HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心防護(hù)拉門(mén)設(shè)計(jì)

李 濱 化春雷 常博宇 侯春華 劉 迪

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

1 HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心特點(diǎn)

HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心具有五聯(lián)動(dòng)功能，是集車(chē)、銑，鉆、鏜、攻絲等功能于一臺(tái)設(shè)備上的高柔性機(jī)床。由于產(chǎn)品具有Y軸和B軸功能，因此機(jī)床加工工藝范圍廣，采用的刀具種類(lèi)和規(guī)格較多，可以加工盤(pán)類(lèi)、軸類(lèi)零件的外圓、內(nèi)孔、端面、切槽、螺紋、錐面、圓弧曲面等?？稍谝淮窝b夾中完成全部或大部分工序的加工，既可保證精度，又可以提高效率，降低成本。該機(jī)床的特點(diǎn)是可五軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工，除了完成重載車(chē)削工序外，更可完成葉片螺旋面、偏心及斜面等異性特征零件的銑削加工，特別適用于軍工、航天、航空等加工制造行業(yè)中復(fù)雜零件的加工。

2 HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心防護(hù)設(shè)計(jì)的必要性

HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心在加工時(shí)，可能出現(xiàn)的加工事故隱患或人為事故隱患如下。

2.1 加工事故隱患

加工事故隱患如下。1）高溫條件下飛濺出鐵屑。2）損壞的刀具突然高速飛出機(jī)床加工區(qū)域。3）加工過(guò)程引起的發(fā)熱導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形，降低機(jī)床的加工精度。4）加工過(guò)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產(chǎn)生影響。

2.2 人為事故隱患

人為事故隱患如下。1）操作者四肢或衣服等突然被加工旋轉(zhuǎn)部件或運(yùn)動(dòng)部件損害。2）操作者突然碰撞正在加工中的機(jī)床，導(dǎo)致卷入或夾入。3）操作者被飛濺出的鐵屑傷害。4）操作者突然跌倒。5）冷卻液對(duì)皮膚造成傷害。因此，機(jī)床外防護(hù)是機(jī)床切削加工過(guò)程中非常重要的部件。具有安全防護(hù)、保護(hù)精度的作用。該文以防護(hù)拉門(mén)為研究對(duì)象，從拉門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)及防水方式等進(jìn)行深入的研究。

2.3 防護(hù)尺寸的確定

根據(jù)HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心最大工件直徑800mm，設(shè)半徑為，根據(jù)機(jī)床軸行程3200mm和軸拖鏈極限位置，長(zhǎng)度方向極限位置為； 根據(jù)機(jī)床軸行程720mm，軸極限位置尺寸為，軸行程為500mm，軸極限位置尺寸為，見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)床極限位置圖

式中：為長(zhǎng)度方向極限位置，為床身長(zhǎng)度尺寸，為高度方向極限位置，為床身到主軸中心距離，為軸極限尺寸到主軸中心距離，為寬度方向極限位置，為主軸中心到床身液壓站支架距離，為工件半徑，、、、、為變量，根據(jù)機(jī)床大小、防護(hù)加工精度和裝配誤差，一般保留50mm~100mm。 Δ為基于機(jī)械手的左極限位置預(yù)留安全行程；Δ為軸拉罩的右極限行程預(yù)留安裝余量；Δ為刀庫(kù)外邊緣預(yù)留安全余量；Δ為液壓站或軸拖鏈極限行程的最大值基礎(chǔ)上預(yù)留的安全行程；Δ為軸拖鏈上邊緣預(yù)留安全行程。

3 HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心防護(hù)拉門(mén)設(shè)計(jì)

3.1 拉門(mén)尺寸設(shè)計(jì)

大型臥式車(chē)銑機(jī)床防護(hù)拉門(mén)設(shè)計(jì)中，拉門(mén)的尺寸由工件長(zhǎng)度決定。拉門(mén)寬度應(yīng)大于工件長(zhǎng)度。HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心最大加工長(zhǎng)度3000mm，最大加工直徑800mm，采用外拉門(mén)設(shè)計(jì)，拉門(mén)寬度為3500mm，高為3480mm。

