摘要: 以某五坐标立式加工中心为例，介绍了整体防护部件的关键设计要素，分析并改进了原有结构，用全新的思路实现了相关功能，兼顾外观性与制造工艺性，为类似机床的相关设计提供借鉴和参考。

      关键词: 加工中心; 整体防护; 设计要素

      世界总体经济形势的变化，推动我国制造业的变革与发展，高档数控机床在国内用户中的认知程度不断加深，其高刚性、高精度、高可靠性、高适应性的特点能够满足不同行业、不同产品加工的多样化需求，逐步成为用户在采购、更新机床设备时的首选。质量优秀的高档数控机床在其全寿命使用期间，能够为用户提供更高的加工效率，更广的加工范围，更低的维护成本，从而为企业创造更大的收益。

      五坐标立式加工中心作为高档数控机床中的一员，其市场长期被国际主要机床生产厂商垄断。随着“高档数控机床与基础制造装备”等科技重大专项的逐步实施，国产机床厂商在这一领域崭露头角，诞生了一批性能优异的设备，功能逐步完备。高端的市场定位，注定其必须在各项指标和功能上达到甚至超过国外厂商，才能在激烈竞争的市场中占据一席之地，这就对各厂商在机床设计研发、生产制造、售后服务各环节提出了更高的要求。目前，机床整体防护等外围附件的水平偏低，故障频发，导致整机的可靠性无法提高，用户体验不佳，成为国内机床厂商发展的瓶颈之一。

      1 、机床总体情况

      该机床为AB 摆角五坐标立式加工中心( 图1) ，工作台沿左右方向移动( X 坐标) ，立柱沿前后方向移动( Y 坐标) ，垂滑板沿上下方向移动( Z 坐标) ， 同时包括分别绕X 轴和Y 轴摆动的A、B 摆角，并可配备最高转速4 000 ～ 6 000 r /min 的机械主轴，机床具有较高的刚性、精度及较大的主轴扭矩，适合加工以钛合金、合金钢等黑色金属材料以及以铝合金等轻金属材料制成的各种复杂型面工件。机床占地100 ～ 120 m2，包括机床主体、电气、液压、冷却、润滑、排屑、刀库等各功能部件( 图2) 。

       2、 整体防护设计要素

      机床整体防护作为五坐标立式加工中心的重要组成部分，针对用户对于机床在安全性、功能性和外观性等方面的相应要求，为机床操作者提供安全保障，为机床正常加工提供功能支撑，为企业生产管理提供便利条件，同时还应满足制造工艺性等方面的相应要求( 图3) 。

      安全性方面，整体防护将机床加工区与非加工区分隔，防止加工过程中的切屑、冷却液任意飞溅，隔离机床噪音，保护操作者的人身安全，同时保证刀库、电气柜、液压站等功能部件正常工作。功能性方面，整体防护与机床的排屑器、导轨防护罩相配合，对切屑和冷却液实现分类回收，利用防护门、刀库门等装置隔离加工区域的同时，实现人员进出、工件装卸及自动换刀等相关功能，此外，整体防护还应避免与机床运动部件的干涉，提供必要的线缆管路布置通道等。

      外观性方面，整体防护在考虑功用和可实现性的同时，应兼顾美观性与可维护性，使操作人员易于操作，易于观察机床工作状态，保持舒畅的工作心情，并使机床与生产现场的整体环境相协调，利于现场清洁和生产管理等。

      工艺性方面，在满足上述要求的同时，整体防护的零件应尽可能便于加工制造，便于装配、运输和二次装配。良好的工艺性，能够降低生产、装配的难度，降低人力成本和运输成本，也更易于保证零件质量。

 
      3 、样机存在问题

      样机的方案参考了小型加工中心的整体防护设计思路，在机床加工区形成了一个封闭的防护空间，在防护的相关要求上基本达到了相应的效果( 图4) 。

      但由于该机床与常规的三坐标加工中心不同，各坐标行程较大( X 向4 000 mm，Y 向1 300 mm，Z 向800mm) ，且带有AB 摆角，防护的区域大幅超出常规加工中心，样机制造装配过程中发现了较多问题，虽能保证机床正常加工，但制造难度较大，且不便于后期维护维修，效果不理想，主要问题如下:

      ( 1) 单个零件尺寸大，特别是整体移动式的防护门，轮廓尺寸达3 ～ 4 m，需要钢板拼接，工作量大，且拼接后容易变形，影响整体效果，加之装配搬运困难，容易造成二次变形，加大了装配调整的难度，日常维护困难。

      ( 2) 仅在正面和两侧设有观察窗口，可视区域较小，操作人员视线易被遮挡，又因是封闭防护，切削油雾附着在观察窗表面，可视效果差。

      ( 3) 工作台前后两侧用防护挡板将切屑和冷却液导入螺旋排屑器中，排屑器长度达9 ～ 10 m，距离地面300 ～ 400 mm，防护挡板需要多块拼接组装，接缝处难以严格密封，机床周围常有冷却液溢出，影响生产现场环境( 图5) 。

