加工中心自动换刀控制及常见故障分析[1]
加工中心自动换刀控制及常见故障分析
一、加工中心自动换刀控制的意义
为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一
台机床一次装来即可完成多道工序或全部工序的方向发展。因此出现
了各类型的加工中心机床加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自
动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序加工工序。从而衍伸
出按有无机械手又分为不带机械手的自动换刀装置（如斗笠式换刀装
置）和带机械手的自动换刀装置。
带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主
轴部件就有可能充分增强它的刚度，因此能满足精密加工的要求。另
外刀库可以存放很大的刀具，因此能够进行复杂的零件的多工序加
工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动
换刀装置特别适用数控钻床、数控铣床和数控镗床。
采用机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间。目前在
加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式能将刀
具号和刀库中刀套位置（地址）对应地记忆在数控系统的
PC中，不
论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测
装置（一般与电动机装在一起）可以检测出每个刀套的位置，这样刀
具就可以任意取出并送回。刀库上没有机械原点，使每次选刀时，就
近选取。
这里我们将介绍斗笠式换刀装置（
12刀位）的结构及动作原理，
1
在此基础上设计并实现了换刀控制的电气及
PMC控制过程。
二、12刀位斗笠式刀库组成结构及动作原理
在加工中心上刀库选刀控制（T指令）和刀具交换控制（M06控
制）是
PMC控制的重要部分，通常用刀套编码方式和随机方式。
刀套编码是对刀库中的刀套进行编码，并将与刀套编码相对应的
刀具一一放在指定的刀套中（如图
1），然后根据刀套的编码选刀具，
刀套编码控制换刀过程需要两次完成，首先把主轴的刀具放回主轴上
刀具的原来位置，然后再从刀库中取出要选择的刀具，这样换刀效率
低，一般用于无机械手或刀库容量比较少的刀库选刀控制。
图 1 12刀位刀库示意图
随机换刀是指刀库中的刀具与主轴的刀具任意地直接交换，随机
换刀控制需要在
PMC内部设置一个刀库的数据表，如表一所示，数据
2
表的个数（数据表容量）是刀库的刀具总量加上主轴刀，如该刀库为
12把刀，则数据表的个数为
13（如
D0000～D0012）该数据的首地址
（如
D0000）为主轴的刀座号，数据表的序号（又称表内号）与刀库
中的刀座号相对应，每个表内号中的
内容就是对应刀座中的刀具号，
当程序执行到
T码时，PMC通过数据检索指令，把检索到
T码（即所
选择的新刀具）所在数据表的位置（数据表内号），即新刀具在刀库
的实际位置通知系统，PMC控制刀库旋转把选择的新刀具转到换刀位
置，等待换刀。在执行换刀指令（M06）时，机床主轴快速回到换刀
点（一般为机床的第二参考点），并且实现主轴准停，机械手执行换
刀控制，即同时交换主轴和刀库中的刀具，换刀结束后，把主轴所在
数据表的地址内容改写成现在的刀具号，把主轴上的刀号（旧刀号）
写入到换刀的刀具所在数据表的地址中。
表一：刀号数据表
名称数据序号刀套号刀具号
D000 0 0
D001 1 1
D002 2 2
D003 3 3
D004 4 4
D005 5 5
D006 6 6
D007 7 7
D008 8 8
D009 9 9
D0010 10 10
D0011 11 11
D0012 12 12
3
三、斗笠式刀库（
12把刀）自动换刀装置电气控制
电气控制电路包括接强电电路和
PMC控制电路两部分。
图
3 所示为接触器控制电路。主电路由空气开关
QF、KM1主触
点、KM2主触点、三相异步交流电机
M等组成。控制电路中中间继电
器
KA1与
KA2分别控制接触器
KM1和
KM2的线圈，控制刀库电机
M的
正反转和停机制动。实现刀具的选择从而达到精确选刀的目的。
图
3 电动刀库电气控制线路图
四、斗笠式刀库（
12把刀）自动换刀装置的
PMC控制
PMC控制包括硬件控制和软件控制两方面。
硬件控制包括输入信号的接入和输出信号的控制。图 4所示为
电动刀库
PMC接线图。在此例应用中，传感器信号分别接在
X2.0、
X2.1输入端口，而控制正反转接触器
KM1、KM2的中间继电器的线圈
4
分别由
Y50.1、Y50.2控制。
图
4 电动刀库
PMC接线图
软件完成换刀控制逻辑关系。实现换刀控制过程的流程图如图
5
5
所示。图
6为
PMC控制梯形图。
图
5换刀控制流程图
6
图
6 换刀控制梯形图
7
例如，加工中心在执行
M06T1换刀指刀令时的换刀结果是：刀库
中的
T1刀装放轴。
