一種簡易行程開關(guān)實驗裝置的研發(fā)

段明忠DUAN Ming-zhong；張鍵ZHANG Jian

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430080）

（Wuhan Engineering Institute，Wuhan 430080，China）

0 引言

機電工程類專業(yè)有許多專業(yè)課如《機床電氣與PLC》、《測量技術(shù)》、《數(shù)控機床的故障診斷與維修》、《機電設(shè)備安裝與調(diào)試》等課程中都涉及到行程開關(guān)這種裝置。此裝置在工業(yè)控制領(lǐng)域和機械加工行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是由于大部分學生缺乏到生產(chǎn)現(xiàn)場認識的機會，很難對行程開關(guān)的原理及用途有感性的認識和領(lǐng)悟，更談不上今后在生產(chǎn)實踐中進行運用。針對學生們對行程開關(guān)性能認識不足的問題，本文提出了設(shè)計一種簡易行程開關(guān)實驗裝置的想法，讓學生們通過這種實驗裝置的演示來了解幾種常見的行程開關(guān)的用途和性能，同時增強他們對相關(guān)課程的學習興趣。

1 行程開關(guān)的工作原理

首先對行程開關(guān)作簡要的介紹。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)或位置開關(guān)，就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關(guān)。它是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路工作狀態(tài)的控制電器。行程開關(guān)的動作原理與控制按鈕相似。在機床設(shè)備中，事先將行程開關(guān)根據(jù)工藝要求安裝在一定的行程位置上，部件在運行過程中，裝在其上的撞塊壓下行程開關(guān)的頂桿，使行程開關(guān)的觸點動作而實現(xiàn)電路的切換，達到控制運動部件行程位置的目的。在日常生活中最常見的例子就是電冰箱。當你打開冰箱時，冰箱里面的燈會亮起來，而關(guān)上門燈又熄滅了。這是因為門框上有個開關(guān)，當開關(guān)被門壓緊時燈的電路便斷開，而門一打開會自動使電路閉合，燈就亮了。這個開關(guān)就是行程開關(guān)。行程開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，許多電器里都有它的身影。這么簡單的開關(guān)能起到什么作用呢？它主要起連鎖保護的作用。

最常見的例子莫過于其在洗衣機和錄音機（錄相機）中的應(yīng)用了。在洗衣機的脫水（甩干）過程中轉(zhuǎn)速很高，如果此時有人打開洗衣機的門或蓋后，再把手伸進去，很容易對人造成傷害。為了避免這種事故的發(fā)生，在洗衣機的門或蓋上裝了個電接點，一旦有人開啟洗衣機的門或蓋時，就自動把電機斷電，甚至還要靠機械辦法聯(lián)動，使門或蓋一打開就立刻“剎車”，強迫轉(zhuǎn)動著的部件停下來，避免傷害人身。在錄音機和錄像機中，我們常常使用到快進或者倒帶，磁帶急速地轉(zhuǎn)動，但是當?shù)竭_磁帶的端點時會自動停下來。在這里行程開關(guān)又一次發(fā)揮了作用，不過這一次不是靠碰撞而是靠磁帶的張力的突然增大引起動作的。行程開關(guān)真正的用武之地是在工業(yè)上，在那里它與其它設(shè)備配合，組成更復雜的自動化設(shè)備。在機床上也有很多這樣的行程開關(guān)，用它控制工件運動或自動進刀的行程，避免發(fā)生碰撞事故。有時利用行程開關(guān)使被控物體在規(guī)定的兩個位置之間自動換向，從而得到不斷的往復運動。比如自動運料的小車到達終點碰著行程開關(guān)，接通了翻車機構(gòu)，就把車里的物料翻倒出來，并且退回到起點。到達起點之后又碰著起點的行程開關(guān)，把裝料機構(gòu)的電路接通，開始自動裝車。這樣不斷循環(huán)便形成了一條自動生產(chǎn)線，不用人管也可以日以繼夜地工作，節(jié)省了人的體力勞動。

