李 濱 化春雷 常博宇 侯春華 劉 迪

（沈陽機床（集團）有限責任公司設計研究院，遼寧 沈陽 110142）

1 HTM80300車銑復合加工中心特點

HTM80300車銑復合加工中心具有五聯(lián)動功能，是集車、銑，鉆、鏜、攻絲等功能于一臺設備上的高柔性機床。由于產(chǎn)品具有Y軸和B軸功能，因此機床加工工藝范圍廣，采用的刀具種類和規(guī)格較多，可以加工盤類、軸類零件的外圓、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。該機床的特點是可五軸聯(lián)動復合加工，除了完成重載車削工序外，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)中復雜零件的加工。

2 HTM80300車銑復合加工中心防護設計的必要性

HTM80300車銑復合加工中心在加工時，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床加工區(qū)域。3）加工過程引起的發(fā)熱導致機床結(jié)構(gòu)的熱變形，降低機床的加工精度。4）加工過程中產(chǎn)生的切屑、冷卻液都會對機床內(nèi)導軌有損害和腐蝕作用，冷卻、潤滑系統(tǒng)工作狀態(tài)不佳對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)部件或運動部件損害。2）操作者突然碰撞正在加工中的機床，導致卷入或夾入。3）操作者被飛濺出的鐵屑傷害。4）操作者突然跌倒。5）冷卻液對皮膚造成傷害。因此，機床外防護是機床切削加工過程中非常重要的部件。具有安全防護、保護精度的作用。該文以防護拉門為研究對象，從拉門的結(jié)構(gòu)設計、安全防護及防水方式等進行深入的研究。

2.3 防護尺寸的確定

根據(jù)HTM80300車銑復合加工中心最大工件直徑800mm，設半徑為，根據(jù)機床軸行程3200mm和軸拖鏈極限位置，長度方向極限位置為； 根據(jù)機床軸行程720mm，軸極限位置尺寸為，軸行程為500mm，軸極限位置尺寸為，見圖1。

圖1 機床極限位置圖

式中：為長度方向極限位置，為床身長度尺寸，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)機床大小、防護加工精度和裝配誤差，一般保留50mm~100mm。 Δ為基于機械手的左極限位置預留安全行程；Δ為軸拉罩的右極限行程預留安裝余量；Δ為刀庫外邊緣預留安全余量；Δ為液壓站或軸拖鏈極限行程的最大值基礎(chǔ)上預留的安全行程；Δ為軸拖鏈上邊緣預留安全行程。

3 HTM80300車銑復合加工中心防護拉門設計

3.1 拉門尺寸設計

大型臥式車銑機床防護拉門設計中，拉門的尺寸由工件長度決定。拉門寬度應大于工件長度。HTM80300車銑復合加工中心最大加工長度3000mm，最大加工直徑800mm，采用外拉門設計，拉門寬度為3500mm，高為3480mm。

3.2 拉門的類型

防護拉門通常有單拉門、雙拉門、三拉門及四拉門或折疊拉門等方式。其中單拉門行程較大，適合于工作臺比較小的機床，雙拉門向兩側(cè)拉開，縮短行程，適用于工作臺較寬的機床，三拉門、四拉門及折疊拉門適合于大型數(shù)控加工中心，這類形式一般使用電動拉門并增加安全裝置，防止操作者被門加傷或者進入后拉門關(guān)閉，將操作者困在機床中的情況發(fā)生。由于HTM80300車銑復合加工中心最大加工長度3000mm，為縮減拉門行程，減少單個拉門質(zhì)量，因此設計為雙拉門對開形式。

3.3 拉門安全性

HTM80300作為大型車銑復合加工中心機床，防護門單門重量超過250kg，為了降低操作者勞動強度，提高工作效率，防護門采用自動式防護門。傳統(tǒng)的防護門一般采用氣動防護門、液壓防護門等結(jié)構(gòu)。其中氣動防護門和液壓防護門是通過兩個獨立的氣缸分別推動機床兩側(cè)的防護門開合。兩個氣缸或液壓缸會存在同步問題。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”等安全風險問題。該機床采用了一套伺服安全門控制系統(tǒng)，同時解決了防護門的開關(guān)不同步問題和防護門安全問題。具體結(jié)構(gòu)如下：該機床采用伺服安全門驅(qū)動模塊。該模塊作為整體套件安裝在機床防護的頂部，安全門模塊兩端是該套系統(tǒng)的支座，其中右端支座是主動輪固定座，上面安裝伺服電機及減速機上，減速機的末端安裝有齒形帶輪。左端支座是從動輪固定座，該固定座上安裝從動帶輪，從動帶輪通過軸承定位機構(gòu)安裝在固定支座上。主動帶輪和從動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。通過固定卡和連接器將防護門與齒形帶連接起來。如圖所示方向，當電機帶動齒形帶運動后，上部齒形帶向左運動，下部齒形帶向右運動，這就帶著兩個防護門同向或背向同步運動。齒形帶精度較高，能夠保證防護門的開合運動更加精確。實現(xiàn)防護門良好的開合重復度。在初始裝配時如果兩個防護門是閉合狀態(tài)，那么重復開合后，防護門仍然可以穩(wěn)定開合，閉合后門無縫隙，防護門密封良好，見圖2。