（1）DSCH功能指令（检索功能）
当
CNC读到
T1指令代码信号时，将此信号信息送入
PMC。当
PMC接
到寻找新刀具的指令
T1后（FT3为“1”）在模拟刀库的刀号数据表
中开始
T代码数据检索出来存入
F26地址单元中。然后将
1号刀所
在数据表中的序号
1存入到检索结果输出地址
D100中，同时
R10.2
为“1”。由于
R9091.0为“0”。即断开，所以
DSCH功能指令按规定
2位
BCD码处理数据。
（2）COIN功能指令（比较指令）
当
R10.2为“1”时，地址
D100的内容（指令
1号）和地址
D200（当
前刀套数据表序号
4）的内容作比较。数据一致时，输出
R10.3
为“1”，不一致时，R10.3为“0”作为刀库旋转达
ROT功能指令的
条件。
（3）ROT功能指令（旋转指令）
ROT功能指令中，旋转检索数（刀套位置个数）为
12，现在位置
地址为
D200（存放当前刀套号
4），目标位置地址为
D100（存放
T1
号刀具的刀套号
1），计算结果输出地址为
C1。
当刀具判别指令
R10.3为“0”，ROT指令开始执行根据
ROT控制
条件设定，计算出刀库现在的位置与目标相差的步数为
“3”步将此
数据存入
C1中，并选择出最短旋转路径，使
R10.4置“0”，正向旋
转方向输出。通过
Y50.1正向旋转继电器，驱动刀库正向旋转“3”
8
步，即找到了
1号刀位。
（4） CTR功能指令（计数指令）
CTR功能指令中，计数指令
01号计数，地址
C1为刀库现在的位
置目标位置相差的步数的数据存储地址。R10.4控制计数器的加计数
或计数器的减计数，
X2.1为
0时计数器不计数，当
X2.1为
1时计数
器计数累加。当计数器累加到定值
R10.5输出。
刀库旋转后，R10.3输出为“1”时（刀库的实际位置与刀库目
标位置一致），即识虽了所要寻找的新刀具，刀库停转并定位，等待
换刀。
五、自动换刀装置常见故障及维修
1、刀库乱刀故障处理方法
由于自动换刀装腔作势置是通过记忆数据表中的数据进行换刀
的，如果系统
PMC参数丢失或换刀装置拆修后，系统就会出现换刀过
程中乱刀或不执行换刀动作的故障。此时应当恢复系统参数和换刀机
械动作，然后对刀库的数据表进行初始化。具体操作是把计数器
01
设定为
24，数据表的
D000设定为
0，D001-D024设定值应按实际刀
库的刀座中的刀具号进行设定，最后系统断电再重新上电，系统恢复
正常工作。
2、刀具交换时掉刀
换刀时主轴没有准确回到换刀点或主轴准停位置偏移，机械手抓
刀时没有到位就开始拔刀，都会导致换刀。处理方法是重新调整主轴
9
换刀点位置并修改第二参考点的坐标值；检查主轴编码器与主轴的连
接和编码器本身一转信号是否正确；栓查扣刀到位开关
6位置调整是
否正确及机械手转位是否良好。
加工中心刀库自动换刀装置常见故障及维修参考表二。
表二加工中心刀库自动换刀装置常见故障及维修
故障现象原因分析故障处理方法
装刀时，被撞击转动刀库氢破裂的刀套移到旁边，
然后使用六角扳手把固定螺钉松开
以便更换
刀套破裂
刀套未定位之前有倒动作
刀库电动机过
热烧坏
检查电动机线
关闭电源后，取下配线，栓查并排
除阴碍点后更换新马达
刀具的质量是否过大
刀库是否有阴碍而过载
刀套在准备好
后要下载时却
不能正降落
气压是否正常
检查气压气缸
气缸是否漏气
螺钉是否松动紧固螺钉
刀具是否重（15kg）或过长（300mm）确认刀具质量
电源是否良好（电压是否正常）
检查电源、气源
刀库无法运转
气源是否供应良好（压力是否足够）
检测开关是否正常工作检查每一个开头产是否正常发信号
电线是否接好检查电线是否连接完好
换刀时，刀掉
落，而且有拉
刀的情发生
刀臂被撞击并变形换新刀臂并调整
刀具太重造成刀臂变形在换刀前先检查其质量
刀套内的夹紧压缩弹簧已疲劳调整并更换弹簧
刀臂及刀具的夹刀点的校正不正确重新校正
刀具质量超过所规定的限制检查总质量
倒刀时刀掉落
刀套内的弹簧夹力不够调整或更换
倒刀块及刀套没有定位好（即没有倒
90度）
调整螺钉
换刀时无法回
刀臂弯曲
先用扳手旋转
ATC来确认是否夹刀
位置正确，如果高度已修正仍不能
回归则更换刀臂
归
电线接触不良
先用换刀命令来换，如果刀没被卡
信，表示电线故障
夹刀及释刀的信号无法被传递调整感应器的感应装置
10
六、小结
本次毕业设计，进一步巩固了以前所学的一些知识并将他们灵活
应用，也学到了一些书本上学不到的东西，培养了自己的自学能力；
同时也深深感受到了自己在知识方面的欠缺，为下一步的学习找到了
方向。由于本次毕业设计采用小组共同完成的方式，在小组成员的共
同努力下圆满完成了本次设计，亲身感受了小组成员合作的优势和重
要性，在此对本次毕业设计小组成员（李忠、潘钱云、熊钟星、左志
宏、秦佳楠、赖明亮等）表示感谢。在整个毕业设计的过程中，也
得到了郑利敏等老师和其他同学的大力支持和帮助，在此一并表示忠
心的感谢！
11
参考文献
1王浩主编.数控机床电气控制.北京：清华大学出版社，2006
2刘永久主编.数控机床故障诊断与维修技术.北京：机械工业出
版社，2006
3、龚仲华主编.数控机床故障诊断与维修
500例.北京：机械工
业出版社，2006
12