實驗教學小型液壓沖床安全風險與對策

文章編號：1671-489X（2025）06-0024-04 DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.024

0 引言

在材料成型及控制工程專業本科教學中，尤其在固態塑性成形實驗方面，國內普通高校常選取板料沖裁模具間隙實驗作為教學內容，主要涉及金屬板材的沖裁、拉深、彎曲等塑性成形工藝。板料沖裁模具間隙實驗能幫助學生直觀地了解金屬材料的加工性能、沖壓模具設計等方面的基礎知識和基本技能。通過對沖壓工件質量的初步觀察，學生可以評判沖壓工藝參數是否合理、模具設計間隙尺寸和圓角大小是否恰當[1-2]。通過該實驗的學習，一方面，學生可以全面、深入地理解金屬塑性材料成形理論課堂知識；另一方面，在以后金屬塑性成形的實際生產和科研活動過程中，當學生遇到模具設計、金屬塑性工藝制定影響質量問題時，知道怎樣解決、如何控制。因此，該實驗在模具設計、金屬板料塑性成形工藝制定等問題上，為學生提供了一次系統、全面的訓練和實踐。

由于在實驗中使用的小型液壓沖床存在安全隱患，因此，本文設計了基于光柵傳感器監控方法的小型液壓沖床保護裝置，并將其應用于教學實踐。

1風險來源與防范對策

固態成形綜合實驗“板料沖裁模具間隙實驗”教學中使用的小型液壓沖床局部圖如圖1所示。

1.1小型液壓沖床技術參數

1）公稱壓力： 250kN ；2）滑塊行程： 200mm 3）電機功率：1.5KW；4）液壓油：32#抗磨液壓油;5）外形尺寸： 1200mm×650mm×950 mm；6）質量：約 1050kg 。

1.2實驗教學性質與特點

板料沖裁模具間隙實驗是固態成形綜合實驗的一部分，實驗性質為開放性綜合實驗。開放實驗是指學生在課外查閱相關資料學習實驗相關內容，然后與負責該實驗的指導教師討論，再由學生獨立完成實驗。

獲得準入資格的學生進入實驗室后，需要自始至終獨立操作液壓沖床，完成金屬板料沖裁模具間隙實驗，并記錄各項實驗數據。該實驗目的是調動學生學習的積極性，自主實驗甚至主導實驗，以培養他們的動手能力和思考、解決問題的能力，使其更好地適應和滿足社會對高素質人才的需求。

在操作小型液壓沖床過程中，學生由于沒有相關從業經驗，在實際操作中往往容易忽視安全操作規定流程而引發事故。同時，操作現場人員數量未知、時間不固定。在國家大力倡導“以人為本、安全第一”的大環境下，解決小型液壓沖床安全問題刻不容緩。

1.3小型液壓沖床安全風險的來源

由小型液壓沖床圖片和其技術參數可知，該液壓機工作臺面屬于敞開式操作臺面，即工作臺前端和操作臺左右兩側都是開放的，沒有任何安全防護措施。這種操作工作臺設計的優點是使用起來比較方便、快捷，特別是便于板料快進、快出，在物理空間上不受任何阻礙。但其缺點也十分明顯，即該液壓沖床工作臺的前端和左右兩側端沒有采取有效保護措施，無法阻止操作者身體進入工作臺工作區域。操作者稍有不慎就極易引發安全事故[3]。

1.4小型液壓沖床安全風險防范對策

保護措施設計思路：在小型液壓沖床停止工作（送料或者取料、工件）期間，當操作者身體部位從小型液壓沖床工作臺的前端和左右兩側進入工作臺工作區域時，小型液壓沖床的手動開啟按鈕失效，電機無法啟動，滑塊不能下行，只有當操作者的身體部位離開液壓機工作臺的前端和兩側一定距離后，啟動按鈕才能生效；小型液壓沖床在沖壓工作期間，一旦出現意外情況，如操作者因疏忽大意導致身體部位即將從小型液壓沖床工作臺的前端或者兩側進入工作臺時，電機立即停止工作，鎖死滑塊，使其無法運動。根據這個設計思路，在小型液壓沖床工作臺周圍設計安全防護裝置。設置金屬網防護裝置（圖2）是一種小型液壓沖床安全風險防范對策。

從圖2可以看出，金屬網防護裝置的優點是設計和制作簡單、堅固可靠，能有效阻止操作者身體部位從小型液壓沖床工作臺的前端和兩側進入工作臺工作區域，但是該裝置的缺點也十分明顯。包括：操作不方便，學生必須從工作臺面兩邊柵欄口送料和取工件，影響實驗效率；學生在實驗過程中需要記錄和觀察金屬板材實驗塑性形變，觀察動模、定模、導桿的協調工作過程，金屬網防護裝置會遮擋學生視線。因此，需要設計一種既具有金屬網保護裝置的優點，又能克服其缺點的其他形式的裝置。

2基于光柵傳感器監控方法的小型液壓沖床保護裝置設計

2.1光柵傳感器工作原理

光柵傳感器是一種基于光學原理的傳感器，主要由光源發射、光柵結構、接收器組成。其工作原理是：光源發射出的光線通過光柵結構時，與光柵的線條相交發生衍射現象，衍射使光線發生彎曲、分散或產生干涉等變化；接收器接收光信號，并通過放大、濾波和解碼等處理，將光信號轉換為數字信號[4-7]。

