普通車床安全防撞裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于小健，錢陳豪，于培師，程 峰，卞 達(dá)

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

0 引言

金工實(shí)習(xí)是工科院校的一門實(shí)踐性教學(xué)課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力發(fā)揮著重要作用［1-4］。而普通車床是金工實(shí)習(xí)的必學(xué)工種，一般來說，機(jī)械類，近機(jī)類、輕工類和非機(jī)械類工科專業(yè)都要參加，且由于參與此工種的學(xué)生人數(shù)眾多和時(shí)間相對(duì)集中統(tǒng)一，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中稍有不慎或安全意識(shí)薄弱時(shí)，就不可避免地會(huì)出現(xiàn)各類安全隱患和教學(xué)事故，造成不同程度的人身傷害和車床損壞等問題［5-7］。如未取出卡盤扳手就直接啟動(dòng)車床主軸，導(dǎo)致卡盤扳手被甩出傷人［8-9］；或車削過程中加工進(jìn)給量過大，引發(fā)刀具損壞或崩碎飛濺傷人等［10-11］，但出現(xiàn)頻次較多的是當(dāng)?shù)都芙咏ūP時(shí)，學(xué)生常因經(jīng)驗(yàn)不足和緊張沒能及時(shí)注意到刀架與卡盤之間的距離或分不清車床托板的進(jìn)退刀路徑，導(dǎo)致刀架與旋轉(zhuǎn)的卡盤相撞，輕則造成刀具損壞，重則機(jī)床精度降低，甚則危及學(xué)生的生命安全。撞刀事故增加了高校管理者和實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師的精神壓力和負(fù)擔(dān)，同時(shí)引發(fā)學(xué)生不同程度的心理陰影和創(chuàng)傷，而且會(huì)讓學(xué)生在后續(xù)的數(shù)控車和其他工種實(shí)習(xí)上變得畏手畏腳，影響金工實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量。

目前，為了降低撞刀事故發(fā)生率以保證學(xué)生的人身安全及刀具和設(shè)備的安全，一方面各高校在管理上基本都建立了預(yù)防為主的長效管理模式和制定了安全操作規(guī)范管理制度，并宣傳金工實(shí)習(xí)能有序開展的前提和首要任務(wù)是保障學(xué)生安全；另一方面強(qiáng)調(diào)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師責(zé)任心和明確其在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的安全責(zé)任和義務(wù)，同時(shí)要求教師能利用實(shí)習(xí)動(dòng)員和課堂理論講解宣傳一些典型事故案例，幫助學(xué)生從思想上樹立安全實(shí)習(xí)和規(guī)范操作意識(shí)。但對(duì)于初學(xué)者或第一次接觸車床的學(xué)生來說，此種措施僅能減少和降低撞刀事故的發(fā)生概率，但并未從根本上杜絕撞刀事故的發(fā)生。

撞刀事故的發(fā)生，不僅損傷刀具、機(jī)床及影響其加工精度，而且極可能給學(xué)生和學(xué)校造成無法挽回的安全和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)了解目前多數(shù)高校普通車床上還沒有提供一種安全有效的防止刀架撞擊卡盤的實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)這一安全事故和車床安全性要求，本文擬對(duì)普通車床進(jìn)行技術(shù)改造，為普通車床設(shè)計(jì)一套安全防撞裝置。這套安全防撞裝置可完全有效阻止刀塔撞擊卡盤，當(dāng)?shù)都芘c卡盤之間的距離小于防撞行程時(shí)，安全防撞裝置會(huì)阻止車削繼續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可避免撞刀事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)防、防患于未然，保證金工生產(chǎn)實(shí)習(xí)的安全進(jìn)行［12-13］。

1 設(shè)計(jì)思路與方法

以我校金工實(shí)習(xí)教學(xué)用車床CY6140 型車床為例，設(shè)計(jì)適用于通用車床的安全防撞裝置。經(jīng)過對(duì)CY6140 型車床結(jié)構(gòu)（見圖1）和車工實(shí)習(xí)過程中容易出現(xiàn)的刀塔撞擊卡盤事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可以從機(jī)械方面考慮安全防撞裝置的設(shè)計(jì)。純機(jī)械式裝置的安全保護(hù)方案可從卡盤的安全防護(hù)入手，可設(shè)計(jì)安裝卡盤罩，或從刀架限位保護(hù)及報(bào)警方面設(shè)計(jì)來保護(hù)刀架轉(zhuǎn)塔。在技術(shù)改進(jìn)的同時(shí)，需充分考慮安全防撞裝置安裝的方便簡潔和經(jīng)濟(jì)性［14］，實(shí)現(xiàn)多重保護(hù)。

