专利名称：安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构的制作方法
技术领域：
本发明属于中小型安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构。
为了使刚性离合器能够实现紧急停车，给压力机的安全操纵提供条件，国内已出现了多种具有急停机构的转键离合器，如河北沧州锻压机床厂生产的无级寸动刚性离合器冲床，上海打火机厂的QF-1型冲床系列紧急制动安全装置，本发明人曾在86104198号专利申请中公开的由挡键销和带式制动盘构成的无级制动装置等。但经过近十年的实践证明，这些方案虽然理论上似乎可行，但由于种种理论上或工艺上的问题考虑不周，或缺乏必要的配套技术，至今都尚未得到推广应用。
目前，国内外对安全机械压力机或安全离合器的定义和技术指标尚无统一的说法和标准，如机工部标准JB3350-83《机械压力气机安全技术条件》第6，12条将具有两种以上安全装置的压力机称为安全压力机，但对总紧急制动响应时间未提出具体指标，只是要求操作者按规定设置安全距离。《曲柄压力机》(清华大学何德誉主编，机械工业出版社，1987年第93页上将“具有急停机构的刚性离合器称为安全刚性离合器，或称寸动刚性离合器”。该文只列举了某种方案所达到的技术参数，但该参数是否已满足安全要求未见论证。ZBnJ62016-88《开式压力机性能要求与试验方法》规定了摩擦离合器压力机的制动角指标，但该指标是否满足具体机床的安全要求也无检验标准。日本塑性加工学会编的《压力加工手册》(机械工业出版社，1984年10月中文版)第1043～1064页有关安全装置的内容中也无此类论述。
本发明的目的在于避免上述现有技术中存在的不足之处，设计了一种紧急制动角需小于安全停止角和方便角的安全压力机快速制动法及脱键角尽量小的转键离合器制动机构。
本发明的目的以通过以下措施来达到一种安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构，其特征是安全压力机快速制动法中压力机的紧急制动角αZ的设计方法是根据滑块行程H，上下模面的交合高度hj，最小安全高度ha计算出安全停止角αA，用安全停止角αA减去不保护角αP的差值作为紧急制动角αZ的最大允许值之一，根据机床工作台前后宽度M，滑块连续工作频率n和方便系数N及国际上设定的手最大运动速度V手计算出方便角α1作为紧急制动角α2的另一个最大允许值，将(αA-αP)和α1的最小值作为αZ的设计指标，其中，hj=0.4H,ha=20～35mm,αp=10°～60°,N=3～4,V手=1600mm/秒；实现紧急制动角αZ设计指标的方法是使用响应时间小于1.5ms的光电传感器、响应时间小于0.5ms的逻辑判断和功放电路、吸合时间8～15ms的制动驱动机构，将制动准备时间控制在10～22ms之间，然后根据滑块连续工作频率n和设定的紧急制动角αZ指标计算出脱键角α脱的设计指标。
以下结合附图对本发明进行详细阐述。
图1为现有曲柄压力机的工况示意简图。
图2为现有一种分离式安全刚性离合器图。
图3为本发明带式脱键制动机构示意图。
图4为本发明带式脱键制动机构在机床上安装位置示意图。
图5为本发明曲柄滑块脱键方式安全转键离合器结构示意图。
图6为本发明曲柄滑块脱键方式安全转键离合器运动示意图。
图7为本发明曲柄滑槽脱键方式安全转键离合器结构示意图。
图8为本发明曲柄滑槽脱键方式安全转键离合器运动示意图。
首先结合图1分析安全压力机应达到的实际紧急制动角指标。
图1中，H为滑块行程；h为曲轴从上死点开始转动α角度时对应的滑块下沿至下死点高度；hj为滑块运动到下死点时上下模面的交合高度；ha规定为滑块紧急制动时上下模面应保持的不挤手最小安全高度，一般应取20～30毫米；hA为h1与ha之和，此处定义为滑块安全停止高度；αA是与hA相对应的曲轴自上死点起转过的角度，此处定义为安全停止角；L为连杆长度。
根据曲柄滑块机构的运动关系，可得出α与h有如下关系式a=cos-11λ[1-(1+λ)2-4λhH]---(1)]]>式中，α，h，H的意义如前所述，λ为连杆系数，λ= (H)/(2L)用hA=hj+ha代替(1)式的h，则得到αAaA=cos-11λ[1-(1+λ)2-4λ(hj+ha)H]---(2)]]>对于普通用途的压力机，模具交合高度hj从零(冲裁时)到0.4H(引伸时)都有可能，若对所有情况均适用，hj应取得最大值0.4H。ha的选取，根据经验可视机床行程H的大小确定当H小于50毫米时，ha取20毫米，当H大于100毫米时，ha取30毫米，当H为50～100毫米时，ha取25毫米。
