數控加工中心用兩自由度可伸縮防護裝置的設計

劉廣東，劉相嵐

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150081）

0 引言

數控加工中心是一種科技含量高、精密度高的專門用于加工復雜曲面的先進制造裝備，對航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等行業有著舉足輕重的影響力。 目前，多軸聯動數控加工中心系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的手段之一。它具有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成多個面的加工[1]。

目前某些數控加工中心在零件加工時防護措施不夠完備，灰塵容易落入機床內，冷卻液等油霧易揮發出機床外造成污染環境。現有的常見的機床防護罩主要有以下幾種形式，如鋁型平簾防護罩、伸縮式絲杠防護罩、盔甲式防護罩、風琴防護罩、鋼板防護罩、螺旋鋼帶防護罩和卷簾式機床防護罩等。它們都存在結構復雜、造價較高等缺點，某些防護罩僅能單自由度方向可伸縮，不能適應多軸加工中心的防護[2]。本文針對DMU50型五軸加工中心特點進行分析后，設計了一款防止灰塵等異物落入機床內，防止冷卻油、冷卻液等油霧揮發出機床外污染環境，且結構簡單實用、易操作、易維修、成本低廉的防護罩。

1 加工中心結構

圖1所示為DMU50型五軸加工中心模型，其中Ⅰ為加工中心最主要零部件電主軸，電主軸在電主軸殼Ⅲ內根據加工零件要求做沿Z軸伸縮運動，同時電主軸Ⅰ和電主軸殼Ⅲ一同在X-Y平面根據加工零件需要進行移動，移動范圍為黑線所圍合成的工作區面積Ⅳ[3]。當加工零件在工作區Ⅱ進行切削加工時，由于電主軸Ⅰ高速旋轉進行切削零件時，產生大量熱量，冷卻液冷卻時產生油霧。由于加工中心上方缺少防護設備，導致大量油霧從工作區Ⅱ上方散出，污染整個加工環境，給操作者身體造成影響，如果處理不當還易出現安全隱患。

圖1 加工中心模型

目前加工中心多采用盔甲式防護罩，但是造價成本昂貴，安裝繁瑣。除此之外還有很多單自由度防護罩在簡單時空機床上得到應用等，各有優缺點[4]。

2 結構介紹

有鑒于此，本文設計的一種五軸加工中心用兩自由度可伸縮防護裝置，結構簡單實用，易操作維修。

2.1 主體結構

如圖2所示，該裝置主要構件如下：卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ、小卷軸、小卷軸滑道、2根機床連接架Ⅱ和主軸連接架，其中卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ置于X-Y平面內相互平行，且通過螺釘固定連接在機床主軸工作區的左右兩側。卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ在X-Y平面水平設置，卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ遠離機床主軸的一端通過與圖2中構件4小卷軸滑道焊接連接形成“凹”型框體。其中小卷軸一側安裝有2對滑輪，可使小卷軸跟隨電主軸工作時在小卷軸滑道內沿X軸正負向快速滑動。卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ、小卷軸殼體內都設有可水平伸縮的耐油防塵布，可根據外力變化進行自由伸縮，卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ內的耐油防塵布的自由端均與一機床連接架Ⅱ通過螺釘固定連接。2根機床連接架Ⅱ的一端與圖2中小卷軸5的兩端固定連接，2個機床連接架Ⅱ的另一端與加工中心的豎直框型背板固定連接。小卷軸內的防塵布的自由端與主軸連接架固定連接。主軸連接架固定在機床主軸外的殼體上。主軸連接架跟隨電主軸沿2個機床連接架Ⅱ沿Y 向正負向移動。殼體隨機床主軸實現沿X向和Y向移動，進而殼體帶動框型背板沿X向移動，框型背板帶動2個機床連接架Ⅱ實現沿X向移動。

圖2 兩自由度伸縮防護罩簡圖

卷軸Ⅰ與機床連接架Ⅰ固定連接，卷軸Ⅰ通過機床連接架Ⅰ來使卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ高度相等，只有2個卷軸高度相等，且均為水平狀態，防塵布才能夠平緩地從各自卷軸中拉出。

2.2 主體結構

殼體為長方體狀，主軸連接架為“幾”字型結構。

長方體狀殼體背部左右兩側設有推片，推片設置在框型背板內，殼體運動帶動推片推動框型背板橫向運動。

框型背板的左右兩側均與盔甲防護板連接，盔甲防護板豎直設置在工作臺外圍。機床主軸沿X軸正負向運動時帶動框型背板左右兩側的盔甲式防護板推片伸縮運動[5]。

小卷軸上設有與小卷軸滑道配合的滑輪，且均設置在小卷軸側面，小卷軸通過滑輪在小卷軸滑道內滑動，摩擦力小，便于移動[6]。

卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ的防塵布的自由端均通過螺栓與一機床連接架Ⅱ固定連接，小卷軸內的防塵布的自由端通過螺栓與主軸連接架固定連接，連接固定，不易脫落。

本文所述的DMU50型五軸加工中心用兩自由度可伸縮防護裝置具有以下優點：在X軸（橫向）和Y軸（縱向）方向分別設置可伸縮防塵布卷軸，隨著機床主軸在X軸和Y軸方向運動，該裝置在同方向上進行伸縮，起到對機床的防護作用。結構簡單實用，易操作、維修、更換零部件，成本低廉。

3 工作原理

伸縮防護罩各尺寸卷軸，均采用伸縮性良好、卷曲不受限的耐油防塵布，防塵布卷曲在金屬卷軸盒內部，防塵布自由端與主軸連接架固定，當機床主軸按照指令在XY平面內進行移動加工產品時，防塵布通過主軸連接架進而跟隨主軸移動的位移大小進行伸縮，從而完成封閉加工空間，阻止油霧揮發外泄污染環境，并可阻止外界灰塵等雜質進入加工區域，影響加工精度等[7]。

圖3所示為防護罩主軸安裝圖，機床主軸沿X軸方向（橫向）運動時，帶動機床主軸外的殼體沿X方向（橫向）運動，殼體通過背部左右兩側設置的推片來實現對框型背板的X方向（橫向）推動，框型背板帶動2個機床連接架Ⅱ橫向移動，從而實現卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ內防塵布的伸縮；機床主軸沿Y方向（縱向）運動時，帶動機床主軸外的殼體沿Y方向（縱向）運動，由于主軸連接架固定在殼體上，因此主軸連接架沿Y方向（縱向）運動，從而實現小卷軸內的防塵布的伸縮，由于小卷軸可在小卷軸滑道4內移動，因此機床主軸沿X方向（橫向）運動時，小卷軸會跟隨兩個機床連接架Ⅱ橫向移動。

圖3 防護罩主軸安裝圖

工作時，卷軸Ⅰ、小卷軸滑道、卷軸Ⅱ、機床連接架Ⅱ、主軸連接架分別與機床及主軸直接或間接固定連接，機床主軸在機身、卷軸Ⅱ、工件小卷軸滑道、卷軸Ⅰ范圍內拉出大小3個防塵布，按機床程序不定向運動，從而在機床加工工件時避免主軸高速旋轉切削工件時帶來的冷卻液、冷卻油霧化而揮發出來的污染，保護車間環境及機床操作人員的健康[8]。

4 結論

本文根據DMU50型加工中心的結構特點巧妙地設計了兩自由度伸縮防護罩，可根據電主軸的移動實現防護罩在X-Y平面內跟隨伸縮，該裝置不但極大降低了加工環境的污染，而且成本低廉，對于其他類型加工中心防護裝備具有參考意義。