排屑機(jī)防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)??

王 勇 關(guān)集俱 趙 敏

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院精密制造工程系，江蘇蘇州215104；②紐威數(shù)控裝備(蘇州)有限公司設(shè)計(jì)部，江蘇蘇州215129)

排屑機(jī)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用非常廣泛，它的主要作用是將機(jī)床加工的廢料輸送出去，提高自動(dòng)化程度，減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。但排屑機(jī)在遇到料多或體積較大的廢料時(shí)，傳送裝置常會(huì)被卡住，由于排屑機(jī)是靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的，遇到這種情況電動(dòng)機(jī)會(huì)過(guò)載燒壞。目前多采用熱繼電器來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，但是熱繼電器保護(hù)有一段反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)通過(guò)的電流大于額定電流時(shí)，反應(yīng)的時(shí)間約1～2 min，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞或部分機(jī)械部件損壞。針對(duì)此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種排屑機(jī)的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置，從機(jī)械和電氣方面對(duì)電動(dòng)機(jī)和排屑機(jī)機(jī)械部件雙重防堵轉(zhuǎn)保護(hù)，一旦排屑機(jī)卡住，防堵轉(zhuǎn)機(jī)械保護(hù)裝置使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械部分依然可以轉(zhuǎn)動(dòng)，使其處于打滑狀態(tài)，避免了電動(dòng)機(jī)過(guò)載而造成損壞，同時(shí)也防止排屑機(jī)的零部件由于被迫受力而造成損壞。本裝置還可以調(diào)整排屑的力矩，提升了防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的應(yīng)用范圍。

1 機(jī)械保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

1.1 可調(diào)摩擦片式機(jī)械保護(hù)裝置

可調(diào)摩擦片式機(jī)械保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括機(jī)械保護(hù)部件和電氣保護(hù)部件。機(jī)械保護(hù)部件包括鏈輪1、摩擦片2和5、法蘭盤(pán)3和6、傳動(dòng)軸4、碟形彈簧8和圓螺母9；電氣保護(hù)部件包括感應(yīng)支架10和傳感器11。

工作時(shí)，卷屑電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)鏈輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪1左面與左摩擦片2的右面摩擦傳動(dòng)，左摩擦片2的左面與左法蘭盤(pán)3的右面摩擦傳動(dòng)，從而帶動(dòng)排屑機(jī)傳動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)；鏈輪1右面與右摩擦片5的左面摩擦傳動(dòng)，右摩擦片5的右面與右法蘭盤(pán)6的左面摩擦傳動(dòng)，右法蘭盤(pán)6通過(guò)平鍵7帶動(dòng)排屑機(jī)傳動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)。

碟形彈簧8設(shè)置于圓螺母9與右法蘭盤(pán)6之間，碟形彈簧8往左給右法蘭盤(pán)6、右摩擦片5、鏈輪1、左摩擦片2施加一定的壓力，這壓力的大小可以改變左摩擦片2與右摩擦片5產(chǎn)生的摩擦力大小，壓力的大小可以通過(guò)安裝在排屑機(jī)傳動(dòng)軸4外端設(shè)置的螺紋上的圓螺母9來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果順時(shí)針旋轉(zhuǎn)圓螺母9，碟形彈簧8產(chǎn)生的壓力增大，進(jìn)而摩擦傳動(dòng)力增大，反之則減小，所以圓螺母9可以用來(lái)調(diào)節(jié)排屑機(jī)的力矩[1]。假如排屑機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，當(dāng)堵轉(zhuǎn)的力大于摩擦力時(shí)，鏈輪1、左摩擦片2、右摩擦片5空轉(zhuǎn)打滑[2]，排屑機(jī)傳動(dòng)軸4不轉(zhuǎn)，從而保護(hù)了電動(dòng)機(jī)和排屑機(jī)機(jī)械零部件。

1.2 可調(diào)超力離合器式機(jī)械保護(hù)裝置

可調(diào)超力離合器式機(jī)械保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括由外向內(nèi)依次安裝圓螺母4、碟形彈簧5、擋盤(pán)6、鏈輪2、法蘭盤(pán)7，傳動(dòng)軸1與法蘭盤(pán)7通過(guò)平鍵8固定連接，鏈輪2套在傳動(dòng)軸1上，鏈輪2輪面的同一圓周上均勻設(shè)置有多個(gè)圓孔9，與每個(gè)圓孔9對(duì)應(yīng)的法蘭盤(pán)7的外表面上都設(shè)置有球形槽10，鏈輪2的圓孔9內(nèi)部都安裝有鋼球3，每個(gè)鋼球3的內(nèi)端位于法蘭盤(pán)7的球形槽10內(nèi)，擋盤(pán)6通過(guò)套在傳動(dòng)軸1上的碟形彈簧5和安裝在傳動(dòng)軸1外端的圓螺母4，壓緊所有的鋼球3，從而組成了一個(gè)可調(diào)超力離合器裝置[3]。