3.2 拉門(mén)的類(lèi)型

防護(hù)拉門(mén)通常有單拉門(mén)、雙拉門(mén)、三拉門(mén)及四拉門(mén)或折疊拉門(mén)等方式。其中單拉門(mén)行程較大，適合于工作臺(tái)比較小的機(jī)床，雙拉門(mén)向兩側(cè)拉開(kāi)，縮短行程，適用于工作臺(tái)較寬的機(jī)床，三拉門(mén)、四拉門(mén)及折疊拉門(mén)適合于大型數(shù)控加工中心，這類(lèi)形式一般使用電動(dòng)拉門(mén)并增加安全裝置，防止操作者被門(mén)加傷或者進(jìn)入后拉門(mén)關(guān)閉，將操作者困在機(jī)床中的情況發(fā)生。由于HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心最大加工長(zhǎng)度3000mm，為縮減拉門(mén)行程，減少單個(gè)拉門(mén)質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)為雙拉門(mén)對(duì)開(kāi)形式。

3.3 拉門(mén)安全性

HTM80300作為大型車(chē)銑復(fù)合加工中心機(jī)床，防護(hù)門(mén)單門(mén)重量超過(guò)250kg，為了降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，防護(hù)門(mén)采用自動(dòng)式防護(hù)門(mén)。傳統(tǒng)的防護(hù)門(mén)一般采用氣動(dòng)防護(hù)門(mén)、液壓防護(hù)門(mén)等結(jié)構(gòu)。其中氣動(dòng)防護(hù)門(mén)和液壓防護(hù)門(mén)是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的氣缸分別推動(dòng)機(jī)床兩側(cè)的防護(hù)門(mén)開(kāi)合。兩個(gè)氣缸或液壓缸會(huì)存在同步問(wèn)題。另外，汽缸或者液壓缸的系統(tǒng)壓力不可控，容易出現(xiàn)“擠人”等安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。該機(jī)床采用了一套伺服安全門(mén)控制系統(tǒng)，同時(shí)解決了防護(hù)門(mén)的開(kāi)關(guān)不同步問(wèn)題和防護(hù)門(mén)安全問(wèn)題。具體結(jié)構(gòu)如下：該機(jī)床采用伺服安全門(mén)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊作為整體套件安裝在機(jī)床防護(hù)的頂部，安全門(mén)模塊兩端是該套系統(tǒng)的支座，其中右端支座是主動(dòng)輪固定座，上面安裝伺服電機(jī)及減速機(jī)上，減速機(jī)的末端安裝有齒形帶輪。左端支座是從動(dòng)輪固定座，該固定座上安裝從動(dòng)帶輪，從動(dòng)帶輪通過(guò)軸承定位機(jī)構(gòu)安裝在固定支座上。主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪之間安裝高精度圓弧齒形帶。齒形帶的上部和下部分別安裝同步帶固定卡和連接器。通過(guò)固定卡和連接器將防護(hù)門(mén)與齒形帶連接起來(lái)。如圖所示方向，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)齒形帶運(yùn)動(dòng)后，上部齒形帶向左運(yùn)動(dòng)，下部齒形帶向右運(yùn)動(dòng)，這就帶著兩個(gè)防護(hù)門(mén)同向或背向同步運(yùn)動(dòng)。齒形帶精度較高，能夠保證防護(hù)門(mén)的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)更加精確。實(shí)現(xiàn)防護(hù)門(mén)良好的開(kāi)合重復(fù)度。在初始裝配時(shí)如果兩個(gè)防護(hù)門(mén)是閉合狀態(tài)，那么重復(fù)開(kāi)合后，防護(hù)門(mén)仍然可以穩(wěn)定開(kāi)合，閉合后門(mén)無(wú)縫隙，防護(hù)門(mén)密封良好，見(jiàn)圖2。

