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【摘要】发信盘作为数控车床刀架上的重要配置，在机床运行过程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。本文针对数控车床四工位电动刀架最易出现故障的发信盘入手，阐述了发信盘的工作原理，内部结构，核心元件，故障现象及维修的相关知识。
【关键词】数控车床；刀架发信盘；霍尔器件
在零件加工的过程中，人们为解决某些形状复杂，一致性要求高的中、小型零件的成批量自动化生产的问题，不断探索并试验着新的加工方法，无凝也推动着数控技术的发展和不断完善。作为数控技术载体的数控机床，在频繁的使用过程中得到了不断改进，技术虽然也相当成熟，但仍会出现各种故障。为能尽快地排除故障，除了要掌握数控机床复杂的结构和控制电路外，还必须学会一些数控设备的维修技术，才能快速判断故障所在，以缩短维修时间，降低维修成本。随着维修经验的积累，我们发现数控机床的常见故障可归为刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类，电器类等故障，而刀架类故障在其中占有很大比例。作为数控车床刀架上重要配件的发信盘出现故障的机率和危害便显得更加突出。为便于发信盘的故障诊断与维修，我将从发信盘的工作原理及其重要性，发信盘的内部结构及工作过程，发信盘的核心元件霍尔器件的结构和检测，发信盘故障分析和故障维修等五方面来阐述维修发信盘的相关知识。
一，刀架发信盘的工作原理及其重要性
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
需要换刀时，控制系统将发出刀架转位信号后，三相异步电机将正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿会慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也会随着螺杆正向转动（上盖圆盘通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到信号后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。在整过换刀的过程中，发信盘承担着刀号刀位的确认和确定的作用，并把信号及时地与数控系统进行交换，让数控系统进行正常地工作。假如没有发信盘对刀位位置的判断，并及时与数控系统进行信号交流，那么刀架将无法工件，换刀过程将无法完成，数控系统也会出现报警而无法正常地工作，作为数控车床必备的刀架也就成了摆设，那么数控技术的应用就失去了的意义。
二，发信盘的内部结构和工作过程
四工位发信盘共有六个接线端子，两个端子为直流电源端，分别接DC24V和100极，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。
譬如：当数控系统根据程序指令刀架更换4号刀具时，刀架电机便驱动刀架正向旋转；当在刀架上的磁钢到达发信盘的4号位置时，霍尔元件就会发出开关量信号并及时地把刀位已到4号位的信息传给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置后，CNC系统便会发出刀架电机反向旋转信号并锁住刀架。
电路原理如图2所示。从原理图可知，发信盘的主要器件构成是霍尔器件。
图2 电动刀架发信盘电路原理图
四，数控车床电动刀架发信盘故障分析
发信盘作为数控车床电动刀架的重要配置，在机床运行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。因发信盘装在刀架内部，就是出现故障，我们也很难用用肉眼看出，故在维修中，我们就只得进行故障分析了。发信盘出现故障就会出现下列现象：
1.刀架不换刀
对于这种故障，在排除刀架内部机械问题和刀架电机故障后假如仍然存在，我们就应怀疑是否发信盘出现了故障或发信盘与控制系统之间的信号交流出现了故障。
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
表现为刀架不停地转。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的霍尔元件损坏，或该刀位的信号线断路等。
当数控车床电动刀架出现不换刀，刀架锁不紧，不停转时，首先排除程序错误，参数设置不正确外，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，然后采用换接线方法，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。 五，刀架发信盘的故障维修
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（图3），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，关键问题是找出发信盘中的故障点和如何更换元件。
图3 发信盘内部器件结构
首先，确定发信盘是断路故障还是短路故障，将发信盘接入小于24 V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 mm～3 mm）小心地把故障点上的密封树脂钻掉（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4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。
图4 引脚焊接示意图
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]郑小年，金健，周向东等.《华中数控系统故障诊断与维修手册》[M].武汉：机械工业出版社，2012.
[2]郑小年，杨克冲.《数控机床故障诊断与维修》[M].武汉：机械工业出版社，2012.
