摘要: 根據(jù)鍛壓機(jī)床工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)升級(jí)的需求,研發(fā)一款具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、凸輪限位及安全控制功能的新型凸輪控制器,并闡述其設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用情況。經(jīng)驗(yàn)證,該產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到市場(chǎng)領(lǐng)先水平,具有市場(chǎng)化前景。
鍛壓是機(jī)械制造的基礎(chǔ)工藝之一,從世界制造業(yè)及鍛壓行業(yè)的發(fā)展方向來(lái)看,綠色制造、安全生產(chǎn)、過(guò)程自動(dòng)化是一種必然趨勢(shì),鍛壓生產(chǎn)制造能力也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。我國(guó)工業(yè)也進(jìn)入了更快、更精的時(shí)期,于2012 年首次發(fā)布實(shí)施了《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有的鍛壓企業(yè)均需按此新國(guó)標(biāo)開(kāi)展工作,淘汰落后產(chǎn)品,提高鍛壓設(shè)備的安全技術(shù)要求,降低生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工人的人身危害,達(dá)到提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的目的 。文中研發(fā)具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、凸輪限位和安全控制功能的新型凸輪控制器,是適用于鍛壓機(jī)械“機(jī)械—電氣”一種新的安全控制系統(tǒng)和方法,該產(chǎn)品符合GB27607 安全技術(shù)要求。
1 、新型凸輪控制器總體設(shè)計(jì)方案
1. 1 機(jī)械安裝總體結(jié)構(gòu)
新型凸輪控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示,總體機(jī)構(gòu)主要包括箱體1、傳感器2、凸輪軸部件3 和開(kāi)關(guān)部件4 等組件。在凸輪軸上安裝凸輪組5、碼盤(pán)6 等部件,構(gòu)成凸輪軸部件3,凸輪組由凸輪和固定齒圈構(gòu)成( 見(jiàn)后文) ,兩片凸輪與固定齒圈通過(guò)自身端面齒圈嚙合成整體,相鄰?fù)馆喗M之間由彈簧漲緊; 開(kāi)關(guān)類(lèi)元件由支架經(jīng)緊固件固定在底座上,組成開(kāi)關(guān)部件4。凸輪軸兩端套入軸承,再經(jīng)軸承座由螺栓固定在箱體1 上,傳感器2 可放在箱體側(cè)面支架上并緊固,開(kāi)關(guān)擺桿上的滾珠與凸輪形成運(yùn)動(dòng)副。
圖1 新型凸輪控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)
1. 2 周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)方法
鍛壓設(shè)備在工作時(shí),如圖2 所示,凸輪控制器有可能出現(xiàn)斷軸或鏈條的可分為4 個(gè)區(qū)間: 上死點(diǎn)凸輪A 區(qū); 上死點(diǎn)下降沿到制動(dòng)凸輪上升沿B 區(qū); 制動(dòng)凸輪C 區(qū); 制動(dòng)凸輪下降沿到上死點(diǎn)上升沿D 區(qū)。如果壓力機(jī)在單次工作狀態(tài)下,區(qū)間A、B、D 內(nèi)出現(xiàn)軸或鏈條斷開(kāi),都不會(huì)造成安全事故。在區(qū)域C 內(nèi)斷開(kāi),這種情況制動(dòng)凸輪一直保持,壓力機(jī)為單人雙手操作時(shí),即使雙手松開(kāi),壓力機(jī)也一直運(yùn)行,會(huì)造成壓力機(jī)連沖的惡性安全事故。由以上分析可以看出: 制動(dòng)凸輪C 范圍內(nèi)斷開(kāi)是最危險(xiǎn)的,對(duì)其時(shí)間的監(jiān)測(cè)應(yīng)該盡量精
確,以保證壓力機(jī)第二次行程停止在135°之前 ]。
圖2 機(jī)械凸輪角度分區(qū)
