈来愈重要的角色。数控加工中心在生产过程中，能显著提高产品的加工效率，提高产品的加工质量，压缩产品的市场相应周期，增强企业的核心竞争力。加工中心的自动换刀系统（ATC），是加工中心最重要的子系统之一，加工中心的自动换刀系统一般是由存储刀库、换刀机械手和驱动装置组成。刀库的型制很多，容量也各不相同，刀库容量可大可小，常见的刀库包括以下几种：

1、转塔式刀库：在转塔式刀库中，存储的所有刀具都固定在同一个转塔上，没有换刀臂，能够存储的刀具数量非常有限，存放8—12把刀具，大多应用于轻型而简单的机床上，转塔的回转中心平行于机床主轴。换刀时，在换刀指令发出后，主轴沿着Z轴运行到换刀位置，刀库旋转至指定刀位，还刀时，刀库夹套垂直主轴运动，夹住刀具，主轴后退拔出刀具。取刀时，主轴对准所选刀具刀柄，轴向运动夹紧刀具后，刀库横向后退，取出刀具。

2、盘式刀库：盘式刀库形状呈盘形，所存刀具沿着盘面垂直排列，其中包括径向取刀和轴向取刀，取决于机械手的结构。这种刀库的结构简单、紧凑，性能可靠，在行业内应用较多，但由于刀具是单圈排列，刀库的空间利用率较低。若想增加刀库的容量，就必须加大刀库的直径，从而导致刀库的转动惯量增大，使得选刀运动时间加长。所以，受此限制，刀库存储的刀具数量一般不会多于32把。这种刀库适用于机床空间受限制而刀库容量需求又比较大的场合。为了增加刀库存刀数量，也有采用双盘式结构刀库，就是将两个较小容量的刀库分别安置于机床主轴的两侧，布局较紧凑，所存储刀具数量也可以相应增大，满足刀具要求较多的加工中心的需求．换刀时，刀库选刀到位后，由机械手旋转抓刀，拔刀后，旋转180°，再同时完成刀具送入主轴头和还回刀库。完成换刀功能的机构称为机械手。其功能就是完成刀具的装卸和在机床主轴与盘式刀库之间的调换。这类机构大多由步进电机、液压(或气液机构)或凸轮机构（分割器）组成。

3、链式刀库：链式刀库是将刀具放置在链条上的一种刀库，具备容量大、结构灵活的优点。但由于链条既是运动系统又是承载系统，所以也存在较大的缺点：结构刚性较差，位置精度也较差。

在加工中心的ATC（AUTOMATIC TOOL CHANGER）自动换刀机构中，凸轮式换刀机构由于具有结构紧凑，换刀迅速，运行可靠等优点，成为目前应用较多的一种机构，目前，国内许多企业都购置了大量的加工中心，其中许多机床采用了凸轮式自动换刀机构，因此了解和掌握凸轮式换刀机构的结构和运行原理，对设备日常维护保养，确保企业正常的生产秩序都非常重要。

下面以我公司使用的鼎泰VMC850加工中心（FANUC 0i系统）配备的中国台湾生产的德士（DEX CAM）凸轮为例，说明凸轮式自动换刀机构的结构、工作原理及常见故障分析。

凸轮式换刀机构包括以下几个部分(见图一)：

一、盘式刀库

二、凸轮机械手

三、主轴夹刀机构

一、盘式刀库            二、凸轮机械手     三、主轴夹刀机构

图一：圆盘式刀库凸轮换刀机构

1、刀库旋转电机 2、刀库刀座 3、倒刀气缸缩回定位开关 4、回刀气缸伸出定位开关

5、刀位计数开关 6、刀位复位开关 7、机械手换刀电机 8、机械手换刀电机停止开关 

9、机械手扣刀定位开关   10、机械手原点定位开关    11、机械手 

12、主轴夹紧气缸松开到位开关    13主轴夹紧气缸夹紧到位开关

本系统的整个换刀动作，都是在PLC系统的控制下执行的，其换刀的流程如下：                       

1. 刀库选刀：系统根据换刀指令给出的刀具号，刀库转动（正传或反转，取决于系统优化计算后选取的最短路径），根据需要转动的位置数，将选中的刀具转动到换刀位置并同时发出到位信号。