[3]周宏甫.数控技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005.
[4]马西秦.自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
【关键词】数控车床；刀架发信盘；霍尔器件
在零件加工的过程中，人们为解决某些形状复杂，一致性要求高的中、小型零件的成批量自动化生产的问题，不断探索并试验着新的加工方法，无凝也推动着数控技术的发展和不断完善。作为数控技术载体的数控机床，在频繁的使用过程中得到了不断改进，技术虽然也相当成熟，但仍会出现各种故障。为能尽快地排除故障，除了要掌握数控机床复杂的结构和控制电路外，还必须学会一些数控设备的维修技术，才能快速判断故障所在，以缩短维修时间，降低维修成本。随着维修经验的积累，我们发现数控机床的常见故障可归为刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类，电器类等故障，而刀架类故障在其中占有很大比例。作为数控车床刀架上重要配件的发信盘出现故障的机率和危害便显得更加突出。为便于发信盘的故障诊断与维修，我将从发信盘的工作原理及其重要性，发信盘的内部结构及工作过程，发信盘的核心元件霍尔器件的结构和检测，发信盘故障分析和故障维修等五方面来阐述维修发信盘的相关知识。
一，刀架发信盘的工作原理及其重要性
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
需要换刀时，控制系统将发出刀架转位信号后，三相异步电机将正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿会慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也会随着螺杆正向转动（上盖圆盘通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到信号后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。在整过换刀的过程中，发信盘承担着刀号刀位的确认和确定的作用，并把信号及时地与数控系统进行交换，让数控系统进行正常地工作。假如没有发信盘对刀位位置的判断，并及时与数控系统进行信号交流，那么刀架将无法工件，换刀过程将无法完成，数控系统也会出现报警而无法正常地工作，作为数控车床必备的刀架也就成了摆设，那么数控技术的应用就失去了的意义。
二，发信盘的内部结构和工作过程
四工位发信盘共有六个接线端子，两个端子为直流电源端，分别接DC24V和100极，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。
譬如：当数控系统根据程序指令刀架更换4号刀具时，刀架电机便驱动刀架正向旋转；当在刀架上的磁钢到达发信盘的4号位置时，霍尔元件就会发出开关量信号并及时地把刀位已到4号位的信息传给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置后，CNC系统便会发出刀架电机反向旋转信号并锁住刀架。
电路原理如图2所示。从原理图可知，发信盘的主要器件构成是霍尔器件。
图2 电动刀架发信盘电路原理图
四，数控车床电动刀架发信盘故障分析
发信盘作为数控车床电动刀架的重要配置，在机床运行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。因发信盘装在刀架内部，就是出现故障，我们也很难用用肉眼看出，故在维修中，我们就只得进行故障分析了。发信盘出现故障就会出现下列现象：
1.刀架不换刀
对于这种故障，在排除刀架内部机械问题和刀架电机故障后假如仍然存在，我们就应怀疑是否发信盘出现了故障或发信盘与控制系统之间的信号交流出现了故障。
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
表现为刀架不停地转。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的霍尔元件损坏，或该刀位的信号线断路等。
当数控车床电动刀架出现不换刀，刀架锁不紧，不停转时，首先排除程序错误，参数设置不正确外，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，然后采用换接线方法，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。 五，刀架发信盘的故障维修
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（图3），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，关键问题是找出发信盘中的故障点和如何更换元件。
图3 发信盘内部器件结构
首先，确定发信盘是断路故障还是短路故障，将发信盘接入小于24 V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 mm～3 mm）小心地把故障点上的密封树脂钻掉（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4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。
图4 引脚焊接示意图
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]郑小年，金健，周向东等.《华中数控系统故障诊断与维修手册》[M].武汉：机械工业出版社，2012.
[2]郑小年，杨克冲.《数控机床故障诊断与维修》[M].武汉：机械工业出版社，2012.
[3]周宏甫.数控技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005.
[4]马西秦.自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，2007.