工作時(shí)，卷屑電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，由于鋼球3受到擋盤(pán)6的擠壓，鋼球3與球形槽10嚙合，從而帶動(dòng)法蘭盤(pán)7旋轉(zhuǎn)，法蘭盤(pán)7通過(guò)平鍵8帶動(dòng)傳動(dòng)軸1轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)排屑機(jī)因外力卡住時(shí)，傳動(dòng)軸1與法蘭盤(pán)7停轉(zhuǎn)，因外力超過(guò)了鋼球3與球形槽10的嚙合力，鋼球3脫離法蘭盤(pán)7的球形槽，鏈輪2繼續(xù)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了超力保護(hù)[4]。一旦外部卡住的故障被排除，鋼球3重新進(jìn)入法蘭盤(pán)7的球形槽，從而恢復(fù)卷屑動(dòng)作。通過(guò)調(diào)節(jié)圓螺母9，繼而調(diào)節(jié)鋼球3與球形槽10的嚙合力，以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合下所需的卷屑力矩。

2 電氣反饋保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

如果上述機(jī)械保護(hù)裝置失靈，當(dāng)出現(xiàn)排屑機(jī)因外力卡住時(shí)，上述兩個(gè)機(jī)械保護(hù)裝置的鏈輪不空轉(zhuǎn)打滑，仍然與傳動(dòng)軸連接，這樣卷屑電動(dòng)機(jī)將無(wú)法帶動(dòng)傳動(dòng)軸，電動(dòng)機(jī)將因過(guò)載而損壞，排屑機(jī)的零部件因強(qiáng)制受力而造成損壞。參照閉環(huán)反饋的原理，時(shí)刻“監(jiān)控”傳動(dòng)軸是否卡死停轉(zhuǎn)，及時(shí)將此信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制卷屑電動(dòng)機(jī)的工作[5]。

因此，增加了一種電氣保護(hù)方式進(jìn)行聯(lián)保，如圖1所示，在碟形彈簧8與圓螺母9之間安裝一個(gè)感應(yīng)支架10，感應(yīng)支架是隨傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的，感應(yīng)支架10上有4個(gè)金屬感應(yīng)片，均勻分配在圓周上，每90°一個(gè)金屬感應(yīng)片，在感應(yīng)支架正上方安裝有一個(gè)接近傳感器11，型號(hào)為PRT12-4DO(感測(cè)距離為4 mm，PNP常開(kāi)型)。當(dāng)傳感器正對(duì)著金屬感應(yīng)片時(shí)，傳感器指示燈亮，指示燈亮的時(shí)間大概是1 s左右，同時(shí)監(jiān)控信號(hào)為1并反饋給數(shù)控系統(tǒng)，控制電路如圖3所示。在兩個(gè)金屬感應(yīng)片之間，傳感器指示燈滅，指示燈滅的時(shí)間大概是4 s左右，監(jiān)控信號(hào)為0。

2.1 排屑機(jī)輸入輸出控制電路設(shè)計(jì)

圖3為排屑機(jī)輸入輸出控制電路，PNP傳感器感應(yīng)信號(hào)一端接在CB105的+24 V(B01端子)上，另一端接在B10端子上，其輸入信號(hào)地址為X9.1；排屑機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕的一端接在B01端子上，另一端接在A07端子上，其輸入信號(hào)地址為X8.2；排屑機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕的一端接在B01端子上，另一端接在B07端子上，其輸入信號(hào)地址為X8.3?？刂凭硇茧妱?dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的繼電器 KA1接在B16端子上，其輸出信號(hào)地址為Y2.1；控制卷屑電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的繼電器KA2接在A17端子上，其輸出信號(hào)地址為Y2.2。例如當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕按下時(shí)，X8.2為1，否則為0；當(dāng)PNP傳感器感測(cè)到金屬感應(yīng)片時(shí)，X9.1為1，否則為0；當(dāng) Y2.1為1時(shí)，KA1繼電器得電吸合，排屑機(jī)正轉(zhuǎn)。

2.2 防堵轉(zhuǎn)保護(hù)梯形圖設(shè)計(jì)思路

假如排屑機(jī)因卡住而堵轉(zhuǎn)，排屑機(jī)傳動(dòng)軸不動(dòng)，傳感器會(huì)一直亮，或一直滅。因此在電動(dòng)機(jī)控制程序中設(shè)置傳感器感應(yīng)信號(hào)超時(shí)判斷功能，監(jiān)控傳感器感應(yīng)信號(hào)持續(xù)為1的時(shí)間和持續(xù)為0的時(shí)間，持續(xù)為1的信號(hào)大于1 s或持續(xù)為0的信號(hào)大于4 s時(shí)，切斷卷屑電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出控制信號(hào)，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)和排屑機(jī)機(jī)械零部件?？梢约僭O(shè)兩種排屑機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況:

