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      摘要: 以某五坐標立式加工中心為例，介紹了整體防護部件的關鍵設計要素，分析并改進了原有結構，用全新的思路實現了相關功能，兼顧外觀性與制造工藝性，為類似機床的相關設計提供借鑒和參考。

      關鍵詞: 加工中心; 整體防護; 設計要素

      世界總體經濟形勢的變化，推動我國制造業的變革與發展，高檔數控機床在國內用戶中的認知程度不斷加深，其高剛性、高精度、高可靠性、高適應性的特點能夠滿足不同行業、不同產品加工的多樣化需求，逐步成為用戶在采購、更新機床設備時的首選。質量優秀的高檔數控機床在其全壽命使用期間，能夠為用戶提供更高的加工效率，更廣的加工范圍，更低的維護成本，從而為企業創造更大的收益。

      五坐標立式加工中心作為高檔數控機床中的一員，其市場長期被國際主要機床生產廠商壟斷。隨著“高檔數控機床與基礎制造裝備”等科技重大專項的逐步實施，國產機床廠商在這一領域嶄露頭角，誕生了一批性能優異的設備，功能逐步完備。高端的市場定位，注定其必須在各項指標和功能上達到甚至超過國外廠商，才能在激烈競爭的市場中占據一席之地，這就對各廠商在機床設計研發、生產制造、售后服務各環節提出了更高的要求。目前，機床整體防護等外圍附件的水平偏低，故障頻發，導致整機的可靠性無法提高，用戶體驗不佳，成為國內機床廠商發展的瓶頸之一。

      1 、機床總體情況

      該機床為AB 擺角五坐標立式加工中心( 圖1) ，工作臺沿左右方向移動( X 坐標) ，立柱沿前后方向移動( Y 坐標) ，垂滑板沿上下方向移動( Z 坐標) ， 同時包括分別繞X 軸和Y 軸擺動的A、B 擺角，并可配備最高轉速4 000 ～ 6 000 r /min 的機械主軸，機床具有較高的剛性、精度及較大的主軸扭矩，適合加工以鈦合金、合金鋼等黑色金屬材料以及以鋁合金等輕金屬材料制成的各種復雜型面工件。機床占地100 ～ 120 m2，包括機床主體、電氣、液壓、冷卻、潤滑、排屑、刀庫等各功能部件( 圖2) 。

       2、 整體防護設計要素

      機床整體防護作為五坐標立式加工中心的重要組成部分，針對用戶對于機床在安全性、功能性和外觀性等方面的相應要求，為機床操作者提供安全保障，為機床正常加工提供功能支撐，為企業生產管理提供便利條件，同時還應滿足制造工藝性等方面的相應要求( 圖3) 。

      安全性方面，整體防護將機床加工區與非加工區分隔，防止加工過程中的切屑、冷卻液任意飛濺，隔離機床噪音，保護操作者的人身安全，同時保證刀庫、電氣柜、液壓站等功能部件正常工作。功能性方面，整體防護與機床的排屑器、導軌防護罩相配合，對切屑和冷卻液實現分類回收，利用防護門、刀庫門等裝置隔離加工區域的同時，實現人員進出、工件裝卸及自動換刀等相關功能，此外，整體防護還應避免與機床運動部件的干涉，提供必要的線纜管路布置通道等。

      外觀性方面，整體防護在考慮功用和可實現性的同時，應兼顧美觀性與可維護性，使操作人員易于操作，易于觀察機床工作狀態，保持舒暢的工作心情，并使機床與生產現場的整體環境相協調，利于現場清潔和生產管理等。

      工藝性方面，在滿足上述要求的同時，整體防護的零件應盡可能便于加工制造，便于裝配、運輸和二次裝配。良好的工藝性，能夠降低生產、裝配的難度，降低人力成本和運輸成本，也更易于保證零件質量。

 
      3 、樣機存在問題

      樣機的方案參考了小型加工中心的整體防護設計思路，在機床加工區形成了一個封閉的防護空間，在防護的相關要求上基本達到了相應的效果( 圖4) 。

      但由于該機床與常規的三坐標加工中心不同，各坐標行程較大( X 向4 000 mm，Y 向1 300 mm，Z 向800mm) ，且帶有AB 擺角，防護的區域大幅超出常規加工中心，樣機制造裝配過程中發現了較多問題，雖能保證機床正常加工，但制造難度較大，且不便于后期維護維修，效果不理想，主要問題如下:

      ( 1) 單個零件尺寸大，特別是整體移動式的防護門，輪廓尺寸達3 ～ 4 m，需要鋼板拼接，工作量大，且拼接后容易變形，影響整體效果，加之裝配搬運困難，容易造成二次變形，加大了裝配調整的難度，日常維護困難。

      ( 2) 僅在正面和兩側設有觀察窗口，可視區域較小，操作人員視線易被遮擋，又因是封閉防護，切削油霧附著在觀察窗表面，可視效果差。

      ( 3) 工作臺前后兩側用防護擋板將切屑和冷卻液導入螺旋排屑器中，排屑器長度達9 ～ 10 m，距離地面300 ～ 400 mm，防護擋板需要多塊拼接組裝，接縫處難以嚴格密封，機床周圍常有冷卻液溢出，影響生產現場環境( 圖5) 。

