数控机床防护门结构设计与安全性探究

王珂

关键词：数控机床 激光切割 防护门 安全性 设计研究

1 引言

随着激光发生器功率的提升以及激光切割工艺的不断改进，厚板切割已经不再是制约激光切割机市场推广的障碍，其中高速激光切割数控机床的高效与高质在很大程度上提高了加工精度和生产效率，已经逐渐成为3C 精密加工、轨道机车、船舶、汽车行业零部件制造，重型机械等场合的首要生产设备。根据公开数据，至2017 年为止，国内金属制造业激光切割机的使用率已经达到了70%以上。国内激光设备生产厂家借助于价格优势，占领大部分国内市场。但反观出口数据，2018 年全年出口金额达到7.24 亿美金，仅占到中国激光设备市场的8% 左右，还有巨大提升空间，国内企业很难将整机产品出口到发达国家地区，一个重要原因就是设备防护及安全方面达不到欧盟CE（CONFORMITEEUROPEENNE，欧洲统一）认证及美ANSI标准。欧盟CE 认证标准中适用于激光切割机主要标准是：EN ISO 11553-2017，机械的安全性. 激光加工机械标准。用于激光切割设备的大功率激光器，如CO2 激光、光纤激光，以及近几年发展的半导体直接二极管激光器（DDL），激光产品分类将其定义为第四级激光产品，此类激光产品不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤，而且损伤相当严重，并且其漫反射光也可能给人眼造成损伤。激光机床技术高速发展，不仅对设备外观有要求，各国对安全性能也有要求，对机床操作区域的全包围防护已经是刻不容缓的发展趋势。设计一个在功能上满足使用，开启尺寸足够大，开启过程安全可靠，并实现自动化控制的防护门结构存在一些困难。

设计过程中需要解决的问题：

本着以人身安全作为第一考虑因素的原则，数控激光切割机床应在工作区域外设有安全防护装置，用以防止加工操作人员接近或直视工作区域，激光切割原料依据切割幅面不同，一般是3mx1.5m 和4mx2m 幅面的板料，为了将板料布置到切割区域，需要一个防护门，在进出物料时开启，切割加工时关闭。据此进行数控激光切割机床进出物料的上下开启自动门优化设计。要求达到在功能上滿足使用，开启过程安全可靠，实现自动化控制，电气控制满足欧盟标准的安全规范。

2 机械结构方案确定

实现动作：上下方向开启，满足工作台进出物料。动力源：压缩空气，压缩空气是最常用的自动门动力，通过电磁阀控制气缸伸缩实现自动门的开启关闭动作，有效简化机械结构，避免冗余电气控制，应用广泛。

2.1 针对上下方向的开门结构，必须要解决一个关键问题即如何克服门的自重，否则在断电断气等意外情况下，门将会在自重作用下自动落下，造成严重安全隐患或者设备损坏。针对这一问题，目前一般有两种解决方案，（1）使用配重块以克服门自重，结构原理是：将钢丝绳一端连接到门上，绕过滑轮组，将另一端连接到与门等重的配重块上。这种方案原理简单，但在使用过程中存在一些问题，例如机构质量加倍，启停惯量增加，对开启和停止瞬间动力源的要求较高，运行速度不均匀，还需要设计额外的阻尼结构，配重机构架构复杂，占用空间大，阻尼结构有磨损需要时常调整，因此这种防护门结构只适用于开启频率不高的手动控制防护工况下。（2）使用储能机构克服门自重，这是目前国外机床防护的趋势，具体实施是在门顶部，组合同步轴、扭簧、刹车片、离合器等元件，通过扭簧的储能功能，克服门自重，通过离合器的作用，门随时在任意位置刹停。这种结构紧凑，但设计上是一门一例，一般情况下是自动化公司与主机厂协同设计，设计周期长，成本较高。充分考虑以上情况和本设备的现有要求，本设计防护门需要在在中部开启与关闭，因此巧妙的将门一分为二（图1），通过设计结构类似的两块门板，并将两块门板两侧分别连接到循环运转的同步带两侧，同步带在循环中两侧皮带运动方向相反（图2）。同步带机构在循环时候分别带动上下门板朝相反方向运动，气缸杆缩回时两个防护门板同步反向开启，气缸杆伸出时两个防护门板同步同向关闭，不仅满足了开门的空间要求，还实现了在一个气缸行程内实现两倍的门开启尺寸，两倍开启速度。上下门板结构类似，门体重量互相抵消，大大降低动力要求，不会因为失去动力情况下，自动闭合，提高了安全性。

