臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳 明

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 外觀與防護(hù)研究所，沈陽 110142)

臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳 明

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 外觀與防護(hù)研究所，沈陽 110142)

文章分別從臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟、防護(hù)主要部件的設(shè)計(jì)原則、方法、注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究,并對(duì)其進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后，提出了臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)原則。文中歸納總結(jié)出的臥式車床防護(hù)成熟結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法、研究思路對(duì)從事設(shè)計(jì)車床防護(hù)的設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。

臥式車床；防護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著當(dāng)今科技的高速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈來愈激烈，人們的要求愈來愈高。數(shù)控機(jī)床作為裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，它是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝配現(xiàn)代化的前提。機(jī)床防護(hù)作為機(jī)床功能部件，已經(jīng)越來越顯示出其重要性，成為制約機(jī)床質(zhì)量提高與機(jī)床附加值的主要因素之一[1]，防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還可以提高用戶的響應(yīng)能力，使企業(yè)產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 車床防護(hù)發(fā)展歷程

在1774年，機(jī)床才真正意義上的出現(xiàn)。隨著產(chǎn)業(yè)革命在歐洲的興起，機(jī)床技術(shù)、種類與型號(hào)迅速發(fā)展[2]。但早期的機(jī)床設(shè)計(jì)工作主要集中于產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)上，對(duì)造型設(shè)計(jì)并無太多的顧及，其功能部件大多為外露式的，隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)機(jī)械化生產(chǎn)造成頻發(fā)的工傷事故的愈加重視，防護(hù)開始出現(xiàn)在機(jī)床設(shè)備上。

對(duì)數(shù)控機(jī)床的安全防護(hù)[3]是指配置在數(shù)控機(jī)床上能防止危險(xiǎn)因素引起人身傷害，保障人身和設(shè)備安全的所有裝置，它對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的安全性起著重要作用。數(shù)控車床防護(hù)的作用主要體現(xiàn)在安全防護(hù)作用、精度保持作用、環(huán)境保護(hù)作用、隔聲降噪作用以及防潮隔濕作用。

圖1 臥式車銑復(fù)合

隨著科技的快速發(fā)展，車床的制造水平越來越高，從過去各種專用的普通車床發(fā)展到復(fù)合型、多功能的數(shù)控車床，如圖1。在數(shù)控車床加工的過程中，會(huì)產(chǎn)生高溫飛濺的切屑，刀具損壞后高速飛出等不安全因素，經(jīng)常對(duì)操作者造成傷害事故，諸如，操作者的局部卷入或夾入車床旋轉(zhuǎn)部件和運(yùn)動(dòng)部件造成的傷害事故；操作者與車床相碰引起的傷害事故；被飛濺的切屑劃傷和燙傷；操作者滑倒或跌倒而造成的事故；冷卻液對(duì)皮膚的侵蝕和噪聲對(duì)人體的危害。因此，在數(shù)控車床防護(hù)的設(shè)計(jì)引入人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理念，秉承以人為本的設(shè)計(jì)原則，從而促使車床防護(hù)設(shè)計(jì)成為了機(jī)床整體設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)重要部分。

另外，車床在加工過程中伴隨著發(fā)熱，這種發(fā)熱現(xiàn)象會(huì)引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形，從而降低機(jī)床的加工精度。隨著車床向高速度、高精度和柔性自動(dòng)化方向發(fā)展，熱變形對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響日趨嚴(yán)重，因此，對(duì)數(shù)控車床合理的防護(hù)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是十分重要的。還有，數(shù)控車床加工過程中產(chǎn)生的切屑、冷卻液都會(huì)對(duì)機(jī)床內(nèi)導(dǎo)軌有損害和腐蝕作用，冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)工作狀態(tài)不佳對(duì)高速主軸及加工精度也產(chǎn)生影響，所以防護(hù)就成為了現(xiàn)代數(shù)控車床必不可少的一個(gè)重要部分。

