數(shù)控加工中心用兩自由度可伸縮防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

劉廣東，劉相嵐

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150081）

0 引言

數(shù)控加工中心是一種科技含量高、精密度高的專(zhuān)門(mén)用于加工復(fù)雜曲面的先進(jìn)制造裝備，對(duì)航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。 目前，多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的手段之一。它具有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件一次裝夾就可完成多個(gè)面的加工[1]。

目前某些數(shù)控加工中心在零件加工時(shí)防護(hù)措施不夠完備，灰塵容易落入機(jī)床內(nèi)，冷卻液等油霧易揮發(fā)出機(jī)床外造成污染環(huán)境。現(xiàn)有的常見(jiàn)的機(jī)床防護(hù)罩主要有以下幾種形式，如鋁型平簾防護(hù)罩、伸縮式絲杠防護(hù)罩、盔甲式防護(hù)罩、風(fēng)琴防護(hù)罩、鋼板防護(hù)罩、螺旋鋼帶防護(hù)罩和卷簾式機(jī)床防護(hù)罩等。它們都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高等缺點(diǎn)，某些防護(hù)罩僅能單自由度方向可伸縮，不能適應(yīng)多軸加工中心的防護(hù)[2]。本文針對(duì)DMU50型五軸加工中心特點(diǎn)進(jìn)行分析后，設(shè)計(jì)了一款防止灰塵等異物落入機(jī)床內(nèi)，防止冷卻油、冷卻液等油霧揮發(fā)出機(jī)床外污染環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、易操作、易維修、成本低廉的防護(hù)罩。

1 加工中心結(jié)構(gòu)

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(nèi)根據(jù)加工零件要求做沿Z軸伸縮運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電主軸Ⅰ和電主軸殼Ⅲ一同在X-Y平面根據(jù)加工零件需要進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)范圍為黑線所圍合成的工作區(qū)面積Ⅳ[3]。當(dāng)加工零件在工作區(qū)Ⅱ進(jìn)行切削加工時(shí)，由于電主軸Ⅰ高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削零件時(shí)，產(chǎn)生大量熱量，冷卻液冷卻時(shí)產(chǎn)生油霧。由于加工中心上方缺少防護(hù)設(shè)備，導(dǎo)致大量油霧從工作區(qū)Ⅱ上方散出，污染整個(gè)加工環(huán)境，給操作者身體造成影響，如果處理不當(dāng)還易出現(xiàn)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(hù)罩，但是造價(jià)成本昂貴，安裝繁瑣。除此之外還有很多單自由度防護(hù)罩在簡(jiǎn)單時(shí)空機(jī)床上得到應(yīng)用等，各有優(yōu)缺點(diǎn)[4]。

2 結(jié)構(gòu)介紹

有鑒于此，本文設(shè)計(jì)的一種五軸加工中心用兩自由度可伸縮防護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，易操作維修。

2.1 主體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該裝置主要構(gòu)件如下：卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ、小卷軸、小卷軸滑道、2根機(jī)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(nèi)相互平行，且通過(guò)螺釘固定連接在機(jī)床主軸工作區(qū)的左右兩側(cè)。卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ在X-Y平面水平設(shè)置，卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ遠(yuǎn)離機(jī)床主軸的一端通過(guò)與圖2中構(gòu)件4小卷軸滑道焊接連接形成“凹”型框體。其中小卷軸一側(cè)安裝有2對(duì)滑輪，可使小卷軸跟隨電主軸工作時(shí)在小卷軸滑道內(nèi)沿X軸正負(fù)向快速滑動(dòng)。卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ、小卷軸殼體內(nèi)都設(shè)有可水平伸縮的耐油防塵布，可根據(jù)外力變化進(jìn)行自由伸縮，卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ內(nèi)的耐油防塵布的自由端均與一機(jī)床連接架Ⅱ通過(guò)螺釘固定連接。2根機(jī)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(gè)機(jī)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(nèi)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(jī)床主軸外的殼體上。主軸連接架跟隨電主軸沿2個(gè)機(jī)床連接架Ⅱ沿Y 向正負(fù)向移動(dòng)。殼體隨機(jī)床主軸實(shí)現(xiàn)沿X向和Y向移動(dòng)，進(jìn)而殼體帶動(dòng)框型背板沿X向移動(dòng)，框型背板帶動(dòng)2個(gè)機(jī)床連接架Ⅱ?qū)崿F(xiàn)沿X向移動(dòng)。