目前,壓力機(jī)行業(yè)針對(duì)上述機(jī)械凸輪安全檢測(cè),最好的方法是增加鏈條漲緊裝置,但是安裝繁瑣、成本高,沒(méi)有很好解決斷軸檢測(cè)問(wèn)題。新型凸輪控制器具有周期在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能,可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)和斷軸檢測(cè),這是鍛壓設(shè)備中一種新的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝位置如圖1 所示,由傳感器2 和碼盤(pán)6 經(jīng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)組成監(jiān)測(cè)裝置。監(jiān)測(cè)信號(hào)源由傳感器2 產(chǎn)生,傳感器觸頭對(duì)應(yīng)的碼盤(pán)6 為圓盤(pán)狀,其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。在碼盤(pán)6 的邊緣設(shè)置若干個(gè)等分的矩形齒,一個(gè)矩形齒和一個(gè)相鄰的矩形槽體形成一個(gè)循環(huán)周期。工作中,在齒的個(gè)數(shù)合理情況下,只要機(jī)床電控系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi),對(duì)任何一個(gè)矩形齒未檢測(cè)到其信號(hào),則設(shè)備立即停車(chē),可完全杜絕安全事故發(fā)生。這種方法成本低、可靠性高,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)斷軸和斷鏈條的監(jiān)測(cè),適用于大多數(shù)壓力機(jī)。
圖3 碼盤(pán)平面結(jié)構(gòu)圖
1. 3 凸輪限位和開(kāi)關(guān)安全控制措施
根據(jù)GB 27607 中機(jī)械壓力機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)的新規(guī)定,凸輪應(yīng)保證錯(cuò)誤或意外的安裝調(diào)節(jié)不會(huì)造成事故,旋轉(zhuǎn)凸輪的最大調(diào)節(jié)量應(yīng)采用機(jī)械方式限制在60°內(nèi) 。可見(jiàn),原有可調(diào)式機(jī)械凸輪控制器中的所有凸輪片能360°范圍任意調(diào)節(jié),這種結(jié)構(gòu)已不能滿足相關(guān)安全技術(shù)要求。為了防止誤操作引起的安全事故,根據(jù)主機(jī)廠需求,新型凸輪控制器中一般設(shè)置了3 組具有限位結(jié)構(gòu)的凸輪組,每組都設(shè)置了凸輪機(jī)械限位裝置。圖4 是限位凸輪的固定齒圈和凸輪片結(jié)構(gòu)示意圖 。在固定齒圈的根部0 ~ 360°任意角度都可以設(shè)置限位定位銷(xiāo); 在凸輪靠近端面齒內(nèi)圓部分設(shè)有弧形空腔,角度范圍為0 ~ 60°,這個(gè)空腔可以在凸輪片內(nèi)圓任意角度設(shè)置。這種具有機(jī)械限位裝置的可調(diào)凸輪組件,使凸輪片只能在規(guī)定的角度范圍內(nèi)調(diào)整,從而滿足了新標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。
圖4 固定齒圈與凸輪片結(jié)構(gòu)示意圖
新型凸輪控制器的又一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是引入了進(jìn)口帶有強(qiáng)制斷開(kāi)的速動(dòng)開(kāi)關(guān),如圖1 中元件7。原有技術(shù)中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,一般通過(guò)傳動(dòng)元件作用于開(kāi)關(guān)動(dòng)作簧片上,當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)動(dòng)作,此時(shí)開(kāi)關(guān)的靜、動(dòng)觸點(diǎn)會(huì)快速接通或斷開(kāi)。這時(shí),有可能發(fā)生觸點(diǎn)粘連不能斷開(kāi)的情況,從而引起壓力機(jī)安全事故。根據(jù)機(jī)械壓力機(jī)安全新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,控制滑塊動(dòng)作的凸輪開(kāi)關(guān)必須使用具有常閉觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開(kāi)功能的速動(dòng)開(kāi)關(guān),它可以有效避免因觸點(diǎn)粘連而不能有效斷開(kāi),并切斷回路,有效杜絕壓力機(jī)安全事故的發(fā)生。
2 、新型凸輪控制器在鍛壓設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用
2. 1 應(yīng)用及調(diào)試方法
圖5 為新型凸輪控制器在鍛壓設(shè)備中實(shí)際應(yīng)用示例圖。
圖5 新型凸輪控制器在鍛壓設(shè)備中的應(yīng)用示例
