数控加工中心用两自由度可伸缩防护装置的设计

刘广东，刘相岚

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040；2.哈尔滨职业技术学院，哈尔滨 150081）

0 引言

数控加工中心是一种科技含量高、精密度高的专门用于加工复杂曲面的先进制造装备，对航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力。 目前，多轴联动数控加工中心系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的手段之一。它具有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成多个面的加工[1]。

目前某些数控加工中心在零件加工时防护措施不够完备，灰尘容易落入机床内，冷却液等油雾易挥发出机床外造成污染环境。现有的常见的机床防护罩主要有以下几种形式，如铝型平帘防护罩、伸缩式丝杠防护罩、盔甲式防护罩、风琴防护罩、钢板防护罩、螺旋钢带防护罩和卷帘式机床防护罩等。它们都存在结构复杂、造价较高等缺点，某些防护罩仅能单自由度方向可伸缩，不能适应多轴加工中心的防护[2]。本文针对DMU50型五轴加工中心特点进行分析后，设计了一款防止灰尘等异物落入机床内，防止冷却油、冷却液等油雾挥发出机床外污染环境，且结构简单实用、易操作、易维修、成本低廉的防护罩。

1 加工中心结构

图1所示为DMU50型五轴加工中心模型，其中Ⅰ为加工中心最主要零部件电主轴，电主轴在电主轴壳Ⅲ内根据加工零件要求做沿Z轴伸缩运动，同时电主轴Ⅰ和电主轴壳Ⅲ一同在X-Y平面根据加工零件需要进行移动，移动范围为黑线所围合成的工作区面积Ⅳ[3]。当加工零件在工作区Ⅱ进行切削加工时，由于电主轴Ⅰ高速旋转进行切削零件时，产生大量热量，冷却液冷却时产生油雾。由于加工中心上方缺少防护设备，导致大量油雾从工作区Ⅱ上方散出，污染整个加工环境，给操作者身体造成影响，如果处理不当还易出现安全隐患。

图1 加工中心模型

目前加工中心多采用盔甲式防护罩，但是造价成本昂贵，安装繁琐。除此之外还有很多单自由度防护罩在简单时空机床上得到应用等，各有优缺点[4]。

2 结构介绍

有鉴于此，本文设计的一种五轴加工中心用两自由度可伸缩防护装置，结构简单实用，易操作维修。

2.1 主体结构

如图2所示，该装置主要构件如下：卷轴Ⅰ、卷轴Ⅱ、小卷轴、小卷轴滑道、2根机床连接架Ⅱ和主轴连接架，其中卷轴Ⅰ和卷轴Ⅱ置于X-Y平面内相互平行，且通过螺钉固定连接在机床主轴工作区的左右两侧。卷轴Ⅰ和卷轴Ⅱ在X-Y平面水平设置，卷轴Ⅰ和卷轴Ⅱ远离机床主轴的一端通过与图2中构件4小卷轴滑道焊接连接形成“凹”型框体。其中小卷轴一侧安装有2对滑轮，可使小卷轴跟随电主轴工作时在小卷轴滑道内沿X轴正负向快速滑动。卷轴Ⅰ、卷轴Ⅱ、小卷轴壳体内都设有可水平伸缩的耐油防尘布，可根据外力变化进行自由伸缩，卷轴Ⅰ、卷轴Ⅱ内的耐油防尘布的自由端均与一机床连接架Ⅱ通过螺钉固定连接。2根机床连接架Ⅱ的一端与图2中小卷轴5的两端固定连接，2个机床连接架Ⅱ的另一端与加工中心的竖直框型背板固定连接。小卷轴内的防尘布的自由端与主轴连接架固定连接。主轴连接架固定在机床主轴外的壳体上。主轴连接架跟随电主轴沿2个机床连接架Ⅱ沿Y 向正负向移动。壳体随机床主轴实现沿X向和Y向移动，进而壳体带动框型背板沿X向移动，框型背板带动2个机床连接架Ⅱ实现沿X向移动。

