卧式车床防护结构设计*

陈 明

(沈阳机床(集团)有限责任公司 外观与防护研究所，沈阳 110142)

卧式车床防护结构设计*

陈 明

(沈阳机床(集团)有限责任公司 外观与防护研究所，沈阳 110142)

文章分别从卧式车床防护结构设计步骤、防护主要部件的设计原则、方法、注意事项等方面进行了详细研究,并对其进行了归纳总结。最后，提出了卧式车床防护外观设计原则。文中归纳总结出的卧式车床防护成熟结构，其设计方法、研究思路对从事设计车床防护的设计人员具有一定的参考价值。

卧式车床；防护；结构设计

0 引言

随着当今科技的高速发展，市场竞争愈来愈激烈，人们的要求愈来愈高。数控机床作为装备制造业的工作母机，它是实现制造技术和装配现代化的前提。机床防护作为机床功能部件，已经越来越显示出其重要性，成为制约机床质量提高与机床附加值的主要因素之一[1]，防护结构设计技术的发展改进，不仅可以提高产品的质量，还可以提高用户的响应能力，使企业产品更具市场竞争力。

1 车床防护发展历程

在1774年，机床才真正意义上的出现。随着产业革命在欧洲的兴起，机床技术、种类与型号迅速发展[2]。但早期的机床设计工作主要集中于产品的功能实现上，对造型设计并无太多的顾及，其功能部件大多为外露式的，随着机床技术的发展以及对机械化生产造成频发的工伤事故的愈加重视，防护开始出现在机床设备上。

对数控机床的安全防护[3]是指配置在数控机床上能防止危险因素引起人身伤害，保障人身和设备安全的所有装置，它对人机系统的安全性起着重要作用。数控车床防护的作用主要体现在安全防护作用、精度保持作用、环境保护作用、隔声降噪作用以及防潮隔湿作用。

图1 卧式车铣复合

随着科技的快速发展，车床的制造水平越来越高，从过去各种专用的普通车床发展到复合型、多功能的数控车床，如图1。在数控车床加工的过程中，会产生高温飞溅的切屑，刀具损坏后高速飞出等不安全因素，经常对操作者造成伤害事故，诸如，操作者的局部卷入或夹入车床旋转部件和运动部件造成的伤害事故；操作者与车床相碰引起的伤害事故；被飞溅的切屑划伤和烫伤；操作者滑倒或跌倒而造成的事故；冷却液对皮肤的侵蚀和噪声对人体的危害。因此，在数控车床防护的设计引入人机工程学设计理念，秉承以人为本的设计原则，从而促使车床防护设计成为了机床整体设计中必不可少的一个重要部分。

另外，车床在加工过程中伴随着发热，这种发热现象会引起机床结构的热变形，从而降低机床的加工精度。随着车床向高速度、高精度和柔性自动化方向发展，热变形对产品质量的影响日趋严重，因此，对数控车床合理的防护散热结构的设计也是十分重要的。还有，数控车床加工过程中产生的切屑、冷却液都会对机床内导轨有损害和腐蚀作用，冷却、润滑系统工作状态不佳对高速主轴及加工精度也产生影响，所以防护就成为了现代数控车床必不可少的一个重要部分。

从卧式车床防护形式上看，车床防护的发展经历了：裸机、半封闭防护车床、全封闭防护车床三个阶段[4]，如图2所示。裸机时代强调的是功能至上，人适应机床；半封闭防护车床是车床裸机的一次安全性变革，开始考虑人的安全性；全封闭防护车床是完全以人为本的人性化设计时代，车床防护设计兼顾功能、人机工程学、美学以及企业文化等因素综合考虑。车床防护的整体结构操作宜人性强，防水性好，排屑性好，外观时尚、简洁。

图2 沈阳机床车床防护发展历程

2 卧式车床防护结构设计方法

(1)防护结构设计基本步骤

车床防护结构设计的基本步骤通常分为如下六步：

1)确定防护形式：封闭式、半封闭式、开放式。

2)确定区域隔离[5]。

3)确定结构形式：框架式、板块组合式、壳体式、混合式。

4)确定安装基准和误差补偿环节。

5)确定基础支架形式。

6)确定防护的临界位置。

(2)确定防护基准

卧式车床防护结构基准一般都是以主轴中心为主基准[6]，同时，还可以选择工作台面或者其它坐标轴中心作为辅助基准。

(3)确定防护临界位置

防护临界位置指的是机床防护在满足机床功能前提下，防护离机床部件最近的安全点。

下面以斜床身数控车床为例,分析如何确定临界位置。结合图3，根据机床加工最大工件半径R，确定机床防护临界宽度W；根据机床X轴行程、X轴拖链极限位置尺寸H2，确定机床防护临界高度H；根据机床内防护极限尺寸L1，确定机床防护临界长度L。