圖2 伺服安全門驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于防護門的安全性，因為該防護門整體通過伺服電機控制，在防護門的開合過程中通過軟件控制實現(xiàn)防護門開合的自學習，在自學習過程中系統(tǒng)地掌握了防護門實際工作過程中的力矩控制，當出現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)，如防護門擠壓操作者等情況發(fā)生時，防護門會及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，將異常狀態(tài)反饋給系統(tǒng)進行緊急制動。這樣就保障了整體防護門系統(tǒng)的安全（見圖3）。

圖3 伺服安全門控制系統(tǒng)圖

3.4 拉門導軌的形式

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

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

自制導軌一般為機加件，成本低、加工制造簡單，但是由于各廠家加工精度不同，結(jié)構(gòu)設計不同，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)為原始的拉門下導軌結(jié)構(gòu)形式，這種導軌在拉門過程中容易脫軌、拉動卡頓、導軌變形的情況經(jīng)常出現(xiàn)。（e）結(jié)構(gòu)通過薄板拍扁加工方式，根據(jù)產(chǎn)品不同，可自主調(diào)節(jié)尺寸，但是這種形式會積累鐵屑，不易清理。

圖4 拉門上、下導軌形式圖

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

HTM80300車銑復合加工中心上下導軌均采用直線導軌形式，確保了機床拉門運行中的精度。如圖4（h）所示。

3.5 拉門防水結(jié)構(gòu)

拉門的防水，主要以疏導為主，其防水結(jié)構(gòu)主要采用迷宮型設計，見圖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車銑復合加工中心拉門防水結(jié)構(gòu)圖。

圖5（a）在左側(cè)防護罩側(cè)段預留連接孔，設計一個L型連接件并預留連接孔，將兩者用M6螺釘連接后，形成一個相對封閉的防水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)點在于防水結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，又限制了拉門的極限位置，避免因推拉不到位造成機床拉門與防護罩縫隙過大出現(xiàn)漏水的情況。圖5（b）在左、右拉門邊框出焊接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，保證拉門關(guān)閉時，兩個擋水板相互交疊但不干涉，形成了兩道防水結(jié)構(gòu)，保證了拉門的密封性。圖 5（c）根據(jù)下導軌形式不同，設計具有傾斜角度的擋水板，將下導軌至于拉門表面與擋水板之間，傾斜角度起到防水、防屑的作用。

圖5 拉門防水結(jié)構(gòu)圖

3.6 拉門視窗設計

在機床加工時，操作者通過視窗對機床工件情況進行觀察，視窗的設計尤為重要。在視窗設計時，主要考慮的因素有如下幾點。

我國成年男性站立時眼睛高度尺寸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，機床操作視距離為500mm，因此，機床視窗的高度為人站在地面或站臺上1080mm~1500mm。盡量使整個加工工件及加工過程在操作者可視觀察區(qū)域內(nèi)。

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

工件高轉(zhuǎn)速的機床，容易飛濺鐵屑或飛出刀具，在拉門設計時，可以考慮設計保護網(wǎng)。有保護網(wǎng)的拉門玻璃，采用6mm~8mm鋼化玻璃或有機玻璃。沒有保護網(wǎng)的拉門，要選用18mm防爆玻璃或夾膠玻璃。工件低速或者不旋轉(zhuǎn)的機床，可采用3mm~8mm的鋼化玻璃、有機玻璃等。

3.7 拉門把手設計

把手的設計主要考慮把手的形狀和安裝尺寸兩方面因素。

把手的橫截面和長度對操作者在機床操作中需要推門或者關(guān)門時，有一定的影響。把手橫截面積過大會導致操作者抓握不住，橫截面積過小會出現(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。因此把手的形狀長度和寬度適當，符合人體工程學。

操作者需要使用把手對拉門進行推拉，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時相對舒適。當對開拉門需要兩個把手時，兩個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的把手握力達到最大。

4 結(jié)論

該文以HTM80300車銑復合加工中心為研究對象，對防護拉門的結(jié)構(gòu)進行設計，從拉門的尺寸確定、拉門安全性、拉門類型、拉門導軌、防水性、拉門導軌、拉門視窗和拉門把手等方面進行詳細研究，提出防護拉門設計方法，避免機床加工使用過程中可能出現(xiàn)的危險和安全隱患。