排屑机防堵转保护装置的设计与实现

发布日期：2021-5-12

　　排屑机在数控机床上的应用非常广泛，它的主要作用是将机床加工的废料输送出去，提高自动化程度，减小工人的劳动强度。但排屑机在遇到料多或体积较大的废料时，传送装置常会被卡住，由于排屑机是靠电动机带动的，遇到这种情况电动机会过载烧坏。目前多采用热继电器来对电动机进行过载保护，但是热继电器保护有一段反应时间，当通过的电流大于额定电流时，反应的时间约 1～2 min，在这个时间段内可能会导致电动机烧坏或部分机械部件损坏。针对此问题，我们设计了一种排屑机的防堵转保护装置，从机械和电气方面对电动机和排屑机机械部件双重防堵转保护，一旦排屑机卡住，防堵转机械保护装置使电动机驱动的机械部分依然可以转动，使其处于打滑状态，避免了电动机过载而造成损坏，同时也防止排屑机的零部件由于被迫受力而造成损坏。本装置还可以调整排屑的力矩，提升了防堵转保护装置的应用范围。

　　1 机械保护装置设计
　　1. 1 可调摩擦片式机械保护装置
　　可调摩擦片式机械保护装置结构示意图如图 1 所示，包括机械保护部件和电气保护部件。机械保护部件包括链轮 1、摩擦片 2 和 5、法兰盘 3 和 6、传动轴 4、碟形弹簧 8 和圆螺母 9; 电气保护部件包括感应支架 10 和传感器 11。工作时，卷屑电动机通过链条带动链轮 1 转动，链轮 1 左面与左摩擦片 2 的右面摩擦传动，左摩擦片 2 的左面与左法兰盘 3 的右面摩擦传动，从而带动排屑机传动轴 4 转动; 链轮 1 右面与右摩擦片 5 的左面摩擦传动，右摩擦片 5 的右面与右法兰盘 6 的左面摩擦传动，右法兰盘 6 通过平键 7 带动排屑机传动轴 4 转动。碟形弹簧 8 设置于圆螺母 9 与右法兰盘 6 之间，碟形弹簧 8 往左给右法兰盘 6、右摩擦片 5、链轮 1、左摩擦片 2 施加一定的压力，这压力的大小可以改变左摩擦片 2 与右摩擦片 5 产生的摩擦力大小，压力的大小可以通过安装在排屑机传动轴 4 外端设置的螺纹上的圆螺母 9 来进行调节，如果顺时针旋转圆螺母 9，碟形弹簧 8 产生的压力增大，进而摩擦传动力增大，反之则减小，所以圆螺母 9 可以用来调节排屑机的力矩［1］。假如排屑机发生堵转，当堵转的力大于摩擦力时，链轮 1、左摩擦片 2、右摩擦片 5 空转打滑［2］，排屑机传动轴 4 不转，从而保护了电动机和排屑机机械零部件。

　　1. 2 可调超力离合器式机械保护装置可调超力离合器式机械保护装置结构示意图如图 2 所示，包括由外向内依次安装圆螺母 4、碟形弹簧 5、挡盘 6、链轮 2、法兰盘 7，传动轴 1 与法兰盘 7 通过平键 8 固定连接，链轮 2 套在传动轴 1 上，链轮 2 轮面的同一圆周上均匀设置有多个圆孔 9，与每个圆孔 9 对应的法兰盘 7 的外表面上都设置有球形槽 10，链轮 2 的圆孔 9 内部都安装有钢球 3，每个钢球 3 的内端位于法兰盘 7 的球形槽 10 内，挡盘 6 通过套在传动轴 1 上的碟形弹簧 5 和安装在传动轴 1 外端的圆螺母 4，压紧所有的钢球 3，从而组成了一个可调超力离合器装置［3］。工作时，卷屑电动机带动链轮 2 转动，由于钢球 3受到挡盘 6 的挤压，钢球 3 与球形槽 10 啮合，从而带动法兰盘 7 旋转，法兰盘 7 通过平键 8 带动传动轴 1 转动。当排屑机因外力卡住时，传动轴 1 与法兰盘 7 停转，因外力超过了钢球 3 与球形槽 10 的啮合力，钢球 3 脱离法兰盘 7 的球形槽，链轮 2 继续由电动机驱动空转，实现了超力保护［4］。一旦外部卡住的故障被排除，钢球 3 重新进入法兰盘 7 的球形槽，从而恢复卷屑动作。通过调节圆螺母 9，继而调节钢球 3 与球形槽 10 的啮合力，以实现不同场合下所需的卷屑力矩。

　　2 电气反馈保护装置设计如果上述机械保护装置失灵，当出现排屑机因外力卡住时，上述两个机械保护装置的链轮不空转打滑，仍然与传动轴连接，这样卷屑电动机将无法带动传动轴，电动机将因过载而损坏，排屑机的零部件因强制受力而造成损坏。参照闭环反馈的原理，时刻“监控”传动轴是否卡死停转，及时将此信号反馈给数控系统，由数控系统控制卷屑电动机的工作［5］。