圖2 伺服安全門(mén)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于防護(hù)門(mén)的安全性，因?yàn)樵摲雷o(hù)門(mén)整體通過(guò)伺服電機(jī)控制，在防護(hù)門(mén)的開(kāi)合過(guò)程中通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)防護(hù)門(mén)開(kāi)合的自學(xué)習(xí)，在自學(xué)習(xí)過(guò)程中系統(tǒng)地掌握了防護(hù)門(mén)實(shí)際工作過(guò)程中的力矩控制，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)，如防護(hù)門(mén)擠壓操作者等情況發(fā)生時(shí)，防護(hù)門(mén)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，將異常狀態(tài)反饋給系統(tǒng)進(jìn)行緊急制動(dòng)。這樣就保障了整體防護(hù)門(mén)系統(tǒng)的安全（見(jiàn)圖3）。

圖3 伺服安全門(mén)控制系統(tǒng)圖

3.4 拉門(mén)導(dǎo)軌的形式

拉門(mén)導(dǎo)軌一般分為拉門(mén)上導(dǎo)軌，如圖4（a）~（c）所示，拉門(mén)下導(dǎo)軌，如圖4（d）~（h）所示。拉門(mén)上導(dǎo)軌主要起導(dǎo)向作用，下導(dǎo)軌起支撐作用。在導(dǎo)軌的選擇上，要考慮大門(mén)的大小、拉門(mén)的質(zhì)量、精度及價(jià)格等因素。導(dǎo)軌分為直線導(dǎo)軌和機(jī)加導(dǎo)軌。

直線導(dǎo)軌多為外購(gòu)件，具有精度高、剛性好、滑動(dòng)自如、耐磨、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。但是要求安裝表面精度高。

自制導(dǎo)軌一般為機(jī)加件，成本低、加工制造簡(jiǎn)單，但是由于各廠家加工精度不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，在安裝調(diào)試及后期使用上差異較為明顯。

圖4（d）結(jié)構(gòu)為原始的拉門(mén)下導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式，這種導(dǎo)軌在拉門(mén)過(guò)程中容易脫軌、拉動(dòng)卡頓、導(dǎo)軌變形的情況經(jīng)常出現(xiàn)。（e）結(jié)構(gòu)通過(guò)薄板拍扁加工方式，根據(jù)產(chǎn)品不同，可自主調(diào)節(jié)尺寸，但是這種形式會(huì)積累鐵屑，不易清理。

圖4 拉門(mén)上、下導(dǎo)軌形式圖

圖4（f）和（g）結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改良設(shè)計(jì)后，采用機(jī)加工藝，在承重性上具有優(yōu)勢(shì)，采用6mm~8mm厚的熱軋板機(jī)加后不易變形，不積屑，防水效果也好。

HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心上下導(dǎo)軌均采用直線導(dǎo)軌形式，確保了機(jī)床拉門(mén)運(yùn)行中的精度。如圖4（h）所示。

3.5 拉門(mén)防水結(jié)構(gòu)

拉門(mén)的防水，主要以疏導(dǎo)為主，其防水結(jié)構(gòu)主要采用迷宮型設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5。密封條結(jié)構(gòu)如密封膠條、毛刷、海綿、橡膠板、3M膠等形式。圖5為HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心拉門(mén)防水結(jié)構(gòu)圖。

圖5（a）在左側(cè)防護(hù)罩側(cè)段預(yù)留連接孔，設(shè)計(jì)一個(gè)L型連接件并預(yù)留連接孔，將兩者用M6螺釘連接后，形成一個(gè)相對(duì)封閉的防水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于防水結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，又限制了拉門(mén)的極限位置，避免因推拉不到位造成機(jī)床拉門(mén)與防護(hù)罩縫隙過(guò)大出現(xiàn)漏水的情況。圖5（b）在左、右拉門(mén)邊框出焊接L型擋水板，其中左側(cè)擋水板的高度大于右側(cè)擋水板高度，保證拉門(mén)關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)擋水板相互交疊但不干涉，形成了兩道防水結(jié)構(gòu)，保證了拉門(mén)的密封性。圖 5（c）根據(jù)下導(dǎo)軌形式不同，設(shè)計(jì)具有傾斜角度的擋水板，將下導(dǎo)軌至于拉門(mén)表面與擋水板之間，傾斜角度起到防水、防屑的作用。

