排屑機防堵轉保護裝置的設計與實現??

王 勇 關集俱 趙 敏

(①蘇州工業職業技術學院精密制造工程系，江蘇蘇州215104；②紐威數控裝備(蘇州)有限公司設計部，江蘇蘇州215129)

排屑機在數控機床上的應用非常廣泛，它的主要作用是將機床加工的廢料輸送出去，提高自動化程度，減小工人的勞動強度。但排屑機在遇到料多或體積較大的廢料時，傳送裝置常會被卡住，由于排屑機是靠電動機帶動的，遇到這種情況電動機會過載燒壞。目前多采用熱繼電器來對電動機進行過載保護，但是熱繼電器保護有一段反應時間，當通過的電流大于額定電流時，反應的時間約1～2 min，在這個時間段內可能會導致電動機燒壞或部分機械部件損壞。針對此問題，我們設計了一種排屑機的防堵轉保護裝置，從機械和電氣方面對電動機和排屑機機械部件雙重防堵轉保護，一旦排屑機卡住，防堵轉機械保護裝置使電動機驅動的機械部分依然可以轉動，使其處于打滑狀態，避免了電動機過載而造成損壞，同時也防止排屑機的零部件由于被迫受力而造成損壞。本裝置還可以調整排屑的力矩，提升了防堵轉保護裝置的應用范圍。

1 機械保護裝置設計

1.1 可調摩擦片式機械保護裝置

可調摩擦片式機械保護裝置結構示意圖如圖1所示，包括機械保護部件和電氣保護部件。機械保護部件包括鏈輪1、摩擦片2和5、法蘭盤3和6、傳動軸4、碟形彈簧8和圓螺母9；電氣保護部件包括感應支架10和傳感器11。

工作時，卷屑電動機通過鏈條帶動鏈輪1轉動，鏈輪1左面與左摩擦片2的右面摩擦傳動，左摩擦片2的左面與左法蘭盤3的右面摩擦傳動，從而帶動排屑機傳動軸4轉動；鏈輪1右面與右摩擦片5的左面摩擦傳動，右摩擦片5的右面與右法蘭盤6的左面摩擦傳動，右法蘭盤6通過平鍵7帶動排屑機傳動軸4轉動。

碟形彈簧8設置于圓螺母9與右法蘭盤6之間，碟形彈簧8往左給右法蘭盤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產生的摩擦力大小，壓力的大小可以通過安裝在排屑機傳動軸4外端設置的螺紋上的圓螺母9來進行調節，如果順時針旋轉圓螺母9，碟形彈簧8產生的壓力增大，進而摩擦傳動力增大，反之則減小，所以圓螺母9可以用來調節排屑機的力矩[1]。假如排屑機發生堵轉，當堵轉的力大于摩擦力時，鏈輪1、左摩擦片2、右摩擦片5空轉打滑[2]，排屑機傳動軸4不轉，從而保護了電動機和排屑機機械零部件。

1.2 可調超力離合器式機械保護裝置

可調超力離合器式機械保護裝置結構示意圖如圖2所示，包括由外向內依次安裝圓螺母4、碟形彈簧5、擋盤6、鏈輪2、法蘭盤7，傳動軸1與法蘭盤7通過平鍵8固定連接，鏈輪2套在傳動軸1上，鏈輪2輪面的同一圓周上均勻設置有多個圓孔9，與每個圓孔9對應的法蘭盤7的外表面上都設置有球形槽10，鏈輪2的圓孔9內部都安裝有鋼球3，每個鋼球3的內端位于法蘭盤7的球形槽10內，擋盤6通過套在傳動軸1上的碟形彈簧5和安裝在傳動軸1外端的圓螺母4，壓緊所有的鋼球3，從而組成了一個可調超力離合器裝置[3]。

工作時，卷屑電動機帶動鏈輪2轉動，由于鋼球3受到擋盤6的擠壓，鋼球3與球形槽10嚙合，從而帶動法蘭盤7旋轉，法蘭盤7通過平鍵8帶動傳動軸1轉動。當排屑機因外力卡住時，傳動軸1與法蘭盤7停轉，因外力超過了鋼球3與球形槽10的嚙合力，鋼球3脫離法蘭盤7的球形槽，鏈輪2繼續由電動機驅動空轉，實現了超力保護[4]。一旦外部卡住的故障被排除，鋼球3重新進入法蘭盤7的球形槽，從而恢復卷屑動作。通過調節圓螺母9，繼而調節鋼球3與球形槽10的嚙合力，以實現不同場合下所需的卷屑力矩。

2 電氣反饋保護裝置設計

如果上述機械保護裝置失靈，當出現排屑機因外力卡住時，上述兩個機械保護裝置的鏈輪不空轉打滑，仍然與傳動軸連接，這樣卷屑電動機將無法帶動傳動軸，電動機將因過載而損壞，排屑機的零部件因強制受力而造成損壞。參照閉環反饋的原理，時刻“監控”傳動軸是否卡死停轉，及時將此信號反饋給數控系統，由數控系統控制卷屑電動機的工作[5]。

因此，增加了一種電氣保護方式進行聯保，如圖1所示，在碟形彈簧8與圓螺母9之間安裝一個感應支架10，感應支架是隨傳動軸旋轉的，感應支架10上有4個金屬感應片，均勻分配在圓周上，每90°一個金屬感應片，在感應支架正上方安裝有一個接近傳感器11，型號為PRT12-4DO(感測距離為4 mm，PNP常開型)。當傳感器正對著金屬感應片時，傳感器指示燈亮，指示燈亮的時間大概是1 s左右，同時監控信號為1并反饋給數控系統，控制電路如圖3所示。在兩個金屬感應片之間，傳感器指示燈滅，指示燈滅的時間大概是4 s左右，監控信號為0。