　　因此，增加了一种电气保护方式进行联保，如图 1 所示，在碟形弹簧 8 与圆螺母 9 之间安装一个感应支架 10，感应支架是随传动轴旋转的，感应支架 10 上有 4 个金属感应片，均匀分配在圆周上，每 90°一个金属感应片，在感应支架正上方安装有一个接近传感器 11，型号为 PＲT12－4DO( 感测距离为 4 mm，PNP 常开型) 。当传感器正对着金属感应片时，传感器指示灯亮，指示灯亮的时间大概是 1 s 左右，同时监控信号为 1 并反馈给数控系统，控制电路如图 3 所示。在两个金属感应片之间，传感器指示灯灭，指示灯灭的时间大概是 4 s 左右，监控信号为 0。 2. 1 排屑机输入输出控制电路设计图 3 为排屑机输入输出控制电路，PNP 传感器感应信号一端接在 CB105 的+24 V( B01 端子) 上，另一端接在 B10 端子上，其输入信号地址为 X9. 1; 排屑机正转启动按钮的一端接在 B01 端子上，另一端接在 A07 端子上，其输入信号地址为 X8. 2; 排屑机反转启动按钮的一端接在 B01 端子上，另一端接在 B07 端子上，其输入信号地址为 X8. 　　　　

　　3。控制卷屑电动机正转的继电器 KA1 接 在 B16 端 子 上，其 输 出 信 号 地 址 为 Y2. 1; 控制卷屑电动机反转的继电器 KA2 接在 A17 端子上，其输出信号地址为 Y2. 2。例如当正转按钮按下时，X8. 2 为 1，否则为 0; 当 PNP 传感器感测到金属感应片时，X9. 1 为 1，否则为 0; 当 Y2. 1 为 1 时，KA1 继电器得电吸合，排屑机正转。

　　2. 2 防堵转保护梯形图设计思路假如排屑机因卡住而堵转，排屑机传动轴不动，传感器会一直亮，或一直灭。因此在电动机控制程序中设置传感器感应信号超时判断功能，监控传感器感应信号持续为 1 的时间和持续为 0 的时间，持续为 1 的信号大于 1 s 或持续为 0 的信号大于 4 s 时，切断卷屑电动机正反转输出控制信号，从而保护电动机和排屑机机械零部件。

　　可以假设两种排屑机堵转的情况:

　　( 1) 传感器正好检测到金属感应片时发生堵转，则此时 X9. 1 为 1 的状态持续 2 s，即认为排屑机卡住堵转。此时数控系统通过 PMC 命令卷屑电动机停止工作，同时在系统屏幕上出现排屑机卡住报警信息，以提醒操作人员检查排屑机卡住的故障。

　　 ( 2) 传感器没有检测到金属感应片时发生堵转，则此时 X9. 1 为 0 的状态持续 5 s，即认为排屑机卡住堵转。此时数控系统通过 PMC 命令卷屑电动机停止工作，同时在系统屏幕上出现排屑机卡住报警信息，以提醒操作人员检查排屑机卡住的故障。 2. 3 防堵转保护梯形图设计根据上述设计思路，设计排屑机防堵转保护梯形图。如图 4 所示，X8. 2 是排屑机正转启动输入信号， Y2. 1 是卷屑电动机正转输出信号，X8. 3 是排屑机反转启动输入信号，Y2. 2 是卷屑电动机反转输出信号，X9. 1 是传感器监控信号，Ｒ1000. 4 排屑机卡住报警信号。梯形图中的 Y2. 2 与 Y2. 1 常闭触点为互锁触点，起到正反转互锁保护作用，X8. 4 为急停信号，正常情况下，该信号为 1 ［6］，一旦出现排屑机卡住故障，Ｒ1000. 4 线圈得电，Ｒ1000. 4 常闭触点断开，Y2. 1 与 Y2. 2 线圈失电为 0，卷屑电动机停转。

　　图 5 是排屑机正转或反转时，X9. 1 信号状态为 1 持续 2 s 的梯形图，利用 TMＲB 定时器功能指令［7］，时间常数设定为 2 000 ms。排屑机正转或反转时，Y2. 1 与 Y2. 2 其中一个为 1，当传感器感测到金属片时， X9. 1 为 1，图中的 X9. 1 常开触点导通，此时 TMＲB 定时器开始计时，计时到 2 s 时，线圈 Ｒ565. 0 得电为 1，图 7 中的 Ｒ565. 0 常开触点闭合，线圈 Ｒ1000. 4 得电为 1，Ｒ1000. 4 的常开触点闭合，报警线圈 A0. 4 得电，触发报警信息，紧接着在屏幕上显示“1004 排屑机卡住报警( A0. 4－Ｒ1000. 4) ”。同时，图 4 中的 Ｒ1000. 4 常闭触点断开，Y2. 1 与 Y2. 2 线圈失电为 0，卷屑电动机停止转动，从而保护了电动机。

　　图 6 是 X9. 1 信号状态为 0 持续 5 s 的梯形图，利用 TMＲB 定时器功能指令，时间常数设定为 5 000 ms。排屑机正转或反转时，Y2. 1 与 Y2. 2 其中一个为 1，当传感器没有检测到金属片时，X9. 1 为 0，图中的 X9. 1 常闭触点导通，此时 TMＲB 定时器开始计时，计时 5 s 时，线圈 Ｒ565. 1 得电为 1。图 7 中的 Ｒ565. 1 常开触点闭合，线圈 Ｒ1000. 4 得电为 1，Ｒ1000. 4 的常开触点闭合，报警线圈 A0. 4 得电，触发报警信息，紧接着在屏幕上显示“1004 排屑机卡住报警( A0. 4 －Ｒ1000. 4) ”［8］。同时，图 4 中的Ｒ1000. 4 常闭触点断开，Y2. 1 与 Y2. 2 线圈失电为 0，卷屑电动机停止转动，从而保护了电动机。