從臥式車床防護(hù)形式上看，車床防護(hù)的發(fā)展經(jīng)歷了：裸機(jī)、半封閉防護(hù)車床、全封閉防護(hù)車床三個(gè)階段[4]，如圖2所示。裸機(jī)時(shí)代強(qiáng)調(diào)的是功能至上，人適應(yīng)機(jī)床；半封閉防護(hù)車床是車床裸機(jī)的一次安全性變革，開始考慮人的安全性；全封閉防護(hù)車床是完全以人為本的人性化設(shè)計(jì)時(shí)代，車床防護(hù)設(shè)計(jì)兼顧功能、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)以及企業(yè)文化等因素綜合考慮。車床防護(hù)的整體結(jié)構(gòu)操作宜人性強(qiáng)，防水性好，排屑性好，外觀時(shí)尚、簡(jiǎn)潔。

圖2 沈陽機(jī)床車床防護(hù)發(fā)展歷程

2 臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

(1)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本步驟

車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本步驟通常分為如下六步：

1)確定防護(hù)形式：封閉式、半封閉式、開放式。

2)確定區(qū)域隔離[5]。

3)確定結(jié)構(gòu)形式：框架式、板塊組合式、殼體式、混合式。

4)確定安裝基準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

5)確定基礎(chǔ)支架形式。

6)確定防護(hù)的臨界位置。

(2)確定防護(hù)基準(zhǔn)

臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)一般都是以主軸中心為主基準(zhǔn)[6]，同時(shí)，還可以選擇工作臺(tái)面或者其它坐標(biāo)軸中心作為輔助基準(zhǔn)。

(3)確定防護(hù)臨界位置

防護(hù)臨界位置指的是機(jī)床防護(hù)在滿足機(jī)床功能前提下，防護(hù)離機(jī)床部件最近的安全點(diǎn)。

下面以斜床身數(shù)控車床為例,分析如何確定臨界位置。結(jié)合圖3，根據(jù)機(jī)床加工最大工件半徑R，確定機(jī)床防護(hù)臨界寬度W；根據(jù)機(jī)床X軸行程、X軸拖鏈極限位置尺寸H2，確定機(jī)床防護(hù)臨界高度H；根據(jù)機(jī)床內(nèi)防護(hù)極限尺寸L1，確定機(jī)床防護(hù)臨界長(zhǎng)度L。

W=W1+R+△W1+△W2

H=H1+H2+△H

L=L1+△L1+△L2

其中△W1、△W2、△H、△L1、△L2這幾個(gè)變量都是經(jīng)驗(yàn)值，它們可以相等，也可以不相等，對(duì)于小車床推薦在20mm～50mm之間選擇，對(duì)于中或大型車床推薦在30mm～80mm之間選擇,但是，遇到一些特殊情況，應(yīng)綜合考慮，在條件允許的情況下，這五個(gè)變量都可以大于80mm。

圖3 斜床身數(shù)控車床

(4)確定防護(hù)支架

根據(jù)上面臨界位置的確定，再尋找機(jī)床床身為防護(hù)支架所預(yù)留的安裝孔，在兩者之間建立相應(yīng)的支架。支架根據(jù)所承載的重量選用相應(yīng)的材料，若承載重量較輕，則可考慮用4mm～6mm之間的Q235A熱扎板折彎焊接而成，若承載的重量較重，則應(yīng)考慮用適當(dāng)?shù)男筒摹戒摴堋⒕匦喂堋⒔氰F等焊接。

(5)確定拉門大小

拉門的大小應(yīng)保證拉門拉開的最大空間大于機(jī)床最大加工工件尺寸，并留出相應(yīng)的余量，一般操作者能裝卸的工件，拉門拉開的尺寸比工件尺寸大100mm以上；需要吊運(yùn)的工件，拉門拉開的尺寸比工件尺寸大200mm以上；橫向上要躲開鋼絲繩200mm左右，如有機(jī)械手需酌情處理。