圖2 兩自由度伸縮防護(hù)罩簡(jiǎn)圖

卷軸Ⅰ與機(jī)床連接架Ⅰ固定連接，卷軸Ⅰ通過(guò)機(jī)床連接架Ⅰ來(lái)使卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ高度相等，只有2個(gè)卷軸高度相等，且均為水平狀態(tài)，防塵布才能夠平緩地從各自卷軸中拉出。

2.2 主體結(jié)構(gòu)

殼體為長(zhǎng)方體狀，主軸連接架為“幾”字型結(jié)構(gòu)。

長(zhǎng)方體狀殼體背部左右兩側(cè)設(shè)有推片，推片設(shè)置在框型背板內(nèi)，殼體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推片推動(dòng)框型背板橫向運(yùn)動(dòng)。

框型背板的左右兩側(cè)均與盔甲防護(hù)板連接，盔甲防護(hù)板豎直設(shè)置在工作臺(tái)外圍。機(jī)床主軸沿X軸正負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)框型背板左右兩側(cè)的盔甲式防護(hù)板推片伸縮運(yùn)動(dòng)[5]。

小卷軸上設(shè)有與小卷軸滑道配合的滑輪，且均設(shè)置在小卷軸側(cè)面，小卷軸通過(guò)滑輪在小卷軸滑道內(nèi)滑動(dòng)，摩擦力小，便于移動(dòng)[6]。

卷軸Ⅰ、卷軸Ⅱ的防塵布的自由端均通過(guò)螺栓與一機(jī)床連接架Ⅱ固定連接，小卷軸內(nèi)的防塵布的自由端通過(guò)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(hù)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：在X軸（橫向）和Y軸（縱向）方向分別設(shè)置可伸縮防塵布卷軸，隨著機(jī)床主軸在X軸和Y軸方向運(yùn)動(dòng)，該裝置在同方向上進(jìn)行伸縮，起到對(duì)機(jī)床的防護(hù)作用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，易操作、維修、更換零部件，成本低廉。

3 工作原理

伸縮防護(hù)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(nèi)部，防塵布自由端與主軸連接架固定，當(dāng)機(jī)床主軸按照指令在XY平面內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)加工產(chǎn)品時(shí)，防塵布通過(guò)主軸連接架進(jìn)而跟隨主軸移動(dòng)的位移大小進(jìn)行伸縮，從而完成封閉加工空間，阻止油霧揮發(fā)外泄污染環(huán)境，并可阻止外界灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入加工區(qū)域，影響加工精度等[7]。

圖3所示為防護(hù)罩主軸安裝圖，機(jī)床主軸沿X軸方向（橫向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)機(jī)床主軸外的殼體沿X方向（橫向）運(yùn)動(dòng)，殼體通過(guò)背部左右兩側(cè)設(shè)置的推片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)框型背板的X方向（橫向）推動(dòng)，框型背板帶動(dòng)2個(gè)機(jī)床連接架Ⅱ橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)卷軸Ⅰ和卷軸Ⅱ內(nèi)防塵布的伸縮；機(jī)床主軸沿Y方向（縱向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)機(jī)床主軸外的殼體沿Y方向（縱向）運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小卷軸內(nèi)的防塵布的伸縮，由于小卷軸可在小卷軸滑道4內(nèi)移動(dòng)，因此機(jī)床主軸沿X方向（橫向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，小卷軸會(huì)跟隨兩個(gè)機(jī)床連接架Ⅱ橫向移動(dòng)。

圖3 防護(hù)罩主軸安裝圖

工作時(shí)，卷軸Ⅰ、小卷軸滑道、卷軸Ⅱ、機(jī)床連接架Ⅱ、主軸連接架分別與機(jī)床及主軸直接或間接固定連接，機(jī)床主軸在機(jī)身、卷軸Ⅱ、工件小卷軸滑道、卷軸Ⅰ范圍內(nèi)拉出大小3個(gè)防塵布，按機(jī)床程序不定向運(yùn)動(dòng)，從而在機(jī)床加工工件時(shí)避免主軸高速旋轉(zhuǎn)切削工件時(shí)帶來(lái)的冷卻液、冷卻油霧化而揮發(fā)出來(lái)的污染，保護(hù)車(chē)間環(huán)境及機(jī)床操作人員的健康[8]。

4 結(jié)論

本文根據(jù)DMU50型加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)巧妙地設(shè)計(jì)了兩自由度伸縮防護(hù)罩，可根據(jù)電主軸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)防護(hù)罩在X-Y平面內(nèi)跟隨伸縮，該裝置不但極大降低了加工環(huán)境的污染，而且成本低廉，對(duì)于其他類(lèi)型加工中心防護(hù)裝備具有參考意義。