新型凸輪控制器在鍛壓設(shè)備中的應(yīng)用研究

饒成明，陳玉平，王駿

(1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121;2.江蘇省無(wú)錫振華機(jī)器廠，江蘇無(wú)錫 214073)

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［1－2］。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［3］。

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，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)［4］。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［5］。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;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［6］，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。

［1］魯潔．第九屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床工具展覽會(huì)(CIMES2008)鍛壓展品專題報(bào)道［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43(5):2－4．

［2］楊濤．凸輪定位器在機(jī)床中的應(yīng)用與調(diào)試［J］．機(jī)床與液壓，2013，41(10):21－23．

［3］劉吶，竇磊．基于PLC的凸輪斷鏈條檢測(cè)及防連沖功能實(shí)現(xiàn)［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010(5):47－49．

［4］全國(guó)鍛壓機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．GB 27607-2011機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．

［5］劉昌祺，牧野洋，曹西京．凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［6］楊祥根，韋勇．電子凸輪控制器在機(jī)械壓力機(jī)上的應(yīng)用［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008(5):52－53．