      ( 4) 机床X 向底座和Y 向底座交汇处是切屑和冷却液的聚集区域，防护难以妥善处理，既要保证切屑和冷却液顺利导入排屑器，又要顾及X 向、Y 向移动部件防止干涉，同时要为刀库移动和自动换刀提供相应的防护门和换刀空间，而且要避让主轴及AB 摆角的运动范围，多方面因素常常顾此失彼，导致切屑淤积，冷却液回流不畅，不断渗漏。

     4 、改进与优化设计

     针对上述问题，研究了国内外相似机床的防护设计，借鉴了我所桥式加工中心、龙门加工中心等成熟产品的防护经验，与机床总体设计协调考虑，进行了如下设计改进与优化:

  
      ( 1) 针对AB 摆角加工中心的结构特点，分析切屑和冷却液飞溅区域( 图7) ，确定防护高度，取消顶部防护，整个结构更加便于工件装卸，这一改进，使原有的整体移动式防护门，变为结构简单的水平推拉门，门的尺寸和重量均大幅减小，有效抑制了钣金焊接结构自身重力变形，上下支撑的导轨形式，避免了防护门的过定位约束，缩短了装配调整时间，减小了开关门的阻力，避免了导轨滑块的频繁损坏( 图8) 。

      ( 2) 将整体防护各零件尺寸进行标准化分割，限制在1 m × 2． 5 m 范围内，将原有的整体框架与盖板模式( 图9) ，改为标准框架与挡板组成的标准尺寸组件，缩小单个零件的轮廓尺寸，相互连接组成防护主体，同时增加可拆卸挡板，便于对机床各部件和防护本身进行维护维修。每个标准框架中都设有观察用窗口，与开放式的顶部结构相结合，充分利用了厂房环境的照明，扩大了操作者的视野范围。该方案尽管增加了零件数量和装配环节，但模块化的设计，制造工艺性好，可重复性高，装配运输较为方便( 图11) 。

     
      ( 3) 机床总体结构设计时改变排屑器的布置形式，将原有的两个螺旋排屑器和一个链式排屑器的组合方式，改为较大尺寸的3 个链式排屑器并落入机床前后两侧的地沟中，由此改变了切屑由螺旋排屑器分别收集再到链式排屑器汇总的排屑方式，3 个链式排屑器分担了整个切屑和冷却液，避免了切屑在排屑器的局部堆积，降低了排屑负载，提高了排屑效率，由于地沟位于地面以下，整体防护的内部防水挡板可以获得更大的倾斜角度，收集的切屑和冷却液能够迅速导入排屑器中，减少了液体在挡板表面的聚积和停留，并设计专用地坑回收冷却液，因此同时解决了排屑能力不足和冷却液渗漏地面的问题( 图12) 。

       ( 4) 与机床总体设计相协调，改进Y 向导轨的防护方式，将原来的卷帘结构改为不锈钢伸缩防护罩，并将YZ 向电缆管路的拖链布置外移，为立柱两侧留出必要的防护空间，同时调整刀库的布局和换刀方式，将原先的刀库直接送进的换刀方式改为由机械手送进，使刀库远离加工区域，从而简化刀库门的形状结构，利于避让主轴及摆角的运动区域，充分利用排屑器和地沟，将切屑和冷却液及时导流，有效改善了切屑集中区域的防护效果( 图13) 。

        5 、改进效果与小结

  
       通过一系列改进措施，形成了新的整体防护设计( 图14) ，相比原有设计而言，设计、制造、装配难度均大大降低，尽管因为零件数量的增加导致工作量有所增加，但结构相对简单的零件更利于保证制造质量，同时减少不必要的装配困难，该方案已在两家用户的3台机床上得到实施，效果良好。

       整体防护部件与机床其他部件的不同在于，其他部件之间、零件之间多是一对一和一对二的装配关系，整体防护部件中的每一个零件和焊接组件，通常与周围3 个甚至更多的零部件存在装配关系，一处修改影响相关的所有零件，设计工作量成倍增加，且零部件中多是对称件或相似件，在零件编号、加工制造中容易造成混乱，在装配过程中对零件的辨识和区分也存在一定困难，因此，在满足功能需求的情况下，尽量减少零件数量，设计通用性强的结构件，成为整体防护设计人员不断追求的目标。

      冷却液的收集回流并防止渗漏，始终是困扰设计人员的重要问题，从液体流动的角度出发，如何引导更胜于如何阻挡，让冷却液体沿着设计好的通路迅速流走，避免在固定位置过多滞留，使用耐腐蚀的密封条和密封胶对缝隙进行处理，能够较为理想的解决这一难题。

     同时，由于是整体防护，则要求设计、制造、装配人员具有较强的全局概念，将机床主体结构和整体布局考虑其中，使整体防护的功用与机床功能、线缆布置相协调，及时沟通相互之间的问题，均衡调整寻求更佳解决方案，也是做好机床整体防护的重要因素。