压力机的操纵方式一般均有单次行程、连续行程和自动行程三种方式，后两种行种控制方式中清除废料和零件及送进新料的动作均需在滑块上升过程到刚开始下降的阶段完成，这时应允许遮挡光幕而不紧急制动，即这段时间应具备GB5091-85《压力机的安全装置技术要求》第6.4、7.4条所规定的不保护区功能才可能进行连续行程的操作。这就要求既使手遮挡光幕，也要曲轴运动到图1所示的D点之后才开始发生紧急制动，这样就得出安全压力机紧急制动性能的第一个技术指标压力机的紧急制动角αZ(定义为从手进入光电传感器光幕到滑块完全停止期间曲轴所转过的角度)应符合(3)式要求αZ≤αA-αp(3)αP定义为不保护角，可根据机床的行程和连续工作频率选取，一般为10°～60°之间。
代入具体的数据计算后可知，目前被认为是世界上最先进的摩擦离合器，在25吨以下的普通压力机(行程H小于80毫米，行程次数大于100次min)上，其紧急制动性能均不能满足(3)式的要求，而在快速型机床上则相差更远。
对于行程较大行程频率较低的机床，紧急制动角度满足(3)式并不一定就能保证安全。现继续以图1进行分析计算当滑块运行过程中发生紧急制动的时刻使滑块停在hA高度以下时，在ha为零之前，若手先进入上下模面之间，仍会伤手，此时应该用设置光幕安全距离Ds的办法保证安全当手穿过光幕到达模口之前，滑块已停止运动。这一要求可用(4)式表示(αZ)/(ω) ＞ (DS)/(V手) (4)式中，ω-曲轴角速度，Ds-安全距离，V手-手的运动速度，一般取为1600毫米/秒。
现以63吨压力机为例进行计算标准型的63吨压力机参数为H=120毫米λ=0.1n=50次/分(行程次数)工作台前后宽度M=480mm根据(2)、(3)、(4)式计算则有 取αP=30°则αZ=75°-30°=45°ω=6n=300(0/s)Ds＞ (αZ)/(ω) ×1600=240(mm)计算结果表明，光幕位置必须设置在工作台之外才能保证安全。但实际操作中，操作者为此深感不便，为追求高工作效率和减轻劳动强度往往将光幕靠近模具设置，这就仍有可能发生伤手事故。实践表明，只强调操作者去严格执行过大的安全距离是行不通的，根本的解决办法应是根据操作者能够接受的安全距离去设计紧急制动角。本发明人经多年调查了解，认为将安全距离设定为工作台前后宽度的1/4～1/3，操作者还是乐意接受的。为此，根据(4)式的要求设置一个“方便角”的概念为方便操作，安全距离不应超过工作台前后宽度的1/4～1/3，在此距离内手运动的时间应大于滑块紧急制动所需的时间，在此时间内曲轴的转角称为方便角。
方便角可用(5)式计算αf= (3M·n)/(800N) (5)式中，α1-方设角，度，M-工作台前后宽度，mm，n-连续工作频率，次/min，N-方便系数，当M≤300时取N=3，当M＞3000时，取N=4。
这样，就得出安全压力机紧急制动性能的第二个技术指标αZ＜αf(6)综合(3)、(6)两式要求，对于一台具体的机床，实际紧急制动角应取其最小值，可用(7)式表示
(7)式就是本发明提出的安全压力机应该达到的紧急制动性能的首要指标，用此指标去验证国内的各种离合器或无级寸动刚性离合器可知，只有极少数的个别特例能够勉强达到，但无通用性。发达国家较普遍采用的摩擦离合器，在中小型压力机上则全部达不到该指标。(参见《曲柄压力机》第114页“实际制动角”公式)为实现(7)式提出的实际紧急制动角指标，本发明采取的设计方案如下首先，将紧急制动的全过程分解为六个时间阶段1、光电传感器信号转换时间T12、逻辑判断时间T23、功放电路延迟时间T34、驱动机构运动时间T45、脱键过程时间T56、惯性制动时间T6则实际紧急制动时间T应符合(8)式要求T=Σi=16Ti≤azmax6n---(8)]]>式中，αZmax为由(7)式计算得出的结果，n为行程频率，单位为次/min。