2.2光柵傳感器選擇原則與考慮因素

在任何情況下，都必須確保操作實驗的學生和周圍的其他學生不會因意外或不慎導致身體進入小型液壓沖床工作臺內。如發生意外，電控系統應立即啟動電路保護狀態，確保電機停止并鎖死滑塊，從而達到保護操作者人身安全的目的。因此，在選擇光柵傳感器時，應十分謹慎和認真，考慮多種因素，本保護裝置重點考慮以下因素。

1）學生作為被保護對象，沒有操作經驗，且周圍人數較多、時間不固定；

2）確保光柵傳感器在上述環境條件下，能穩定、可靠地工作；

3）對傳感器分辨力的要求：當被保護對象進入禁止區域內時能百分之百有效檢出；

4）根據小型液壓沖床工作臺面尺寸確定光柵傳感器的種類，小型液壓沖床工作臺面 400mm× 600mm 、空間高度 480mm ，滑塊運行高度 200mm 。

此外，還要適當考慮光柵傳感器固定空間位置、確定光柵傳感器外觀封裝尺寸大小和數量。

綜合上述原則和考慮因素，最終確定將EM20-12N（NPN）光柵光幕傳感器作為小型液壓沖床安全防護的檢測器件。

2.3光柵光幕傳感器底座支架與擺放設計

2.3.1 材料的選取原則

為了保證小型液壓沖床光柵光幕傳感器在滑塊快速運動和劇烈振動時能夠安全、可靠地運行，支撐固定光柵光幕傳感器的底座材料必須具有較高的剛度和強度；同時，考慮到小型液壓沖床所處的環境，材料需要具備一定的抗氧化能力[8-9]。因此，選取316L不銹鋼角鋼作為支撐底座的材料（GB4227-84）。

2.3.2光柵光幕傳感器組件立體空間保護

選取材料后，需要思考如何利用選取的三組EM20-12N光柵光幕傳感器搭建小型液壓沖床立體空間保護網，且要求其防護效果和上述金屬網機保護裝置一樣。光柵光幕傳感器在小型液壓沖床工作臺上的布置平面圖如圖3所示。從圖中可以著出，三組光柵光幕傳感器分布在小型液壓沖床工作臺的前端、左側和右側三個位置。

根據調研數據，安全事故往往出現在前端方向，因此，液壓沖床通常只需要安裝一組光柵光幕傳感器。但考慮到該小型液壓沖床的操作者和實驗教學的特殊情況，為確保萬無一失，本研究安裝了三組光柵光幕傳感器。根據現場實驗測試效果數據，三組光柵光幕傳感器按逆時針順序擺放，具體擺放位置為：后端面2擺放發射光柵光幕傳感器，前端面2擺放接收光柵光幕傳感器；前端面左1擺放發射光柵光幕傳感器，前端面右1擺放接收光柵光幕傳感器；前端面右3擺放發射光柵光幕傳感器，后端面右3擺放接收光柵光幕傳感器。

2.3.3光柵光幕傳感器控制線路設計

根據光柵光幕傳感器廠家提供的技術資料設計控制線路[10-11]。圖4是EM20-12N光柵光幕傳感器廠家提供的參考接線圖，圖5是根據提供的接線資料設計的控制主回路原理圖。

由控制主回路原理圖可知，EM20-12N光柵光幕傳感器搭建的小型液壓沖床立體空間保護網的工作機理為：當周圍物體進入小型液壓沖床工作臺面時，光柵光幕傳感器立即響應，啟動中間繼電器工作；當中間繼電器線圈帶電后，常閉觸頭開啟，切斷主回路控制電機接觸器線圈工作，使電機和液壓電磁閥停止工作，小型液壓沖床運動滑塊停止。

2.3.4光柵光幕傳感器安裝與調試

1）安裝。根據上述光柵光幕傳感器擺放位置示意圖，在固定光柵光幕傳感器底座支架時需現場施工，將不銹鋼底座固定在小型液壓沖床工作臺上并根據實際情況，將螺絲安裝到固定孔。由于小型液壓沖床工作臺前面需要安裝兩組光柵光幕傳感器，為了外觀的美觀整潔，在采購前委托生產廠家將兩組光柵光幕傳感器組裝為一體，并在外面加裝保護殼。

根據主控回路接線按照原理圖的要求，需增加一個24V直流電源。本裝置有3路光柵光幕傳感器，因此，需增加3個24V直流中間繼電器。將3個中間繼電器常閉觸點接線端串聯起來，并串入主回路控制電機接觸器線圈線路之中。

完成光柵光幕傳感器的安裝固定和控制線路的連接后，需反復檢查固定是否牢固、線路是否有誤、光柵光幕傳感器擺放垂直度和同組光柵光幕傳感器光軸是否在一條線上。

2）調試。先不給小型液壓沖床主回路通電合閘，而是用24V直流電源從外部單獨給光柵光幕傳感器供電，反復模擬小型液壓沖床工作時可能出現的意外情況，檢查電路邏輯控制先后動作是否正確。確認無誤后，再進行實際操作模擬，直到與設計要求的目標一致為止。基于光柵光幕傳感器的安全保護裝置如圖6所示。

3結論

采用光柵光幕傳感器監控方法的小型液壓沖床保護裝置可以達到與金屬網安全保護裝置一樣的保護效果。光柵傳感器監控小型液壓沖床的安全保護裝置應用于固態塑性成形“板料沖裁模具間隙實驗”教學已經有十多年時間，實踐證明，該裝置安全可靠，能有效保護實驗教學活動中操作人員的人身安全，完全滿足大學本科學生自主實驗的需求。

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