(6)確定拉門導(dǎo)軌

拉門導(dǎo)軌一般采用的是下導(dǎo)軌支撐拉門的自身重量，上導(dǎo)軌主要是導(dǎo)向，根據(jù)門的大小、重量、要求精度、經(jīng)濟(jì)等條件，選擇相應(yīng)的導(dǎo)軌形式，目前常用的導(dǎo)軌有如圖4與圖5所示。

圖4 拉門上導(dǎo)軌的三種形式

圖5 拉門下導(dǎo)軌的七種形式

(7)確定視窗大小、位置與材質(zhì)

視窗的大小、位置的設(shè)計(jì)應(yīng)符GB/T16251-2008的設(shè)計(jì)規(guī)定[7]，尤其是拉門的視窗，應(yīng)該保證整個(gè)工件都應(yīng)在人的可視范圍內(nèi)。

視窗的材質(zhì)通常是有機(jī)玻璃、亞克力板、鋼化玻璃、防爆玻璃、夾膠玻璃五種，針對(duì)不同用途與安裝結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的材質(zhì)與厚度。對(duì)于工件高速旋轉(zhuǎn)危險(xiǎn)系數(shù)大的視窗，其強(qiáng)度應(yīng)能夠承受拋出零件或危險(xiǎn)物質(zhì)。目前常采用方式有兩種，其一，當(dāng)視窗固定部分已經(jīng)有相應(yīng)格柵(如圖6)，可以選用8mm厚的有機(jī)玻璃、亞克力板或鋼化玻璃；其二，當(dāng)視窗固定部分沒有格柵，材料推薦選用18mm的防爆玻璃或夾膠玻璃。對(duì)于工件不旋轉(zhuǎn)或不高速旋轉(zhuǎn)，視窗要求相對(duì)低點(diǎn)，可選擇3mm～8mm的有機(jī)玻璃、亞克力或鋼化玻璃。

圖6 推薦的典型視窗格柵

(8)確定維修口的大小

根據(jù)功能需求，在需要經(jīng)常檢修與維護(hù)的位置開設(shè)維修門或方便拆卸的蓋板，同時(shí)，開設(shè)維修口的大小應(yīng)充分考慮人的操作方式，若是需要全身進(jìn)入，開口尺寸應(yīng)符合GB/T18717.1-2002的規(guī)定[8]；若是需要人體局部進(jìn)入，開口尺寸應(yīng)符合GB/T18717.2-2002的規(guī)定[9]。

對(duì)于經(jīng)常拆卸，用手搬動(dòng)的防護(hù)應(yīng)裝拆方便，其質(zhì)量不宜大于16 kg。不便于用手搬動(dòng)的防護(hù)，應(yīng)設(shè)置吊裝孔、吊環(huán)、吊鉤等，并在防護(hù)本體或說明書中標(biāo)明其質(zhì)量值(kg)。

(9)數(shù)控系統(tǒng)操作箱的設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)操作箱分為兩大類：固定式與活動(dòng)式，固定式的操作箱一般用在小機(jī)床上面，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床都是采用活動(dòng)式操作箱，其中活動(dòng)式又可以分為嵌入式操作箱、懸臂式操作箱、外掛式操作箱與支撐式操作箱，其形式如圖7。

雖然操作箱形式的選擇是根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況綜合考慮，但是，它必須符合如下通用原則：

1)數(shù)控系統(tǒng)操作箱應(yīng)符合GB18209.1-2010中視覺信號(hào)的規(guī)定[10]，使得操作系統(tǒng)的顯示屏在合適的視野中。

2)數(shù)控系統(tǒng)顯示屏盡量與地面成垂直狀，或設(shè)計(jì)帶有能夠避免廠房?jī)?nèi)部強(qiáng)光源與太陽光直照顯示屏的裝置，從而避免顯示屏看不清的情況發(fā)生。

3)數(shù)控系統(tǒng)控制箱應(yīng)該盡量保證能夠在0～90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，方便操作者操作。