W=W1+R+△W1+△W2

H=H1+H2+△H

L=L1+△L1+△L2

其中△W1、△W2、△H、△L1、△L2这几个变量都是经验值，它们可以相等，也可以不相等，对于小车床推荐在20mm～50mm之间选择，对于中或大型车床推荐在30mm～80mm之间选择,但是，遇到一些特殊情况，应综合考虑，在条件允许的情况下，这五个变量都可以大于80mm。

图3 斜床身数控车床

(4)确定防护支架

根据上面临界位置的确定，再寻找机床床身为防护支架所预留的安装孔，在两者之间建立相应的支架。支架根据所承载的重量选用相应的材料，若承载重量较轻，则可考虑用4mm～6mm之间的Q235A热扎板折弯焊接而成，若承载的重量较重，则应考虑用适当的型材——方钢管、矩形管、角铁等焊接。

(5)确定拉门大小

拉门的大小应保证拉门拉开的最大空间大于机床最大加工工件尺寸，并留出相应的余量，一般操作者能装卸的工件，拉门拉开的尺寸比工件尺寸大100mm以上；需要吊运的工件，拉门拉开的尺寸比工件尺寸大200mm以上；横向上要躲开钢丝绳200mm左右，如有机械手需酌情处理。

(6)确定拉门导轨

拉门导轨一般采用的是下导轨支撑拉门的自身重量，上导轨主要是导向，根据门的大小、重量、要求精度、经济等条件，选择相应的导轨形式，目前常用的导轨有如图4与图5所示。

图4 拉门上导轨的三种形式

图5 拉门下导轨的七种形式

(7)确定视窗大小、位置与材质

视窗的大小、位置的设计应符GB/T16251-2008的设计规定[7]，尤其是拉门的视窗，应该保证整个工件都应在人的可视范围内。

视窗的材质通常是有机玻璃、亚克力板、钢化玻璃、防爆玻璃、夹胶玻璃五种，针对不同用途与安装结构选择相应的材质与厚度。对于工件高速旋转危险系数大的视窗，其强度应能够承受抛出零件或危险物质。目前常采用方式有两种，其一，当视窗固定部分已经有相应格栅(如图6)，可以选用8mm厚的有机玻璃、亚克力板或钢化玻璃；其二，当视窗固定部分没有格栅，材料推荐选用18mm的防爆玻璃或夹胶玻璃。对于工件不旋转或不高速旋转，视窗要求相对低点，可选择3mm～8mm的有机玻璃、亚克力或钢化玻璃。

图6 推荐的典型视窗格栅

(8)确定维修口的大小

根据功能需求，在需要经常检修与维护的位置开设维修门或方便拆卸的盖板，同时，开设维修口的大小应充分考虑人的操作方式，若是需要全身进入，开口尺寸应符合GB/T18717.1-2002的规定[8]；若是需要人体局部进入，开口尺寸应符合GB/T18717.2-2002的规定[9]。

对于经常拆卸，用手搬动的防护应装拆方便，其质量不宜大于16 kg。不便于用手搬动的防护，应设置吊装孔、吊环、吊钩等，并在防护本体或说明书中标明其质量值(kg)。

(9)数控系统操作箱的设计

数控系统操作箱分为两大类：固定式与活动式，固定式的操作箱一般用在小机床上面，大部分数控机床都是采用活动式操作箱，其中活动式又可以分为嵌入式操作箱、悬臂式操作箱、外挂式操作箱与支撑式操作箱，其形式如图7。