(1)傳感器正好檢測(cè)到金屬感應(yīng)片時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則此時(shí)X9.1為1的狀態(tài)持續(xù)2 s，即認(rèn)為排屑機(jī)卡住堵轉(zhuǎn)。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)PMC命令卷屑電動(dòng)機(jī)停止工作，同時(shí)在系統(tǒng)屏幕上出現(xiàn)排屑機(jī)卡住報(bào)警信息，以提醒操作人員檢查排屑機(jī)卡住的故障。

(2)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到金屬感應(yīng)片時(shí)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則此時(shí)X9.1為0的狀態(tài)持續(xù)5 s，即認(rèn)為排屑機(jī)卡住堵轉(zhuǎn)。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)PMC命令卷屑電動(dòng)機(jī)停止工作，同時(shí)在系統(tǒng)屏幕上出現(xiàn)排屑機(jī)卡住報(bào)警信息，以提醒操作人員檢查排屑機(jī)卡住的故障。

2.3 防堵轉(zhuǎn)保護(hù)梯形圖設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)排屑機(jī)防堵轉(zhuǎn)保護(hù)梯形圖。如圖4所示，X8.2是排屑機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)輸入信號(hào)，Y2.1是卷屑電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)輸出信號(hào)，X8.3是排屑機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)輸入信號(hào)，Y2.2是卷屑電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)輸出信號(hào)，X9.1是傳感器監(jiān)控信號(hào)，R1000.4排屑機(jī)卡住報(bào)警信號(hào)。梯形圖中的Y2.2與Y2.1常閉觸點(diǎn)為互鎖觸點(diǎn)，起到正反轉(zhuǎn)互鎖保護(hù)作用，X8.4為急停信號(hào)，正常情況下，該信號(hào)為1[6]，一旦出現(xiàn)排屑機(jī)卡住故障，R1000.4線圈得電，R1000.4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

圖5是排屑機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，X9.1信號(hào)狀態(tài)為1持續(xù)2 s的梯形圖，利用TMRB定時(shí)器功能指令[7]，時(shí)間常數(shù)設(shè)定為2 000 ms。排屑機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，Y2.1與Y2.2其中一個(gè)為1，當(dāng)傳感器感測(cè)到金屬片時(shí)，X9.1為1，圖中的X9.1常開(kāi)觸點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)TMRB定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到2 s時(shí)，線圈R565.0得電為1，圖7中的R565.0常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，線圈R1000.4得電為1，R1000.4的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，報(bào)警線圈A0.4得電，觸發(fā)報(bào)警信息，緊接著在屏幕上顯示“1004排屑機(jī)卡住報(bào)警(A0.4-R1000.4)”。同時(shí)，圖4中的R1000.4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保護(hù)了電動(dòng)機(jī)。

圖6是X9.1信號(hào)狀態(tài)為0持續(xù)5 s的梯形圖，利用TMRB定時(shí)器功能指令，時(shí)間常數(shù)設(shè)定為5 000 ms。排屑機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，Y2.1與Y2.2其中一個(gè)為1，當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到金屬片時(shí)，X9.1為0，圖中的X9.1常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)TMRB定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)5 s時(shí)，線圈R565.1得電為1。

圖7中的R565.1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，線圈R1000.4得電為1，R1000.4的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，報(bào)警線圈A0.4得電，觸發(fā)報(bào)警信息，緊接著在屏幕上顯示“1004排屑機(jī)卡住報(bào)警(A0.4-R1000.4)”[8]。同時(shí)，圖 4中的R1000.4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保護(hù)了電動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

這種機(jī)械與電氣相互配合的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置性能優(yōu)良，有效的保護(hù)了排屑電動(dòng)機(jī)和機(jī)械零部件，延長(zhǎng)了排屑機(jī)使用壽命，且可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)合調(diào)節(jié)排屑力矩，擴(kuò)大了其使用范圍。電氣保護(hù)設(shè)計(jì)中，用到了4個(gè)感應(yīng)片，傳感器監(jiān)控信號(hào)為0的時(shí)間較長(zhǎng)，可以適當(dāng)增加感應(yīng)片的數(shù)量，使傳感器監(jiān)控信號(hào)為1或?yàn)?的時(shí)間基本一樣，縮短堵轉(zhuǎn)檢測(cè)時(shí)間。該排屑機(jī)防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置已應(yīng)用在HRLE系列鏈板式卷屑裝置上，并授權(quán)了實(shí)用新型專(zhuān)利(一種排屑機(jī)的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)裝置，專(zhuān)利號(hào):ZL201721662161.2)