4)數(shù)控系統(tǒng)控制箱應(yīng)符合GB4208-2008規(guī)定中的IP54防護(hù)等級(jí)[11]。

圖7 四種活動(dòng)式的數(shù)控操作箱

(10)防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

防護(hù)防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是引水，而不屯水。目前機(jī)床防水結(jié)構(gòu)都是采用搭板結(jié)構(gòu)(見圖8)、密封條結(jié)構(gòu)(膠條、海綿、橡膠板等)、毛刷與涂抹膠水的形式。

圖8 常用六種搭板防水結(jié)構(gòu)

(11)散熱孔的設(shè)計(jì)

車床防護(hù)散熱孔設(shè)計(jì)主要從位置、面積、形狀、美觀、經(jīng)濟(jì)五個(gè)方面綜合考慮。基本的原則如下：

1)位置：開設(shè)在離需要散熱最近的位置；

2)面積：在條件允許下，盡量開大；

3)形狀：應(yīng)盡量使用幾何形態(tài)；

4)美觀：運(yùn)用美學(xué)法則，進(jìn)行創(chuàng)意，但是，前提條件是應(yīng)以機(jī)床外觀整體風(fēng)格保持一致；

5)經(jīng)濟(jì)：散熱孔的制造成本應(yīng)與車床檔次相適應(yīng)，即對(duì)于量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，散熱孔的制造成本不宜高；對(duì)于高檔數(shù)控機(jī)床，散熱孔的制造成本可以適當(dāng)提高。

3 臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)原則

機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)追求的不僅是外觀的美，更應(yīng)以人為本，最大限度地貼近人們對(duì)產(chǎn)品使用簡(jiǎn)便、安全、有親切感等方面的需求，體現(xiàn)對(duì)人的關(guān)懷[12]。機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)是機(jī)床企業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展的體現(xiàn)，是提高機(jī)床產(chǎn)品附加值的有效手段，是繼科技競(jìng)爭(zhēng)之后的第二次競(jìng)爭(zhēng)[13]。

臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)的原則是：實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀。

臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)在實(shí)用的原則上，強(qiáng)調(diào)多功能、高效用，要求防護(hù)具有：適用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，可靠性好，操作省力，使用方便，可視性佳，準(zhǔn)確易調(diào)，容易保養(yǎng)、維護(hù)，人機(jī)協(xié)調(diào)等特點(diǎn)。

臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)的原則上應(yīng)考慮到降低成本、提高工作效率的問題，如盡可能采用自動(dòng)化程度高的先進(jìn)加工工藝：結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，便于加工，工序簡(jiǎn)單，防護(hù)主體容易成型，便于包裝，便于運(yùn)輸，便于安裝等，這些都涉及到經(jīng)濟(jì)效益的問題。總之，在外觀設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)考慮到花費(fèi)最少的財(cái)力、物力和時(shí)間而取得最好的經(jīng)濟(jì)效益的問題。

臥式車床防護(hù)造型設(shè)計(jì)在美觀的原則上，首先應(yīng)考慮的是注重當(dāng)代人的審美思潮，即對(duì)防護(hù)通過藝術(shù)創(chuàng)造，使其具有美的形象和宜人性，富有表現(xiàn)力，反映出獨(dú)特風(fēng)格等審美的價(jià)值。然后，還需要考慮到實(shí)現(xiàn)它的可行性和表現(xiàn)程度等問題。臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀設(shè)計(jì)三原則，是互相關(guān)聯(lián)、互相制約的，這三個(gè)原則缺一不可，三者的基本關(guān)系是：在實(shí)用的前提下，講究美觀，實(shí)用與美觀必須以經(jīng)濟(jì)因素為制約條件。但是，這三個(gè)原則也不是絕對(duì)等量關(guān)系，常常因產(chǎn)品的功能性質(zhì)、使用情況以及市場(chǎng)銷售等不同的特點(diǎn)而有所側(cè)重，往往突出了某個(gè)原則。恰當(dāng)?shù)靥幚砗萌哧P(guān)系，才能取得最好的效果。

4 總結(jié)