圖1 CY6140型車床及二維結(jié)構(gòu)圖［15］

分析和討論CY6140 型車床的機(jī)械、電氣布線和操作等特點(diǎn)，提出5 種思路來設(shè)計(jì)安全防撞裝置，要求裝置設(shè)計(jì)具有簡潔、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品特性。5 種安全防撞裝置設(shè)計(jì)思路和方法如下：

方法1安全防撞裝置由V型限位裝置和橡膠套及其他附件組成，橡膠套套入V 型限位裝置右側(cè)（見圖2）。此法防撞裝置為純機(jī)械式，方法是在主軸箱右側(cè)卡盤下方、車床的導(dǎo)軌上安裝V 型限位裝置，此V型安全防撞裝置可根據(jù)工件尺寸靈活調(diào)整位置，該位置要能保證車削加工工序的完成。安裝應(yīng)用后當(dāng)溜板箱向卡盤縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，即當(dāng)?shù)都芙咏ūP時(shí)，大托板會(huì)先撞擊橡膠套作為一定緩沖，行車速度因受到限制明顯降低，操作者警覺后可停止加工任務(wù)，若無警覺繼續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，則大托板繼續(xù)壓縮橡膠套直至進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發(fā)生。

圖2 方法1中設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和三維效果圖

方法2安全防撞裝置主要由行程限位擋塊和固定擋塊及其他附件組成（見圖3）。方法是在車床的溜板箱下安裝行程限位擋塊，在導(dǎo)向桿上安裝固定擋塊，調(diào)整好擋塊的位置，使三爪卡盤處于保護(hù)范圍之內(nèi)。此法行程限位擋塊可為純機(jī)械式裝置，也可為電子元器件形式。當(dāng)為純機(jī)械式裝置時(shí)，行程限位擋塊碰上固定擋塊，溜板箱縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可受到限制，從而避免刀架撞擊卡盤。當(dāng)為元器件形式時(shí)，將其與機(jī)床啟動(dòng)按鈕串聯(lián)，當(dāng)發(fā)生接觸或撞擊時(shí)，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)斷電，進(jìn)而刀架停止運(yùn)動(dòng)，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發(fā)生。此法可根據(jù)零件加工零件長度需求，合理調(diào)整固定擋塊位置，具有靈活性和智能性。

圖3 方法2中設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和三維效果圖

方法3安全防撞裝置由板型限位裝置、橡膠套和長頭螺栓及其他附件組成（見圖4），橡膠套套入板型限位裝置左側(cè)。此法為純機(jī)械裝置，方法是在刀架轉(zhuǎn)塔上用螺栓安裝板型固定限位裝置，當(dāng)?shù)都芙咏ūP時(shí)，板型限位裝置上橡膠套先碰到機(jī)頭壁，刀架磚塔運(yùn)動(dòng)縱向運(yùn)動(dòng)受到限制，進(jìn)而人為停止運(yùn)動(dòng)，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發(fā)生。此法裝置也可用電子漫反射激光傳感器替代。漫反射激光傳感器安裝（或膠黏）于車刀機(jī)構(gòu)側(cè)部，工作時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測與主軸箱左側(cè)之間的距離，當(dāng)單測得距離小于設(shè)定極限距離時(shí)，傳感器發(fā)出“嘀嘀”警報(bào)聲，提醒操作者停車觀察，可避免或減小撞車的概率。

圖4 方法3中設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和三維效果圖

方法4安全防撞裝置主要由活動(dòng)式卡盤防護(hù)罩、伸縮桿及其他附件組成（見圖5）。方法是在伸縮桿上通過鉸鏈結(jié)構(gòu)安裝防護(hù)罩，然后通過螺釘、螺母和墊圈等固定伸縮桿于主軸箱上，防護(hù)罩活動(dòng)自由度為90°～120°。防護(hù)罩格柵為透明半弧形彎板，可采用不銹鋼或鋁合金或鋼化玻璃材料，以保證防銹和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；視窗的材質(zhì)選擇有機(jī)玻璃和亞克力板等輕質(zhì)材料。當(dāng)掀起防護(hù)裝置時(shí)，可進(jìn)行工件的拆裝夾持等工作；而當(dāng)加工零件時(shí)，需放下防護(hù)罩。切削時(shí)當(dāng)?shù)都芙咏ūP時(shí)，刀架先撞上防護(hù)罩，進(jìn)而刀架磚塔運(yùn)動(dòng)受到限制，進(jìn)而避免撞刀事故的發(fā)生。防護(hù)罩不僅可以避免撞刀，而且能減少高溫切屑和冷卻液的飛濺等不安全因素。