对于这六段时间，传统的设计均不符合要求。本发明已针对各环节的特殊要求分别设计了专门的部件和线路《安全压力机用光电传感器》可将T1控制在1.5ms以下；《刚性离合器安全压力机控制装置》可将(T2+T3)控制在0.5ms以下；《安全压力机用制动驱动机构》可将T4控制在8～15ms，其输出力可将T6控制在1～5ms。则(T1+T2+T3+T4+T6)=T′(称为制动准备时间)可控制在10～22ms之间。由此可计算出脱键时间T5T5≤azmax6n-T′---(9)]]>则脱键机构的主要指标-脱键角α脱(从开始脱键到离合器完全脱开，曲轴转过的角度)可由(10)式算出α脱≤dzmax-6nT′ (10)根据(10)式确定的脱键角，普通型的转键离合器压力机的紧急脱键角一般都需要在20°以下，有的甚至小到10°左右，快速型压力机由于行程小，频率高，脱键角还需小些。一般设计的脱键机构达不到要求。如86104198号专利申请所述的脱键机构的脱键角在20°～30°范围内，但其带式制动机构和制动力调整装置的优越性显然易见制动盘惯性小，装卸方便，制造简单，可应用于在用机床的改造，亦可用于新机床的设计，制动力矩稳定可靠。只需对其制动盘和键尾的结合部位进一步完善设计计算即可达到本发明的要求。
已有机构中还有一种可以接近本发明的脱键角指标，即前文已提及的《曲柄压力机》第93～94页上所述的分离式安全刚性离合器。图2为其简图。工作原理为限位套2与曲轴1用平键固接，其外圆与大齿轮3相配合。大齿轮的内圈加工出凸轮曲线。此凸轮曲线与转键8的键尾上的凸轮曲线啮合。当需要压力机急停时，制动器4制动，小齿轮不动，则大齿轮固定。曲轴继续转动(图示为反时针方向)。由于相对运动，转键转至假想线位置，离合器分离。此时，装在内套上的限块7与大齿轮的沟槽相撞，并和主位制动器(压力机原有制动器)一起吸收从动系统的多余动能，使压力机紧急停车。欲需重新开动，可把制动器松开，大齿轮在复位弹簧10的作用下，向反时针方向复位，同时转键在结合弹簧6(原有弹簧)的作用下复位，离合器重新结合。在正常工作时，上述急停机构不起作用，转键是靠结合弹簧6和关闭器9(原有关闭器)的共同作用下达到开停目的的。
该方案与86104198号专利申请所述的方案相比，其优点是采用凸轮式转键加速脱离机构，转键脱离迅速。但其缺点同样显而易见1、凸轮曲线设计加工困难；2、大小齿轮与带式制动器相比成本高、惯性大，复位困难，安装麻烦，噪音大；3、不容易改装已有机床。4、故障率大，如果限位块7或复位弹簧10损坏，将会发生凸轮曲线啮合位置不定或不能复位的故障。
图3、图4为本发明采用的带式脱键制动机构示意图，其驱动机构、杠杆系统、制动带、制动盘、拨键销等零件与86104198号专利申请基本相同，工作原理与《曲柄压力机》中的分离式安全刚性离合器亦基本相似。本发明的特点是拨键槽12和拨键销13的形状和安装位置经过特别设计，既能象凸轮加速脱键机构那样快速脱键，又能极方便地设计加工。
图5为本发明的脱键方案键之一，拨键槽12加工在制动盘11上，圆柱形的拨键销13安装在原键尾上。其特点是拨键槽12向曲轴旋转方向与制动盘径向倾斜一个角度β1，β1的顶点位于当曲轴中心O1、转键旋转中心O2、拨键销中心O8位于一条直线上时的O8处，此时转键与内套处于完全啮合状态。
图6为图5机构脱键时的运动示意图，现结合图6说明O3点和β1的设计计算方法。
图6所示为一带偏心距的曲柄滑块机构O1O2(O1O2′)为曲柄，其长度R已由原机床设计确定，O2′O3′为转键刚分离时位置，因拨键销13在键尾上，所以连杆长度L与O2O3相等，α0为原设计确定的转键分离需要的自转角，一般为45°或30°；r为拨键销13的最大半径尺寸(包括可能有的活动衬块)，D为制动盘11的内径。α脱就是本设计的目标值脱键角。δ为本机构中滑块(拨键销13)的最大压力角，应验证是否可能发生自锁。
设计计算公式如下l≥(12D+r+C)2-R2sina0-Rcosa0---(11)]]> δ=αo-α脱+β1≤55°(13)α脱≤αzmax-6nT′(10)
(11)式中的C是为避免因加工误差引起机械卡死产生脱键失败故障设置的最小间隙值，一般可取3～5mm。
这方案一般用于已有机床的改装，因只需在原有键尾上加工一个安装拨键销13的圆孔，在原来安装防连车凸块的位置安装制动盘对原离合器无其它改动。一般情况下，这一方案均能满足(10)式的要求，缺点是α脱不可能做得更小(理论上是α脱愈小愈好)，原因是l尺寸受原有机械尺寸的限制，较难按(11)式算出的最小值设置，β1受(13)式δ≤50的限制，亦不可能取得太大，故“凸轮加速”作用较小。