虽然操作箱形式的选择是根据机床实际情况综合考虑，但是，它必须符合如下通用原则：

1)数控系统操作箱应符合GB18209.1-2010中视觉信号的规定[10]，使得操作系统的显示屏在合适的视野中。

2)数控系统显示屏尽量与地面成垂直状，或设计带有能够避免厂房内部强光源与太阳光直照显示屏的装置，从而避免显示屏看不清的情况发生。

3)数控系统控制箱应该尽量保证能够在0～90度范围内旋转，方便操作者操作。

4)数控系统控制箱应符合GB4208-2008规定中的IP54防护等级[11]。

图7 四种活动式的数控操作箱

(10)防水结构的设计

防护防水结构的设计原则是引水，而不屯水。目前机床防水结构都是采用搭板结构(见图8)、密封条结构(胶条、海绵、橡胶板等)、毛刷与涂抹胶水的形式。

图8 常用六种搭板防水结构

(11)散热孔的设计

车床防护散热孔设计主要从位置、面积、形状、美观、经济五个方面综合考虑。基本的原则如下：

1)位置：开设在离需要散热最近的位置；

2)面积：在条件允许下，尽量开大；

3)形状：应尽量使用几何形态；

4)美观：运用美学法则，进行创意，但是，前提条件是应以机床外观整体风格保持一致；

5)经济：散热孔的制造成本应与车床档次相适应，即对于量产经济型数控机床，散热孔的制造成本不宜高；对于高档数控机床，散热孔的制造成本可以适当提高。

3 卧式车床防护外观设计原则

机床工业设计追求的不仅是外观的美，更应以人为本，最大限度地贴近人们对产品使用简便、安全、有亲切感等方面的需求，体现对人的关怀[12]。机床工业设计应是机床企业创新与发展的体现，是提高机床产品附加值的有效手段，是继科技竞争之后的第二次竞争[13]。

卧式车床防护外观设计的原则是：实用、经济、美观。

卧式车床防护外观设计在实用的原则上，强调多功能、高效用，要求防护具有：适用性强，标准化程度高，技术指标先进，可靠性好，操作省力，使用方便，可视性佳，准确易调，容易保养、维护，人机协调等特点。

卧式车床防护外观设计在经济的原则上应考虑到降低成本、提高工作效率的问题，如尽可能采用自动化程度高的先进加工工艺：结构应合理，便于加工，工序简单，防护主体容易成型，便于包装，便于运输，便于安装等，这些都涉及到经济效益的问题。总之，在外观设计的时候应考虑到花费最少的财力、物力和时间而取得最好的经济效益的问题。

卧式车床防护造型设计在美观的原则上，首先应考虑的是注重当代人的审美思潮，即对防护通过艺术创造，使其具有美的形象和宜人性，富有表现力，反映出独特风格等审美的价值。然后，还需要考虑到实现它的可行性和表现程度等问题。卧式车床防护外观设计的实用、经济、美观设计三原则，是互相关联、互相制约的，这三个原则缺一不可，三者的基本关系是：在实用的前提下，讲究美观，实用与美观必须以经济因素为制约条件。但是，这三个原则也不是绝对等量关系，常常因产品的功能性质、使用情况以及市场销售等不同的特点而有所侧重，往往突出了某个原则。恰当地处理好三者关系，才能取得最好的效果。

4 总结

本文对卧式车床防护结构设计方法做了详细介绍，概述了车床防护发展历程，并阐述了防护结构设计步骤，针对防护的具体各个主要部件从设计原则、方法、注意事项等方面，进行归纳总结，最后，提出卧式车床防护外观设计原则。文中归纳出了当今卧式车床防护结构成熟结构，为设计车床防护的设计人员提供一定的参考。

然而，卧式车床的类型种类繁多，不同车床类型对防护的要求差异较大。防护结构的设计应根据车床结构布局、功能配置、自动化程度、运动方式、加工零件的材料特点等方面，进行全面考虑和权衡，在处理具体问题时应具体情况具体分析，灵活应用以上原则和方法，并不断改进和完善细化具体设计结构，这样才能满足车床的各项要求。

[1]王春生,李朝强，彭晓红．数控机床内防护的结构与设计研究[J]．中国高新技术企业，2009(17)：37-38．

[2]广州机床研究所．机床发展史话，第一版[M],广州：广州人民出版社，1977．

[3]刘阳．数控机床防护及外观造型设计研究[D]．沈阳：东北大学，2006．

[4]陶秀玉,王海梅,陈丽文．第八届沈阳科学学术年会论文集[D]．沈阳：沈阳市科学技术协会，2011．

[5]邓凌．高速数控机床的安全保护设计[J]．航空制造技术，2005(4):109-111．

[6]刘旭．数控机床内防护的结构与设计研究分析[J]．工业设计，2012(2):141-142．

[7]GB/T16251-2008,工作系统设计的人类工效学原则[S]．

[8]GB/T1817.1-2002,用于机械安全的人类功效学设计第1部分：全身进入机械的开口尺寸确定原则[S]．

[9]GB/T1817.2-2002,用于机械安全的人类功效学设计第2部分：人体局部进入机械的开口尺寸确定原则[S]．

[10]GB/T18209.1-2010,机械安全指示、标志和操作第:1部分：关于视觉、听觉和触觉信号的要求[S]．

[11]GB/T4892-2008,外壳防护等级(IP代码)[S]．

[12]郭青山．人机工程设计，第一版[M]．天津：天津大学出版社，1999．

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

(编辑 赵蓉)

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

千台国产数控车床可靠性提升工程(2013ZX04011011)

陈明(1979—),男,江西樟树人，沈阳机床(集团)有限责任公司工程师,硕士,主要从事机床外观与防护研究、机床动画设计等，(E-mail)chenming_79@126.com。

TH166;TG659

A