2 實驗裝置原理的介紹與研制

我們主要想通過這套裝置讓學生了解行程開關(guān)的用途和性能。裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，主要由變頻電機、滑塊、滑座、E 字形擋鐵、滾動軸承、偏心套、開關(guān)壓鐵和底板等幾部分組成。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

具體的工作原理為：偏心套的一端與變頻電機主軸聯(lián)接，另一端與軸承內(nèi)圈聯(lián)接，一旦電機運轉(zhuǎn)起來，軸承就會在偏心套的帶動下作偏心轉(zhuǎn)動，這時滑塊就會在滑座上左右來回滑動，如圖2 所示。在滑塊上部固定安裝了一塊E字形擋鐵，擋鐵隨著滑塊一起運動，如圖3 所示。在擋鐵兩側(cè)的壓鐵上可以安裝幾種常見的行程開關(guān)，如光電式行程開關(guān)，電容式行程開關(guān)，電感式行程開關(guān)和霍爾元件式行程開關(guān)等。由于擋鐵隨著變頻電機來回運動，我們便可以通過擋鐵兩側(cè)的行程開關(guān)來測出動作的行程和頻率，從而了解行程開關(guān)的性能和用途。

圖3 E 形塊連接示意圖

此實驗裝置的關(guān)鍵部件是偏心套。因為用行程開關(guān)測得的動作頻率也就是變頻電機的轉(zhuǎn)動頻率，而行程的大小直接由偏心套來決定。如果想增大行程，可以使偏心套的偏心距離增大一些。于是我們制作了幾種不同偏心距的偏心套，用于改變行程的大小。此外，偏心套一端與軸承內(nèi)圈配合，另一端與電機主軸配合，要求其有一定的加工精度和表面粗糙度。

在提出了整體設(shè)計思路之后，我們首先根據(jù)總體要求購買了一臺變頻電機和一個滾動軸承，然后圍繞這兩個主要部件來繪制其他零件草圖。圖紙出來以后，經(jīng)過小組成員一起協(xié)商討論確定實驗裝置各部件尺寸，接下來就是尋找合適的材料進行加工。為了使滑塊的移動靈活輕便，我們選擇尼龍快來加工滑塊和滑座。由于電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不是很大，電機主軸上的偏心套也用尼龍棒來加工。根據(jù)需要我們設(shè)計了幾種不同偏心距的偏心套，而底座、調(diào)整墊鐵、擋鐵和行程開關(guān)的固定壓鐵均用4～8mm 厚的鋼板來制作。在這些零部件的加工過程中，我們用到了數(shù)控車床、數(shù)控銑床、臺式鉆床以及其他一些鉗工工具。當然，實驗裝置裝置不是一次就能全部加工好的，其中反反復復進行了不少改動和調(diào)整。經(jīng)過不懈努力，經(jīng)過了一個多月的時間將整個裝置組裝調(diào)試完畢，并達到了設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

我們通過自己動手制作實驗裝置，取得了以下幾點成果：①提高了科研和動手能力。實驗裝置裝置從設(shè)計到加工、從組裝調(diào)試到正常運行全部由我們自己完成，提高了小組各成員的科研和動手能力；②提高了學生對行程開關(guān)的認識水平。這套行程開關(guān)實驗裝置盡管比較簡單，但通過在教學中的演示，學生們普遍認為比以往純粹的紙上談兵更能讓人接受和理解，對幾種常見行程開關(guān)的性能和用途也有了深刻地認識；③節(jié)約了教學經(jīng)費。這套裝置購買的變頻電機和滾動軸承共花費700 元，其余部件都是利用實訓教學中的邊角余料加工出來的。根據(jù)目前的市場行情，購買類似的教學裝置大約需要4000 元左右，而我們這套裝置節(jié)約經(jīng)費3000 多元。

[1]聞邦椿.機械設(shè)計手冊（第5 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]王浩.數(shù)控機床電氣控制[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]鄭微丹.行程開關(guān)觸碰控制裝置[P].中國專利:CN203562329U,2014-04-23.