圖5 中,凸輪控制器1 與設(shè)備曲軸通過(guò)鏈接裝置2 連接,并檢測(cè)曲軸角度信號(hào)。具體操作是將凸輪控制器安裝在設(shè)備合適的位置,使曲軸和凸輪控制器之間減速比要為1∶ 1 ],控制器引出的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、凸輪輸出信號(hào)經(jīng)傳輸線3 連到控制系統(tǒng)4,根據(jù)角度信息,可以準(zhǔn)確地提供數(shù)據(jù)服務(wù)、判斷上一動(dòng)作是否完成,操作面板5 簡(jiǎn)單直觀。這種控制過(guò)程使該研究的實(shí)效性突顯出來(lái),且操作簡(jiǎn)單,成本較低,充分發(fā)揮人的主導(dǎo)作用,提高了自動(dòng)化程度。
凸輪調(diào)試是主機(jī)試運(yùn)行過(guò)程中最重要的節(jié)點(diǎn),下面詳細(xì)介紹新型凸輪控制器的調(diào)試使用方法,如圖6所示,注意調(diào)試前需切斷電源。具體調(diào)整方法如下:( 1) 工作角度大于180°時(shí)( 接C/NO 端子) 的調(diào)整
①起點(diǎn)調(diào)整。軸向拉動(dòng)凸輪A 并轉(zhuǎn)動(dòng),按所需的開(kāi)啟角度,使凸輪A 上相應(yīng)的刻度對(duì)準(zhǔn)定位擋圈“0”基準(zhǔn)線。
②止點(diǎn)調(diào)整。軸向拉動(dòng)凸輪B 并轉(zhuǎn)動(dòng),按所需的關(guān)閉角度,使凸輪B 上相應(yīng)的刻度對(duì)準(zhǔn)定位擋圈“0”基準(zhǔn)線。
圖6 凸輪調(diào)整方式示意圖
( 2) 工作角度小于180° 時(shí)( 接C/NC 端子) 的調(diào)整
根據(jù)需要的起、止角度,分別使凸輪A、B 上的相應(yīng)刻度對(duì)準(zhǔn)定位擋圈“0”基準(zhǔn)線。
另外,在安裝設(shè)備調(diào)整凸輪時(shí),還要注意以下幾點(diǎn): 凸輪控制器應(yīng)安裝在沖擊振動(dòng)不大于59g 處,考慮到實(shí)際工作角度受開(kāi)關(guān)差動(dòng)行程的影響,上述調(diào)整方法( 1) 中的止點(diǎn)及調(diào)整方法( 2) 中的起點(diǎn)位置可以轉(zhuǎn)2. 5° 左右,予以修正; 帶有凸輪限位的凸輪組調(diào)整時(shí),由于起止工作角度相對(duì)固定,其調(diào)整范圍為0 ~ 60°; 調(diào)整完畢后,應(yīng)檢查凸輪端面齒嚙合是否牢靠,并以點(diǎn)動(dòng)方式檢驗(yàn)工作角度調(diào)整是否適當(dāng)。
2. 2 新型凸輪控制器的技術(shù)參數(shù)
在原有產(chǎn)品及技術(shù)的基礎(chǔ)上,在設(shè)計(jì)、制造新型凸輪控制器時(shí),及時(shí)修改設(shè)計(jì)圖樣,試制樣機(jī),然后經(jīng)過(guò)實(shí)物試驗(yàn)、型式檢驗(yàn)等階段,最后經(jīng)主機(jī)廠試用,產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于老產(chǎn)品,技術(shù)參數(shù)達(dá)到市場(chǎng)先進(jìn)水平,也符合GB 27607 各項(xiàng)安全技術(shù)要求。目前,該研究成果已在揚(yáng)州鍛壓機(jī)床集團(tuán)有限公司實(shí)用,新產(chǎn)品實(shí)用和調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖7,主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表1。
圖7 新型凸輪控制器實(shí)用及調(diào)試實(shí)景圖
表1 新型凸輪控制器主要技術(shù)參數(shù)
3 、結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)家鍛壓工業(yè)裝備的結(jié)構(gòu)升級(jí)和快速發(fā)展,凸輪控制器作為鍛壓機(jī)械核心功能部件,其新品研發(fā)將會(huì)得到越來(lái)越多的科研單位重視。該項(xiàng)目的成功研制,已得到相關(guān)企業(yè)的認(rèn)可并實(shí)用,效果良好,且具有結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)精度高、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)及價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn),也為后續(xù)產(chǎn)品的深入研究、推廣打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。只要再進(jìn)行現(xiàn)有機(jī)械式凸輪控制器與旋轉(zhuǎn)光電編碼器組合協(xié)調(diào)研究后,即可實(shí)現(xiàn)凸輪的柔性控制,這將大大提升鍛壓設(shè)備的自動(dòng)化水平,指明了凸輪控制一個(gè)新的研究方向。
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