图7为本发明的脱键方案之二，拨键槽12加工在键尾上，圆柱形的拨键销13安装在制动盘11上。其特点是拨键槽12与转键键尾的中心线沿曲轴旋转方向倾斜一个β2角度，β2的顶点位于键尾中心线O2A与拨键槽12中心线的交点O3上，O4为固定在制动盘11上的拨键销13的中心，当转键在完全啮合位置时，O3，O4重合，其余符号R、αo、r、l、D的意义同方案一。
图8为图7机构脱键时的运动示意图，根据该图可推导出如下设计计算公式1≥ 1/2 D+r+C-R(14) β2≤55°(16)α脱≤αZmax-6nT′(10)方案二可用于新机床的设计制造，优点是l值可设计得较小，β2角度值可比方案一的β1大一倍左右，而且拨键槽12设在具有高机械强度的键尾上，不必加设导轨，尺寸紧凑。
β1，β2的取值应灵活掌握，只要能满足(10)式要求，可尽量取小些，甚至可取负值，以使压力角减小，有利于机构的运动。
需要指出的是，根据(12)式或(15)式计算出的α脱值，只是理论上的数值，若不注意其它有关尺寸的配合，实际的αZ值并不一定保证符合(7)式的要求。比如，本制动机构对于脱键后曲轴的惯性制动，只有当图2中的限位块7与制动盘的沟槽相撞时才有作用，若二者相撞的位置相对于脱键位置相距太大，将会增大惯性制动的时间T6，引起实际的制动角增大。
根据几年的实施试验，证明本设计方法是完全可行的，用本方案改装的6.3吨～100吨普通压力机，都能达到(7)式提出的要求，其安全距离只有摩擦离合器机床的1/3～1/5，满足了操作者的要求，对于快速型的压力机，因多用于冲裁作业，只要将(2)式中的hj取接近于零值，则对于行程20～30mm，频率高达300次/min的压力机，本方案亦完全有效，而且效果更佳，此时总的紧急制动时间可在30ms以下，安全距离还不到一根手指的长度。
权利要求
1.一种安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构，其特征是安全压力机构紧急制动角αz的设计方法是根据滑块行程H，上下模面的交合高度hj，最小安全高度ha计算出安全停止角αA，用安全停止角αA减去不保护角αp的差值作为紧急制动角αz的最大允许值之一，根据机床工作台前后宽度M，滑块连续工作频率n和方便系数N及国际上设定的手最大运动速度V手计算出方便角αl作为紧急制动的另一个最大允许值，将(αA-αp)和αl的最小值作为αz的设计指标，其中，hj=0.4H，ha=20～35mm，αp=10°～60°，N=3～4，V手=1600mm/秒；实现紧急制动角αz设计指标的方法是使用响应时间小于1.5ms的光电传感器、响应时间小于0.5ms的逻辑判断和功放电路、吸合时间8～15ms的制动驱动机构，将制动准备时间T’控制在10～22ms之间，然后根据滑块连续工作频率n和设定的紧急制动角αz指标计算出脱键角α脱的设计指标。
2.安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构，其特征是转键离合器制动机构中a、拨键槽(12)加工在制动盘(11)上，圆柱形的拨键销(13)安装在原键尾上，拨键槽(12)向曲轴旋转方向与制动盘径向倾斜一个角度β1，β1的顶点位于当曲轴中心O1、转键旋转中心O2、拨键销中心O3位于一条直线上时的O3处；b、拨键槽(12)加工在键尾上，圆柱形的拨键销(13)安装在制盘(11)上，拨键槽(12)与转键键尾的中心线沿曲轴旋转方向倾斜一个β2角度，β2的顶点位于键尾中心线O2A与拨键槽(12)中心线的交点O3上，O4为固定在制动盘(11)上的拨键销(13)的中心。
全文摘要
本发明提出了一种根据压力机的行程、频率、工作台尺寸、人机关系等客观数据制定安全制动的技术指标，并建立了相应的数学公式的安全压力机快速制动法及转键离合器制动机构。然后经分析对比，得出了中小型压力机目前只能采用具有快速制动机构的转键离合器才可实现安全制动的结论，即紧急制动角需小于安全停止角和方便角，脱键角尽量小，并设计出快速制动机构的实施方案和计算公式。
文档编号B30B15/10GK1100031SQ9311173
公开日1995年3月15日 申请日期1993年9月10日 优先权日1993年9月10日
发明者薛云登, 张才良, 赵金源, 贺建平, 潘星亮 申请人:张才良, 薛云登