浅析两种防止车床卡盘与刀架相撞的设计方案

赵建利

普通车床车削工件，尤其是在车削螺纹或车圆锥体类工件时，由于操作者技术不熟练或者麻痹大意，经常出现刀架位移超程情况，极易发生卡盘撞刀事故，轻则打坏刀具，车床中滑板崩裂，重则导致机床设备损坏或发生人身安全事故。学校将此作为命题，组织师生进行课题攻关，在指导老师和同学们的共同努力下，设计了两种方案，对原机床电器控制系统及安全功能做了改进。通过设计、安装、调试，使此问题得到了初步解决。

一、设想与思路

普通车床切削加工是金属切削加工中安全系数最低的工种之一，稍有大意就会酿成事故。每次学生上机操作前，老师都要强调安全生产的重要性，讲解安全操作规程和要领，列举各种不安全事故案例，以预防出现事故。学生听多了易产生厌倦情绪，在长时间工作中也免不了身心疲劳，在具体操作中注意力不集中，最易出现事故。真要发生事故，也是瞬间的事，即使发现后立即断电，也只是将事故范围(或性质)降到最低而已。卡盘撞击刀具(刀架)事故最为频繁，要使其绝迹，除了继续加强对学生的安全知识教育外，还必须从技术、车床安全功能的设置上下功夫。

二、设计方案

设计方案一，先报警，后断电(图1)。报警蜂鸣器及指示灯控制线路结构如图2所示。在车床导轨侧面靠近床头处安装一个滑块导板，将行程开关1固定在该导板上。行程开关1在导板上根据工件轴向尺寸可方便灵活调整。当大滑板(无论是手动或自动走刀)碰撞至行程开关1时，与行程开关1串联的蜂鸣器就发出报警信号，包括灯光闪烁及喇叭警音，提示操作者注意：大滑板继续前行，在将与卡盘碰撞时，先接触另一行程开关2(该开关也可根据工件尺寸灵活调整位置)，强行切断电源，使车床主轴停转，滑板停止运行，避免卡盘撞刀事故发生。若使大滑板后退，一旦与行程开关2脱离，机床又恢复正常供电。这种方案简便易行，可靠性高，只需购买一个蜂鸣器，两个行程开关，连接于机床控制电路即可。

设计方案二，先断电，再通电，后制动(采用能耗制动)。如图3所示，在机床上安装～个行程开关sQ3，当大滑板接触到时，切断交流电源，在定子绕组的任意两相中同时通入直流电，产生一个直流磁场。转子在这个磁场中旋转产生感应电动势，转子电流与电流磁场所产生的转距阻碍了转子继续转动，因而产生制动作用，使电动机迅速停止转动，避免卡盘撞刀事故发生。电动机停止转动后，为避免长时间通直流电造成电动机绕组过热而损坏，必须对所通直流电的时间进行限定(<2s，可调整)。设计方案二是根据延时线路设计提出的。图3为改进后控制线路图，c6132A1(c6140A1)车床主电动机型号为YDl32M49(△Y，3，4 5kW)，在车床上安装一个行程开关SQ3，并加装橡胶圈缓冲。当刀架快速靠近车床的卡盘时，首先撞上卡盘附近的行程开关sQ3，行程开关串在控制电路的常闭触头断开，切断原控制电路，使电动机交流电断开。与此同时，行程开关串在控制电路和触发电路中的常开触头sQ3闭合，使KM4线圈得电，主电路中KM4常开触头闭合，从而使触发电路处于工作状态，向晶闸管输出触发信号，晶闸管导通，直流电输入电动机两相绕组，产生直流磁场，从而对电动机进行能耗制动，当制动时间达到时间继电器设定时间后，其通电延时断开触头KT断开，切断触发电路，从而切断直流电源，避免电机长时间通直流电过热而损坏。

三、方案比较

第一种方案是利用两个行程开关对电路进行控制。由行程开关1发出报警信号，若操作者仍没有采取相应措施，行程开关2便进行强行断电保护，相当干两道安全防线。该方案特点是结构简单，安全可靠，简便易行，成本较低。不足之处是，对不同的工件而言，两行程开关安装位置不同，需要进行多次调节。第二种方案选用一个行程开关，技术更先进，自动化程度高，但增设的电器元件较多，元件的选择及延时时间的设定必须通过严格的设计计算与实际校验来确定。

四、电器元件的选择

1、整流电路和整流二极管

单相桥式整流与单相半波整流、单相全波整流相比虽然所用元件较多，但输出直流电压较大，元件所受反向电压峰值小，工作可靠，故选桥式整流电路。整流二极管型号的选择用万用表测得电动机两相内阻R约为3Q，将车床挂空档，测得空载电流L=6 5A，根据经验公式‘=KIx(K为系数，取3 5—4)得所需直流制动电流‘=KIx=4×6 5=26A，直流电压U=12R=26×3=78V，初选二极管型号为ZP300通过实验，将车床主轴按照空载、50 r／rain、560 r／rain、1600r／min四种情况挂档，分别接通光杠和丝杠，调节整流桥输入电压，观察制动效果，发现当输入电压为180V时制动效果最理想，二极管工作安全，因整流二极管刚接通几秒内，瞬时电流可达额定电流的2倍，选择二级管型号为ZP30。

2、晶闸管

加在整流桥两端电压为交流180V，而可供给交流电压为220V，故用晶闸管降压调节。晶闸管阳、阴极实际流过电流／=50A：由于晶闸管在接通较短时间内，瞬时电流可超过额定电流，故选择晶闸管型号为KP50，其额定正向平均电流1F=50A。

3、触发电路有关电器元件

KP50晶闸管控制极最大触发电压U=5V，最大触发电流=50mA。依此估计触发电路所用整流二极管电流小于10mA，则选稳压管型号为2CW52，单结晶体管为BT53，变压器选用功率为10W220v／15V。

4、时间继电器

时间继电器线圈电压110V，触头电流10A。

5、延时电路有关元器件

为保证直流继电器可靠吸合，直流继电器吸合电压小于10V。

在实训车间的C6132A1(C6140A1)车床分别实验以上两种设计方案，均能够起到防止车床卡盘与刀架相撞的作用，在学生普车实训教学中具有一定的推广应用价值。

(作者单位：广东省工业高级技工学校)