      ( 4) 機床X 向底座和Y 向底座交匯處是切屑和冷卻液的聚集區域，防護難以妥善處理，既要保證切屑和冷卻液順利導入排屑器，又要顧及X 向、Y 向移動部件防止干涉，同時要為刀庫移動和自動換刀提供相應的防護門和換刀空間，而且要避讓主軸及AB 擺角的運動范圍，多方面因素常常顧此失彼，導致切屑淤積，冷卻液回流不暢，不斷滲漏。

     4 、改進與優化設計

     針對上述問題，研究了國內外相似機床的防護設計，借鑒了我所橋式加工中心、龍門加工中心等成熟產品的防護經驗，與機床總體設計協調考慮，進行了如下設計改進與優化:

  
      ( 1) 針對AB 擺角加工中心的結構特點，分析切屑和冷卻液飛濺區域( 圖7) ，確定防護高度，取消頂部防護，整個結構更加便于工件裝卸，這一改進，使原有的整體移動式防護門，變為結構簡單的水平推拉門，門的尺寸和重量均大幅減小，有效抑制了鈑金焊接結構自身重力變形，上下支撐的導軌形式，避免了防護門的過定位約束，縮短了裝配調整時間，減小了開關門的阻力，避免了導軌滑塊的頻繁損壞( 圖8) 。

      ( 2) 將整體防護各零件尺寸進行標準化分割，限制在1 m × 2． 5 m 范圍內，將原有的整體框架與蓋板模式( 圖9) ，改為標準框架與擋板組成的標準尺寸組件，縮小單個零件的輪廓尺寸，相互連接組成防護主體，同時增加可拆卸擋板，便于對機床各部件和防護本身進行維護維修。每個標準框架中都設有觀察用窗口，與開放式的頂部結構相結合，充分利用了廠房環境的照明，擴大了操作者的視野范圍。該方案盡管增加了零件數量和裝配環節，但模塊化的設計，制造工藝性好，可重復性高，裝配運輸較為方便( 圖11) 。

     
      ( 3) 機床總體結構設計時改變排屑器的布置形式，將原有的兩個螺旋排屑器和一個鏈式排屑器的組合方式，改為較大尺寸的3 個鏈式排屑器并落入機床前后兩側的地溝中，由此改變了切屑由螺旋排屑器分別收集再到鏈式排屑器匯總的排屑方式，3 個鏈式排屑器分擔了整個切屑和冷卻液，避免了切屑在排屑器的局部堆積，降低了排屑負載，提高了排屑效率，由于地溝位于地面以下，整體防護的內部防水擋板可以獲得更大的傾斜角度，收集的切屑和冷卻液能夠迅速導入排屑器中，減少了液體在擋板表面的聚積和停留，并設計專用地坑回收冷卻液，因此同時解決了排屑能力不足和冷卻液滲漏地面的問題( 圖12) 。

       ( 4) 與機床總體設計相協調，改進Y 向導軌的防護方式，將原來的卷簾結構改為不銹鋼伸縮防護罩，并將YZ 向電纜管路的拖鏈布置外移，為立柱兩側留出必要的防護空間，同時調整刀庫的布局和換刀方式，將原先的刀庫直接送進的換刀方式改為由機械手送進，使刀庫遠離加工區域，從而簡化刀庫門的形狀結構，利于避讓主軸及擺角的運動區域，充分利用排屑器和地溝，將切屑和冷卻液及時導流，有效改善了切屑集中區域的防護效果( 圖13) 。

        5 、改進效果與小結

  
       通過一系列改進措施，形成了新的整體防護設計( 圖14) ，相比原有設計而言，設計、制造、裝配難度均大大降低，盡管因為零件數量的增加導致工作量有所增加，但結構相對簡單的零件更利于保證制造質量，同時減少不必要的裝配困難，該方案已在兩家用戶的3臺機床上得到實施，效果良好。

       整體防護部件與機床其他部件的不同在于，其他部件之間、零件之間多是一對一和一對二的裝配關系，整體防護部件中的每一個零件和焊接組件，通常與周圍3 個甚至更多的零部件存在裝配關系，一處修改影響相關的所有零件，設計工作量成倍增加，且零部件中多是對稱件或相似件，在零件編號、加工制造中容易造成混亂，在裝配過程中對零件的辨識和區分也存在一定困難，因此，在滿足功能需求的情況下，盡量減少零件數量，設計通用性強的結構件，成為整體防護設計人員不斷追求的目標。

      冷卻液的收集回流并防止滲漏，始終是困擾設計人員的重要問題，從液體流動的角度出發，如何引導更勝于如何阻擋，讓冷卻液體沿著設計好的通路迅速流走，避免在固定位置過多滯留，使用耐腐蝕的密封條和密封膠對縫隙進行處理，能夠較為理想的解決這一難題。

     同時，由于是整體防護，則要求設計、制造、裝配人員具有較強的全局概念，將機床主體結構和整體布局考慮其中，使整體防護的功用與機床功能、線纜布置相協調，及時溝通相互之間的問題，均衡調整尋求更佳解決方案，也是做好機床整體防護的重要因素。