普通車床安全防撞裝置設計與應用

于小健，錢陳豪，于培師，程 峰，卞 達

（江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122）

0 引言

金工實習是工科院校的一門實踐性教學課程，在培養學生創新意識和工程實踐能力發揮著重要作用［1-4］。而普通車床是金工實習的必學工種，一般來說，機械類，近機類、輕工類和非機械類工科專業都要參加，且由于參與此工種的學生人數眾多和時間相對集中統一，學生在實習過程中稍有不慎或安全意識薄弱時，就不可避免地會出現各類安全隱患和教學事故，造成不同程度的人身傷害和車床損壞等問題［5-7］。如未取出卡盤扳手就直接啟動車床主軸，導致卡盤扳手被甩出傷人［8-9］；或車削過程中加工進給量過大，引發刀具損壞或崩碎飛濺傷人等［10-11］，但出現頻次較多的是當刀架接近卡盤時，學生常因經驗不足和緊張沒能及時注意到刀架與卡盤之間的距離或分不清車床托板的進退刀路徑，導致刀架與旋轉的卡盤相撞，輕則造成刀具損壞，重則機床精度降低，甚則危及學生的生命安全。撞刀事故增加了高校管理者和實習指導老師的精神壓力和負擔，同時引發學生不同程度的心理陰影和創傷，而且會讓學生在后續的數控車和其他工種實習上變得畏手畏腳，影響金工實習的教學質量。

目前，為了降低撞刀事故發生率以保證學生的人身安全及刀具和設備的安全，一方面各高校在管理上基本都建立了預防為主的長效管理模式和制定了安全操作規范管理制度，并宣傳金工實習能有序開展的前提和首要任務是保障學生安全；另一方面強調實習指導教師責任心和明確其在實訓教學中的安全責任和義務，同時要求教師能利用實習動員和課堂理論講解宣傳一些典型事故案例，幫助學生從思想上樹立安全實習和規范操作意識。但對于初學者或第一次接觸車床的學生來說，此種措施僅能減少和降低撞刀事故的發生概率，但并未從根本上杜絕撞刀事故的發生。

撞刀事故的發生，不僅損傷刀具、機床及影響其加工精度，而且極可能給學生和學校造成無法挽回的安全和經濟損失。據了解目前多數高校普通車床上還沒有提供一種安全有效的防止刀架撞擊卡盤的實驗裝置，針對這一安全事故和車床安全性要求，本文擬對普通車床進行技術改造，為普通車床設計一套安全防撞裝置。這套安全防撞裝置可完全有效阻止刀塔撞擊卡盤，當刀架與卡盤之間的距離小于防撞行程時，安全防撞裝置會阻止車削繼續進給運動，可避免撞刀事故的發生，實現提前預防、防患于未然，保證金工生產實習的安全進行［12-13］。

1 設計思路與方法

以我校金工實習教學用車床CY6140 型車床為例，設計適用于通用車床的安全防撞裝置。經過對CY6140 型車床結構（見圖1）和車工實習過程中容易出現的刀塔撞擊卡盤事故進行分析，發現可以從機械方面考慮安全防撞裝置的設計。純機械式裝置的安全保護方案可從卡盤的安全防護入手，可設計安裝卡盤罩，或從刀架限位保護及報警方面設計來保護刀架轉塔。在技術改進的同時，需充分考慮安全防撞裝置安裝的方便簡潔和經濟性［14］，實現多重保護。

圖1 CY6140型車床及二維結構圖［15］

分析和討論CY6140 型車床的機械、電氣布線和操作等特點，提出5 種思路來設計安全防撞裝置，要求裝置設計具有簡潔、實用和經濟的產品特性。5 種安全防撞裝置設計思路和方法如下：

方法1安全防撞裝置由V型限位裝置和橡膠套及其他附件組成，橡膠套套入V 型限位裝置右側（見圖2）。此法防撞裝置為純機械式，方法是在主軸箱右側卡盤下方、車床的導軌上安裝V 型限位裝置，此V型安全防撞裝置可根據工件尺寸靈活調整位置，該位置要能保證車削加工工序的完成。安裝應用后當溜板箱向卡盤縱向運動時，即當刀架接近卡盤時，大托板會先撞擊橡膠套作為一定緩沖，行車速度因受到限制明顯降低，操作者警覺后可停止加工任務，若無警覺繼續進給運動，則大托板繼續壓縮橡膠套直至進給運動停止，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發生。

圖2 方法1中設計裝置結構示意圖和三維效果圖

方法2安全防撞裝置主要由行程限位擋塊和固定擋塊及其他附件組成（見圖3）。方法是在車床的溜板箱下安裝行程限位擋塊，在導向桿上安裝固定擋塊，調整好擋塊的位置，使三爪卡盤處于保護范圍之內。此法行程限位擋塊可為純機械式裝置，也可為電子元器件形式。當為純機械式裝置時，行程限位擋塊碰上固定擋塊，溜板箱縱向進給運動可受到限制，從而避免刀架撞擊卡盤。當為元器件形式時，將其與機床啟動按鈕串聯，當發生接觸或撞擊時，機床進給系統斷電，進而刀架停止運動，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發生。此法可根據零件加工零件長度需求，合理調整固定擋塊位置，具有靈活性和智能性。