圖5 拉門(mén)防水結(jié)構(gòu)圖

3.6 拉門(mén)視窗設(shè)計(jì)

在機(jī)床加工時(shí)，操作者通過(guò)視窗對(duì)機(jī)床工件情況進(jìn)行觀察，視窗的設(shè)計(jì)尤為重要。在視窗設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的因素有如下幾點(diǎn)。

我國(guó)成年男性站立時(shí)眼睛高度尺寸P1-P99數(shù)據(jù)中，取P50的數(shù)值為1586mm，根據(jù)人體視野有效范圍參數(shù)表中的數(shù)據(jù)可知，機(jī)床操作視距離為500mm，因此，機(jī)床視窗的高度為人站在地面或站臺(tái)上1080mm~1500mm。盡量使整個(gè)加工工件及加工過(guò)程在操作者可視觀察區(qū)域內(nèi)。

拉門(mén)視窗的材質(zhì)主要包括鋼化玻璃、防爆玻璃、夾膠玻璃、有機(jī)玻璃等。根據(jù)機(jī)床加工工件、加工方式和安全等級(jí)不同，選擇不同材質(zhì)和厚度。

工件高轉(zhuǎn)速的機(jī)床，容易飛濺鐵屑或飛出刀具，在拉門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮設(shè)計(jì)保護(hù)網(wǎng)。有保護(hù)網(wǎng)的拉門(mén)玻璃，采用6mm~8mm鋼化玻璃或有機(jī)玻璃。沒(méi)有保護(hù)網(wǎng)的拉門(mén)，要選用18mm防爆玻璃或夾膠玻璃。工件低速或者不旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，可采用3mm~8mm的鋼化玻璃、有機(jī)玻璃等。

3.7 拉門(mén)把手設(shè)計(jì)

把手的設(shè)計(jì)主要考慮把手的形狀和安裝尺寸兩方面因素。

把手的橫截面和長(zhǎng)度對(duì)操作者在機(jī)床操作中需要推門(mén)或者關(guān)門(mén)時(shí)，有一定的影響。把手橫截面積過(guò)大會(huì)導(dǎo)致操作者抓握不住，橫截面積過(guò)小會(huì)出現(xiàn)操作者抓握使不上力的情況，造成操作疲勞或產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此把手的形狀長(zhǎng)度和寬度適當(dāng)，符合人體工程學(xué)。

操作者需要使用把手對(duì)拉門(mén)進(jìn)行推拉，上下工件，因此安裝尺寸主要根據(jù)操作者手臂活動(dòng)范圍和手肘高度決定。取P1-P99數(shù)據(jù)中P50的成年男性人體數(shù)據(jù)分析，機(jī)床操作視距離為500mm，把手適合的安裝尺寸在1026mm~1370mm。使操作者大臂和手肘的角度在推拉拉門(mén)時(shí)相對(duì)舒適。當(dāng)對(duì)開(kāi)拉門(mén)需要兩個(gè)把手時(shí)，兩個(gè)把手之間的距離要考慮手的握力和肌腱與把手之間的作用力，通常在45mm~50mm的把手握力達(dá)到最大。

4 結(jié)論

該文以HTM80300車(chē)銑復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，對(duì)防護(hù)拉門(mén)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從拉門(mén)的尺寸確定、拉門(mén)安全性、拉門(mén)類(lèi)型、拉門(mén)導(dǎo)軌、防水性、拉門(mén)導(dǎo)軌、拉門(mén)視窗和拉門(mén)把手等方面進(jìn)行詳細(xì)研究，提出防護(hù)拉門(mén)設(shè)計(jì)方法，避免機(jī)床加工使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)和安全隱患。