本文對(duì)臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法做了詳細(xì)介紹，概述了車床防護(hù)發(fā)展歷程，并闡述了防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，針對(duì)防護(hù)的具體各個(gè)主要部件從設(shè)計(jì)原則、方法、注意事項(xiàng)等方面，進(jìn)行歸納總結(jié)，最后，提出臥式車床防護(hù)外觀設(shè)計(jì)原則。文中歸納出了當(dāng)今臥式車床防護(hù)結(jié)構(gòu)成熟結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)車床防護(hù)的設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

然而，臥式車床的類型種類繁多，不同車床類型對(duì)防護(hù)的要求差異較大。防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)車床結(jié)構(gòu)布局、功能配置、自動(dòng)化程度、運(yùn)動(dòng)方式、加工零件的材料特點(diǎn)等方面，進(jìn)行全面考慮和權(quán)衡，在處理具體問題時(shí)應(yīng)具體情況具體分析，靈活應(yīng)用以上原則和方法，并不斷改進(jìn)和完善細(xì)化具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這樣才能滿足車床的各項(xiàng)要求。

[1]王春生,李朝強(qiáng)，彭曉紅．?dāng)?shù)控機(jī)床內(nèi)防護(hù)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)研究[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(17)：37-38．

[2]廣州機(jī)床研究所．機(jī)床發(fā)展史話，第一版[M],廣州：廣州人民出版社，1977．

[3]劉陽．?dāng)?shù)控機(jī)床防護(hù)及外觀造型設(shè)計(jì)研究[D]．沈陽：東北大學(xué)，2006．

[4]陶秀玉,王海梅,陳麗文．第八屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[D]．沈陽：沈陽市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2011．

[5]鄧凌．高速數(shù)控機(jī)床的安全保護(hù)設(shè)計(jì)[J]．航空制造技術(shù)，2005(4):109-111．

[6]劉旭．?dāng)?shù)控機(jī)床內(nèi)防護(hù)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)研究分析[J]．工業(yè)設(shè)計(jì)，2012(2):141-142．

[7]GB/T16251-2008,工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人類工效學(xué)原則[S]．

[8]GB/T1817.1-2002,用于機(jī)械安全的人類功效學(xué)設(shè)計(jì)第1部分：全身進(jìn)入機(jī)械的開口尺寸確定原則[S]．

[9]GB/T1817.2-2002,用于機(jī)械安全的人類功效學(xué)設(shè)計(jì)第2部分：人體局部進(jìn)入機(jī)械的開口尺寸確定原則[S]．

[10]GB/T18209.1-2010,機(jī)械安全指示、標(biāo)志和操作第:1部分：關(guān)于視覺、聽覺和觸覺信號(hào)的要求[S]．

[11]GB/T4892-2008,外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)[S]．

[12]郭青山．人機(jī)工程設(shè)計(jì)，第一版[M]．天津：天津大學(xué)出版社，1999．

[13]Nigel Cross．Engineering Design Methods—Strategies for Product Design, Second Edition[M]，Chichester：JOHN WILEY&SONS，1994．

(編輯 趙蓉)

Protective Structure Design of Horizontal Lathe

CHEN Ming

(Appearance and Protection Research Institute,Shenyang Machine Tool (Group) Co.,Ltd, Shenyang 110142,China)

This paper detailedly studies protective structure of horizontal lathe from the design steps and the main protective parts' the design principles ,the methods ,the points for attention ,etc. And it has carried on the summary. Especially , it has summed up the current mature protective structure of horizontal lathe. Finally, it has put forward the protective design principles of horizontal lathe. The design method and the research ideas have a certain reference value on the design staff who was engaged in protective structure of horizontal lathe .

horizontal lathe; protection; structure design

1001-2265(2014)04-0133-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.037

2013-08-06；

2013-09-09

千臺(tái)國產(chǎn)數(shù)控車床可靠性提升工程(2013ZX04011011)

陳明(1979—),男,江西樟樹人，沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程師,碩士,主要從事機(jī)床外觀與防護(hù)研究、機(jī)床動(dòng)畫設(shè)計(jì)等，(E-mail)chenming_79@126.com。

TH166;TG659

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