图2 两自由度伸缩防护罩简图

卷轴Ⅰ与机床连接架Ⅰ固定连接，卷轴Ⅰ通过机床连接架Ⅰ来使卷轴Ⅰ和卷轴Ⅱ高度相等，只有2个卷轴高度相等，且均为水平状态，防尘布才能够平缓地从各自卷轴中拉出。

2.2 主体结构

壳体为长方体状，主轴连接架为“几”字型结构。

长方体状壳体背部左右两侧设有推片，推片设置在框型背板内，壳体运动带动推片推动框型背板横向运动。

框型背板的左右两侧均与盔甲防护板连接，盔甲防护板竖直设置在工作台外围。机床主轴沿X轴正负向运动时带动框型背板左右两侧的盔甲式防护板推片伸缩运动[5]。

小卷轴上设有与小卷轴滑道配合的滑轮，且均设置在小卷轴侧面，小卷轴通过滑轮在小卷轴滑道内滑动，摩擦力小，便于移动[6]。

卷轴Ⅰ、卷轴Ⅱ的防尘布的自由端均通过螺栓与一机床连接架Ⅱ固定连接，小卷轴内的防尘布的自由端通过螺栓与主轴连接架固定连接，连接固定，不易脱落。

本文所述的DMU50型五轴加工中心用两自由度可伸缩防护装置具有以下优点：在X轴（横向）和Y轴（纵向）方向分别设置可伸缩防尘布卷轴，随着机床主轴在X轴和Y轴方向运动，该装置在同方向上进行伸缩，起到对机床的防护作用。结构简单实用，易操作、维修、更换零部件，成本低廉。

3 工作原理

伸缩防护罩各尺寸卷轴，均采用伸缩性良好、卷曲不受限的耐油防尘布，防尘布卷曲在金属卷轴盒内部，防尘布自由端与主轴连接架固定，当机床主轴按照指令在XY平面内进行移动加工产品时，防尘布通过主轴连接架进而跟随主轴移动的位移大小进行伸缩，从而完成封闭加工空间，阻止油雾挥发外泄污染环境，并可阻止外界灰尘等杂质进入加工区域，影响加工精度等[7]。

图3所示为防护罩主轴安装图，机床主轴沿X轴方向（横向）运动时，带动机床主轴外的壳体沿X方向（横向）运动，壳体通过背部左右两侧设置的推片来实现对框型背板的X方向（横向）推动，框型背板带动2个机床连接架Ⅱ横向移动，从而实现卷轴Ⅰ和卷轴Ⅱ内防尘布的伸缩；机床主轴沿Y方向（纵向）运动时，带动机床主轴外的壳体沿Y方向（纵向）运动，由于主轴连接架固定在壳体上，因此主轴连接架沿Y方向（纵向）运动，从而实现小卷轴内的防尘布的伸缩，由于小卷轴可在小卷轴滑道4内移动，因此机床主轴沿X方向（横向）运动时，小卷轴会跟随两个机床连接架Ⅱ横向移动。

图3 防护罩主轴安装图

工作时，卷轴Ⅰ、小卷轴滑道、卷轴Ⅱ、机床连接架Ⅱ、主轴连接架分别与机床及主轴直接或间接固定连接，机床主轴在机身、卷轴Ⅱ、工件小卷轴滑道、卷轴Ⅰ范围内拉出大小3个防尘布，按机床程序不定向运动，从而在机床加工工件时避免主轴高速旋转切削工件时带来的冷却液、冷却油雾化而挥发出来的污染，保护车间环境及机床操作人员的健康[8]。

4 结论

本文根据DMU50型加工中心的结构特点巧妙地设计了两自由度伸缩防护罩，可根据电主轴的移动实现防护罩在X-Y平面内跟随伸缩，该装置不但极大降低了加工环境的污染，而且成本低廉，对于其他类型加工中心防护装备具有参考意义。