2.2 根据电磁阀的使用特性，选用三位五通电磁阀，中位机制为中封，以此保证停电、断气状况下，防护门的位置能较长时间保持原有关闭状态。

2.3 防护门设计的第二个问题即大跨度的门板容易在运行中卡死。数控切割机床门框架结构多为钣金折弯件或型材焊接框架。门结构形状各异，尺寸较大，自身结构刚性有限，考虑加工费用和使用强度不高，没有必要对其进行焊后二次加工。各安装部位均是焊前加工到位，直接组装。因此造成运行不畅原因一般有（1）两侧导轨平行度、高度差达不到安装要求;（2）防护门刚性不足门板发生变形卡死;（3）单一动力源布置位置的偏差造成受力偏差引起两侧速度不一致造成的卡死。

设计中两侧导轨选用直线导轨，门框架焊接精度直接影响门能否运行流畅，因此焊接件广泛采用插槽工艺，一方面利用插槽开口方向的区别在下料、折弯、焊接过程有效的“防呆”，避免加工中出现错误;另一方面插槽有一定的深度，各部件组合时候通过插槽的直角边，两两之间自定位。在基本的焊接条件下，框架的尺寸及安装位置误差能控制在1-3mm 内。

运行过程中，防护门刚性不足是造成卡死的重要原因，大跨度的门板，想要满足足够的刚性非常困难，在设计过程中，反其道而行，减少横向加强筋板的数量，使其在中部施加200N 里的情况下，整体挠度能达到3-5mm，并且将门板与导轨滑块连接处，四周进行开槽处理，通过门板运行过程自身的结构尺寸的微小变化，抵消两侧导轨不平行，不等高造成的卡死问题。

单一动力源布置位置的偏差造成受力偏差容易造成运行卡死，此结构中，单一气缸已满足门工作动力要求，将其布置在结构几何中心能减少两侧受力不平衡的情况，但是，无论是中间布置一个气缸，或者靠近导轨两侧分别布置两个气缸，均无法避免结构尺寸误差造成两侧移动速度不一致导致的卡死情况，既往经验告诉我们，机械同步是最好的同步方式。因此次结构中在门框架底部设置一根传动轴，通过轴两端的键将轴与两侧下部带轮周向连接在一起。使两侧同步带机构连成一个整体，使两侧移动速度时刻保持一致。

在安装调试过程中，可在基本连接紧固的前提下，通过手推、电磁阀点动的形式，让整体结构跑合运行流畅后再锁紧所有紧固件，最终达到整体机构运行流畅。

3 控制及安全电路设计

见下图。电气控制元件：Y1 开门阀，Y2关门阀，B1 开门检测开关，B2 关门检测开关，S1 安全门开关。

电气工作原理：门通过电磁阀的开关（Y1，Y2）动作来使气缸动作带动整个安全门一起动作。动作完成后，在气缸上有检测气缸的磁开关（B1，B2）检测气缸是否到位。当安全门关闭后通过插入式安全开关检测，安全开关双通道信号同时触发，并将信号输出到数控系统提供的安全集成功能，满足欧盟 CE认证的要求和标准。

4 结语

本结构设计实现了某一数控激光切割设备防护门，在进出物料时开启，切割工作时关闭防护的自动控制。具有开启最大尺寸达到气缸行程两倍，开启速度达到气缸速度两倍，利用同步轴机械同步解决了单一动力源驱动情况下两侧运行速度不一致导致的运行不畅以及卡死的问题，在失去动力时候不会因自重迅速下落，运行过程经实际检验安全可靠。整体结构从密封性，电气控制性均满足欧盟CE 标准中对激光切割设备的安全要求。整体结构具有较好的借鉴意义。