2.1 排屑機輸入輸出控制電路設計

圖3為排屑機輸入輸出控制電路，PNP傳感器感應信號一端接在CB105的+24 V(B01端子)上，另一端接在B10端子上，其輸入信號地址為X9.1；排屑機正轉啟動按鈕的一端接在B01端子上，另一端接在A07端子上，其輸入信號地址為X8.2；排屑機反轉啟動按鈕的一端接在B01端子上，另一端接在B07端子上，其輸入信號地址為X8.3。控制卷屑電動機正轉的繼電器 KA1接在B16端子上，其輸出信號地址為Y2.1；控制卷屑電動機反轉的繼電器KA2接在A17端子上，其輸出信號地址為Y2.2。例如當正轉按鈕按下時，X8.2為1，否則為0；當PNP傳感器感測到金屬感應片時，X9.1為1，否則為0；當 Y2.1為1時，KA1繼電器得電吸合，排屑機正轉。

2.2 防堵轉保護梯形圖設計思路

假如排屑機因卡住而堵轉，排屑機傳動軸不動，傳感器會一直亮，或一直滅。因此在電動機控制程序中設置傳感器感應信號超時判斷功能，監控傳感器感應信號持續為1的時間和持續為0的時間，持續為1的信號大于1 s或持續為0的信號大于4 s時，切斷卷屑電動機正反轉輸出控制信號，從而保護電動機和排屑機機械零部件。可以假設兩種排屑機堵轉的情況:

(1)傳感器正好檢測到金屬感應片時發生堵轉，則此時X9.1為1的狀態持續2 s，即認為排屑機卡住堵轉。此時數控系統通過PMC命令卷屑電動機停止工作，同時在系統屏幕上出現排屑機卡住報警信息，以提醒操作人員檢查排屑機卡住的故障。

(2)傳感器沒有檢測到金屬感應片時發生堵轉，則此時X9.1為0的狀態持續5 s，即認為排屑機卡住堵轉。此時數控系統通過PMC命令卷屑電動機停止工作，同時在系統屏幕上出現排屑機卡住報警信息，以提醒操作人員檢查排屑機卡住的故障。

2.3 防堵轉保護梯形圖設計

根據上述設計思路，設計排屑機防堵轉保護梯形圖。如圖4所示，X8.2是排屑機正轉啟動輸入信號，Y2.1是卷屑電動機正轉輸出信號，X8.3是排屑機反轉啟動輸入信號，Y2.2是卷屑電動機反轉輸出信號，X9.1是傳感器監控信號，R1000.4排屑機卡住報警信號。梯形圖中的Y2.2與Y2.1常閉觸點為互鎖觸點，起到正反轉互鎖保護作用，X8.4為急停信號，正常情況下，該信號為1[6]，一旦出現排屑機卡住故障，R1000.4線圈得電，R1000.4常閉觸點斷開，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動機停轉。

圖5是排屑機正轉或反轉時，X9.1信號狀態為1持續2 s的梯形圖，利用TMRB定時器功能指令[7]，時間常數設定為2 000 ms。排屑機正轉或反轉時，Y2.1與Y2.2其中一個為1，當傳感器感測到金屬片時，X9.1為1，圖中的X9.1常開觸點導通，此時TMRB定時器開始計時，計時到2 s時，線圈R565.0得電為1，圖7中的R565.0常開觸點閉合，線圈R1000.4得電為1，R1000.4的常開觸點閉合，報警線圈A0.4得電，觸發報警信息，緊接著在屏幕上顯示“1004排屑機卡住報警(A0.4-R1000.4)”。同時，圖4中的R1000.4常閉觸點斷開，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動機停止轉動，從而保護了電動機。

圖6是X9.1信號狀態為0持續5 s的梯形圖，利用TMRB定時器功能指令，時間常數設定為5 000 ms。排屑機正轉或反轉時，Y2.1與Y2.2其中一個為1，當傳感器沒有檢測到金屬片時，X9.1為0，圖中的X9.1常閉觸點導通，此時TMRB定時器開始計時，計時5 s時，線圈R565.1得電為1。

圖7中的R565.1常開觸點閉合，線圈R1000.4得電為1，R1000.4的常開觸點閉合，報警線圈A0.4得電，觸發報警信息，緊接著在屏幕上顯示“1004排屑機卡住報警(A0.4-R1000.4)”[8]。同時，圖 4中的R1000.4常閉觸點斷開，Y2.1與Y2.2線圈失電為0，卷屑電動機停止轉動，從而保護了電動機。

3 結語

這種機械與電氣相互配合的防堵轉保護裝置性能優良，有效的保護了排屑電動機和機械零部件，延長了排屑機使用壽命，且可以根據不同的使用場合調節排屑力矩，擴大了其使用范圍。電氣保護設計中，用到了4個感應片，傳感器監控信號為0的時間較長，可以適當增加感應片的數量，使傳感器監控信號為1或為0的時間基本一樣，縮短堵轉檢測時間。該排屑機防堵轉保護裝置已應用在HRLE系列鏈板式卷屑裝置上，并授權了實用新型專利(一種排屑機的防堵轉保護裝置，專利號:ZL201721662161.2)