圖5 防護(hù)罩主視結(jié)構(gòu)圖和三維效果圖

方法5安全防撞裝置由行程限位開關(guān)、限位推桿（塊）和其他附件組成（見圖6）。行程限位開關(guān)安裝于托板箱下左側(cè)，并串連在急停開關(guān)上；限位推桿（塊）安裝于主軸箱右側(cè)或前床身面壁上。當(dāng)?shù)都芙咏ūP時(shí)，限位桿（塊）推壓行程限位開關(guān)的彈簧觸片使其常開觸點(diǎn)閉合，從而聯(lián)通與之相串的急停開關(guān)電源，達(dá)到啟動(dòng)急停開關(guān)緊急停車的保護(hù)效果，可避免刀架與卡盤相撞。而當(dāng)車床返程后，彈簧觸片壓力消失，行程限位開關(guān)觸頭自動(dòng)復(fù)位。

圖6 方法5中設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和三維效果圖

2 實(shí)踐與應(yīng)用

對(duì)方法5 進(jìn)行實(shí)踐與應(yīng)用。安全防撞裝置主要配件為行程限位開關(guān)（型號(hào)為YBLXW-6/11CG）和自制限位推桿［圖7（a）、（b）］。利用車床主軸箱體下側(cè)壁上自有的螺紋孔自制限位推桿，可避免對(duì)車床進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。通過計(jì)算，推桿長度為300 mm，推桿一端帶有M6 螺紋。限位推桿通過M6 螺紋安裝于車床主軸箱體下側(cè)壁上，行程限位開關(guān)安裝于大拖板左下側(cè)并通過導(dǎo)線串連在急停開關(guān)上（見圖8）。當(dāng)?shù)都荞偨嚯x三爪卡盤極限位置時(shí)，限位推桿推壓行程限位開關(guān)的彈簧觸片并使其閉合，由于限位開關(guān)串連在急停開關(guān)上，此時(shí)急停開關(guān)按鈕發(fā)揮作用，自動(dòng)停車，可避免刀架與卡盤即將相撞的事故。改造過程中發(fā)現(xiàn)，行程限位開關(guān)也可用電子門擋報(bào)警器替代［見圖7（c）］。當(dāng)限位推桿抵壓門擋報(bào)警器的不銹鋼壓板時(shí)，報(bào)警器發(fā)出“嘀嘀”的警報(bào)聲，可提醒操作者停車觀察，這樣可避免刀架與卡盤相撞的事故，而當(dāng)車床返程后并手動(dòng)將報(bào)警器上的“ON”按鈕推至“OFF”側(cè)，警報(bào)聲可自動(dòng)消除（見圖9）。由于門擋報(bào)警器不用通過導(dǎo)線接入機(jī)床便可發(fā)出警報(bào)聲，可避免對(duì)車床進(jìn)行二次拆裝，能最大程度保持車床的出廠原始態(tài)，建議推廣應(yīng)用。

圖7 安全防撞裝置配件

圖8 安全防撞裝置安裝示意圖1

圖9 安全防撞裝置安裝示意圖2

實(shí)踐效果：2018 年初我校對(duì)近50 臺(tái)CY6140 型金工實(shí)習(xí)教學(xué)用普通車床添加方法5 安全防撞裝置。經(jīng)過2 年多的實(shí)踐驗(yàn)證，學(xué)生在實(shí)操過程中再?zèng)]出現(xiàn)過刀架撞擊卡盤的安全事故，改造效果顯著。且防撞裝置安裝使用后，多數(shù)學(xué)生反映即使平時(shí)操作不熟練或者疏忽大意，也不會(huì)擔(dān)心機(jī)床撞刀事故，因?yàn)檠b置會(huì)自動(dòng)或提前停機(jī)保護(hù)，思想上沒有了撞刀的負(fù)擔(dān)和恐慌，可以更專注地提高自己的車削實(shí)踐能力和實(shí)習(xí)質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過對(duì)CY6140 型普通車床或其他類似車床加裝安全防撞裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了裝置對(duì)人和設(shè)備的有效保護(hù)，而且改變了傳統(tǒng)單靠指教導(dǎo)師說教實(shí)現(xiàn)的安全保護(hù)模式，實(shí)現(xiàn)了從根本上降低事故的發(fā)生率，創(chuàng)建和諧安全的教學(xué)環(huán)境，減輕了高校管理者和實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師的精神壓力。本文提供的安全防撞裝置設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成品安裝方便，且不改變車床原有的任何部件和性能，使操作者更容易接受，可推廣到各類高校和培訓(xùn)實(shí)踐中心的教學(xué)用車床安裝使用，以及在企業(yè)機(jī)械加工和機(jī)床設(shè)備安全技術(shù)改造等方面的應(yīng)用，具有較大的市場應(yīng)用潛力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。