圖3 方法2中設計裝置結構示意圖和三維效果圖

方法3安全防撞裝置由板型限位裝置、橡膠套和長頭螺栓及其他附件組成（見圖4），橡膠套套入板型限位裝置左側。此法為純機械裝置，方法是在刀架轉塔上用螺栓安裝板型固定限位裝置，當刀架接近卡盤時，板型限位裝置上橡膠套先碰到機頭壁，刀架磚塔運動縱向運動受到限制，進而人為停止運動，從而避免刀架撞擊卡盤事故的發生。此法裝置也可用電子漫反射激光傳感器替代。漫反射激光傳感器安裝（或膠黏）于車刀機構側部，工作時可實時監測與主軸箱左側之間的距離，當單測得距離小于設定極限距離時，傳感器發出“嘀嘀”警報聲，提醒操作者停車觀察，可避免或減小撞車的概率。

圖4 方法3中設計裝置結構示意圖和三維效果圖

方法4安全防撞裝置主要由活動式卡盤防護罩、伸縮桿及其他附件組成（見圖5）。方法是在伸縮桿上通過鉸鏈結構安裝防護罩，然后通過螺釘、螺母和墊圈等固定伸縮桿于主軸箱上，防護罩活動自由度為90°～120°。防護罩格柵為透明半弧形彎板，可采用不銹鋼或鋁合金或鋼化玻璃材料，以保證防銹和結構強度；視窗的材質選擇有機玻璃和亞克力板等輕質材料。當掀起防護裝置時，可進行工件的拆裝夾持等工作；而當加工零件時，需放下防護罩。切削時當刀架接近卡盤時，刀架先撞上防護罩，進而刀架磚塔運動受到限制，進而避免撞刀事故的發生。防護罩不僅可以避免撞刀，而且能減少高溫切屑和冷卻液的飛濺等不安全因素。

圖5 防護罩主視結構圖和三維效果圖

方法5安全防撞裝置由行程限位開關、限位推桿（塊）和其他附件組成（見圖6）。行程限位開關安裝于托板箱下左側，并串連在急停開關上；限位推桿（塊）安裝于主軸箱右側或前床身面壁上。當刀架接近卡盤時，限位桿（塊）推壓行程限位開關的彈簧觸片使其常開觸點閉合，從而聯通與之相串的急停開關電源，達到啟動急停開關緊急停車的保護效果，可避免刀架與卡盤相撞。而當車床返程后，彈簧觸片壓力消失，行程限位開關觸頭自動復位。

圖6 方法5中設計裝置結構示意圖和三維效果圖

2 實踐與應用

對方法5 進行實踐與應用。安全防撞裝置主要配件為行程限位開關（型號為YBLXW-6/11CG）和自制限位推桿［圖7（a）、（b）］。利用車床主軸箱體下側壁上自有的螺紋孔自制限位推桿，可避免對車床進行大規模改動。通過計算，推桿長度為300 mm，推桿一端帶有M6 螺紋。限位推桿通過M6 螺紋安裝于車床主軸箱體下側壁上，行程限位開關安裝于大拖板左下側并通過導線串連在急停開關上（見圖8）。當刀架駛近距離三爪卡盤極限位置時，限位推桿推壓行程限位開關的彈簧觸片并使其閉合，由于限位開關串連在急停開關上，此時急停開關按鈕發揮作用，自動停車，可避免刀架與卡盤即將相撞的事故。改造過程中發現，行程限位開關也可用電子門擋報警器替代［見圖7（c）］。當限位推桿抵壓門擋報警器的不銹鋼壓板時，報警器發出“嘀嘀”的警報聲，可提醒操作者停車觀察，這樣可避免刀架與卡盤相撞的事故，而當車床返程后并手動將報警器上的“ON”按鈕推至“OFF”側，警報聲可自動消除（見圖9）。由于門擋報警器不用通過導線接入機床便可發出警報聲，可避免對車床進行二次拆裝，能最大程度保持車床的出廠原始態，建議推廣應用。

圖7 安全防撞裝置配件

圖8 安全防撞裝置安裝示意圖1

圖9 安全防撞裝置安裝示意圖2

實踐效果：2018 年初我校對近50 臺CY6140 型金工實習教學用普通車床添加方法5 安全防撞裝置。經過2 年多的實踐驗證，學生在實操過程中再沒出現過刀架撞擊卡盤的安全事故，改造效果顯著。且防撞裝置安裝使用后，多數學生反映即使平時操作不熟練或者疏忽大意，也不會擔心機床撞刀事故，因為裝置會自動或提前停機保護，思想上沒有了撞刀的負擔和恐慌，可以更專注地提高自己的車削實踐能力和實習質量。

3 結語

通過對CY6140 型普通車床或其他類似車床加裝安全防撞裝置，不僅實現了裝置對人和設備的有效保護，而且改變了傳統單靠指教導師說教實現的安全保護模式，實現了從根本上降低事故的發生率，創建和諧安全的教學環境，減輕了高校管理者和實習指導教師的精神壓力。本文提供的安全防撞裝置設計思路和結構相對簡單，成品安裝方便，且不改變車床原有的任何部件和性能，使操作者更容易接受，可推廣到各類高校和培訓實踐中心的教學用車床安裝使用，以及在企業機械加工和機床設備安全技術改造等方面的應用，具有較大的市場應用潛力和社會經濟效益。