2. 刀库倒刀：收到选刀到位信号后，被选中刀具的刀套在气缸推动下旋转90°，从水平状态转为垂直状态，进入换刀位置，当到位后，会给出到位信号。

3. 机械手扣刀：收到刀套到位信号，原处于待机位置的机械手臂旋转60°，同时去扣住刀库上和机床主轴上的刀具，当转动动作到位后，凸轮内的机械手扣刀定位开关接通，给出扣刀到位的信号。

4. 拔刀：扣刀到位信号之后，主轴气缸松刀，机械手向下运动，从机床主轴和刀库刀套中向下同时拔出刀具，机械手两端分别夹住主轴上拔下的刀具和待换的目标刀具。并发出信号。

5. 换插刀：机械手旋转180°，主轴拔下的刀具和待换目标刀具交换位置，待旋转到位后，凸轮内链条带动轮轴上的触点给出到位信号。凸轮转动带动机械手向上运动将刀具向上分别插入主轴中和刀库刀套。主轴气缸动作夹紧刀具。

6. 机械手回位：机械手转动60°，触及机械手原位到位信号，机械手回原位。

7. 刀套回位：刀套回转90°至水平位置，归位。

8. 刀库回位：刀库恢复到原始位置，系统更新刀具刀套数据表，完成此轮换刀任务。

根据上述流程，并结合FANUC Oi数控系统PMC控制程序，可以对系统的常见故障进行系统有效的分析和判断，迅速发现故障点，尽快排除故障，保障生产顺利进行。

现就设备曾经出现的一些问题，具体讨论维修的思路和采取的办法。

故障一：本设备在车间用于加工汽车后桥齿轮副的被动轮安装螺纹孔，一号刀打中心孔，二号刀钻底孔，三号刀攻丝。在加工过程中，钻完孔之后准备攻丝，机床开始换刀动作，按照顺序，第一步选刀，第二步倒刀，第三步扣刀都正常进行，但是在进行到第四步应该拔刀时，机械手却停在那里不动了，过了30秒之后，系统报警“The tool is not clamped----刀具未夹紧”。首先分析报警内容，根据如上所示的机床换刀流程进行分析，应该是第五个环节出了问题，也就是主轴的夹紧气缸未能将刀具夹紧到位，机床的PLC系统未能收到接近开关发出的到位信号，所以，机械手就停止在那里了，最后换刀失败。为了验证判断是否准确，手动将机械手复位，打开机床主轴的外面防护挡板，露出主轴刀具的夹紧气缸及行程开关以便于观察。重启数控系统，通过MDI模式输入换刀指令，同时，通过PLC的监控模式，查找问题的节点在哪里。执行换刀指令后，机械手又停在了拔刀的位置，PLC的监控界面显示，X004.1和X004.2没有输入信号，其对应的行程开关分别为主轴松刀到位开关和主轴拉紧到位信号开关。经手动按压来检查两个开关，都能正常工作。到位信号未能发出，是由于两个开关不能被正常触发，原因是与气缸拉杆同步运动的压板变形，在PLC执行换刀动作准备拔刀时，压板没有准确压到松刀到位开关，从而使得PLC系统没有接收到气缸松刀到位信号X004.1，所以就停顿在那里等信号，直到超出数控系统给定的换刀延时30秒上限，最后报警。经过调整行程开关的压板位置并可靠固定，机床换刀机构恢复正常工作。

结论：加工中心的换刀机构，是提高和保证机床加工效率的重要机构，其结构复杂，动作环节多，要求高，要同时保证精度、效率、可靠性等多方面的需求，因此也就成为了故障发生率较高的部位。而其核心就是凸轮换刀机构。只要搞清楚换刀的动作流程和凸轮的工作原理，根据故障发生的环节，有针对性地开展故障分析，结合PLC梯图的动作控制顺序，进一步准确判定故障发生点，就能及时发现和定位故障点，并采取正确的措施，及时排除故障，迅速解决问题，确保企业生产经营的要求。

参考文献：

1、德士凸轮使用手册 [Z]    德士凸轮股份有限公司

2、戚洪利  自动换刀装置及其控制的研究[D]  兰州理工大学