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高速防护装置的结构设计与优化 摘要 高档数控机床作为具有高科技含量的现代化机械设备，是实现机 械制造技术和设备制造业现代化的重要基础。随着高速高精度机床在 主轴速度、进给速度、精密化、可靠性上的大幅度升高，对数控机床 的防护的要求也越来越高，对高速高精度机床防护的研究也应不断的 深入。机床导轨防护装置是用来保护机床导轨的必备设备，它可以保 护机床导轨表面，保持机床导轨的精度，避免外界的腐蚀和破坏，以 及受空气中灰尘、杂质和腐蚀性气体的污染。高速防护装置在工作时， 需要承受数控机床所产生的冲击和共振，不能因为高速防护装置自身 的设计和制造的质量，影响数控机床在工作时的各种动作、精度。所 以对高速导轨防护装置做认真的研究，设计出满足高速高精度机床要 求的高速防护装置。 本文以三维c a d 软件p r o e n g i n e e r3 o 和有限元分析软件a n s y s w o r k b e n c h 为工具，在前人研究的基础上，对高速防护装置做了如下 几方面的研究工作： ( 1 ) 研究高速防护装置各个运动部件之间的运动关系，分析最大 拉伸长度、收缩长度以及高速防护装置罩片数量等影响因素。对高速 防护装置的主要部件快速伸缩机构与高速防护装置罩片的连接状态 进行研究，设计出它们的连接方式； ( 2 ) 通过三维c a d 软件p r o e 对快速伸缩机构建立三维模型，并进 行装配，利用p r o e 的运动仿真模块对快速伸缩机构进行运动仿真。 研究快速伸缩机构各个铰接节点之间的运动关系，分析高速防护装置 的速度、加速度等运动特性； ( 3 ) 采用三维绘图软件p r o e 建立了高速防护装置的三维模型， 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对高速防护装置整机进行模态分析， 得出高速防护装置罩片数量对其模态频率的影响； ( 4 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对高速防护装置整机进行应 力分析，得出高速防护装置的变形情况； ( 5 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对快速伸缩机构进行有限元 建模，并且进行瞬态动力学分析，得出快速伸缩机构的杆件几何尺寸 对其工作响应能力的影响； ( 6 ) 用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 对快速伸缩机构进行有 限元建模及网格划分，进行有限元动力学分析，得出当伸缩机构受垂 直于运动方向的力作用时，其杆件所受的应力大小。 本文的创新点： 运用有限元分析软件对高速防护装置整机进行受力分析，从整体 上对高速防护装置的变形有了定性了解。通过施加瞬态载荷，分析三 种不同尺寸的快速申诉机构的动态响应，得出几何尺寸对快速伸缩机 构的动态响应的影响。 关键字：高速机床，高速防护装置，p r o e ，a n s y sw o r k b e n c h ， 有限元分析，运动仿真 h i g hs p e e dp r o t e c t i v ee q u i p m e n t s t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o n a b s t r a c t i nt h em o d e r n i z a t i o no fm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t ，h i g hs p e e dc n c m a c h i n et o o l sa r ea l l i m p o r t a n tp a r t o fm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n dt h e e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h eq u a l i t y q u a n t i t y o fh i 曲p e r f o r m a n c ec n cm a c h i n et o o l si sa ni m p o r t a n t m e a s u r e m e n to ft h el e v e lo fam o d e mi n d u s t r i a l i z e dc o u n t r y h i 曲s p e e d ， h i 曲p r e c i s i o nm a c h i n et o o l sa r es u b s t a n t i a l l yo nt h er i s e r e g u i r e m e n t s f o rc n cm a c h i n et o o l sa r ei n c r e a s i n g l yh i g h t h em a c h i n et o o l p r o t e c t i o nd e v i c ei su s e dt og u i d et h en e c e s s a r ye q u i p m e n tf o rm a c h i n e t o o l s ，a n dt op r o t e c tt h er a i l sm a c h i n es u r f a c e t h i sm a i n t a i n sa c c u r a c y i nm a c h i n et o o lg u i d e ，a v o i d i n gc o r r o s i o na n dd a m a g ef r o ma i r ，d u s t ， i m p u r i t i e sa n dc o r r o s i v eg a s e s h i g hs p e e dh i g hp r e c i s i o nc n c m a c h i n e t o o l sa r et h em a i nt r e n di nt h ef u t u r ei nt h em o d e mh i g hs p e e dp r e c i s i o n m a c h i n i n gm a n u f a c t u r i n gf i e l d t ow i t h s t a n dt h ei m p a c to fc n c m a c h i n e t o o l sa n dr e s o n a n c e ，g u a r dr a i l sa r en e e d e dn o to n l yf o rt h e i ro w nd e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fq u a l i t y ，b u ta l s oc n cm a c h i n et o o l sa tw o r k h i 曲 s p e e dp r o t e c t i v ed e v i c e sm u s tb ed e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f h i 曲s p e e dp r e c i s i o nm a c h i n eg u a r d st oa c h i e v ef u r t h e rd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r ，p r o es o f t w a r ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y sw o r k b e n c hw e r eu s e dt od ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： ( 1 ) s o f t w a r ep r o ew a s u s e dt oc r e a t eat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f e a c hp a r t t h e ne a c hp a r tw a sa s s e m b l e d t h em a c h i n e sm o t i o nw a s s i m u l a t e db yp r o e t h es p e e do fh i g h s p e e dp r o t e c t i v ed e v i c e ss p e e d ， a c c e l e r a t i o na n do t h e rd y n a m i cp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d ( 2 ) t ot h em o v e m e n to f a l lm o v i n gp a r t s w a ss t u d i e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl e n g t ha n dt h em a x i m u ms t r e t c h ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n t r a c t i o no fl e n g t ha n dt h eq u a l i t yo ft h ep r o t e c t i v ec o v e rg u a r dw e r e s t u d i e d t h e s y n c h r o n i z a t i o n m e c h a n i s ma n d p r o t e c t i v e c o v e rf o r c o n n e c t i o nw e r es t u d i e dt os e l e c tt h eb e s tc o n n e c t i o n ( 3 ) p r o ew a su s e dt oe s t a b l i s ha3 一dm o d e lo ft h eh i g hs p e e d m a c h i n et o o l st e l e s c o p i cc o v e r s a n s y sw o r k b e n c hw a su s e dt o m a n a l y z et h es t r e s s e si nt h em o d e l t h e n d e v i c e sw a so b t a i n e d ； t h ed e f o r m a t i o no ft h ep r o t e c t i v e ( 4 ) p r o ew a su s e dt oe s t a b l i s ha3 一dm o d e lo ft h eh i g hs p e e d m a c h i n et o o l st e l e s c o p i cc o v e r s m o d a la n a l y s i sw a su s e di na n s y s w o r k b e n c ht of i n dt h e g u a r dd e v i c e s si n f l u e n c eo nt h em o d a l f r e q u e n c i e s ( 5 ) a n s y sw o r k b e n c hw a su s e dt oa n a l y z et h er a p i de x p a n s i o n s t r u c t u r ea n dt h et r a n s i e n t d y n a m i ct o o b t a i nt h e r a p i de x p a n s i o n g e o m e t r y ( 6 ) f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n dm e s h i n gw e r eu s e di na n s y s w o r k b e n c ht o p e r f o r m f i n i t ee l e m e n t d y n a m i ca n a l y s i s t h e c o n c u l s i o nw a st h a tw h e nt h e s t r e t c h i n gf o r c ei sp e r p e n d i c u l a rt ot h e d i r e c t i o no fm o t i o n ，t h es t r e s s e sc o u l db ef o u n d k e y w o r d s ：h i 曲- s p e e dc n cm a c h i n et o o l s ，t e l e s c o p i cc o v e r s ， p r o e ，a n s y sw o r k b e n c h ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o v e m e n t s i m u l a t i o n i v 高速防护装置的结构设计与优化 1 绪论 1 1 课题目的、背景及意义 高速防护装置，是改善导轨的工作环境，保护导轨精度，提高导轨使用寿命的重要 设备。它可以保护机床导轨的表面，使导轨表面不受外界切削液的腐蚀和切屑的破坏， 以及免受灰尘、杂质和腐蚀性气体的污染。随着高速切削机床运动速度的不断提高，传统 的伸缩式导轨防护装置由于其运动速度不能超过3 0 m m i n ，因此不能满足高速切削机床 使用要求，必须采用具有快速伸缩机构的高速防护装置。与传统的伸缩式导轨防护装置相 比，具有快速伸缩机构的高速防护装置具有以下优点： ( 1 ) 移动速度和加速度高：移动速度可达6 0 1 2 0 m m i n ，加速度可达2 9 。 ( 2 ) 工作时，噪声低，运行平稳。 本课题目的在于研究开发出一种快速移动速度达到或超过6 0 m m i n ，加速度超过2 9 的高速机床用导轨防护装置。 高档数控机床作为具有高科技含量的现代化机械设备，是实现机械制造技术和设备 制造业现代化的重要基础，高档数控机床的性能、质量和拥有的数量是衡量一个国家现 代工业化水平、综合国力的重要标志。高档数控机床的发展直接关系到国家的经济建设 和国防安全。尽快缩小国产加工中心与国际水平的差距，是我国机床工业的当务之急。 2 0 世纪9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发高档高速数控机床，加快了机床高速化 发展的步伐。在数控机床上采用高速主轴单元，转速可达1 5 0 0 0 一1 0 0 0 0 0 r m i n ，最高转速 达2 0 0 0 0 0 r m i n 。在进给速度上也有很大的提升，在分辨率为0 o l u m 时，最大进给速度 达到2 4 0 m m i n ，并且可获得复杂型面的精确加工。 随着高速高精度机床在主轴速度、进给速度、精密化、可靠性上的大幅度升高，对 数控机床的防护的要求也越来越高，对高速高精度机床的防护的研究也应不断深入。伴 随着制造业对数控加工高速高精度方面的要求，普通导轨防护罩已不能满足数控机床高 移动速度，高加、减速能力的要求，机床生产厂家对满足数控机床高移动速度，高加、 减速能力的高速防护装置的需求量也越来越大。高速防护装置需要能够承受数控机床所 产生的冲击和共振，不能因为高速防护装置的自身设计和制造质量，影响机床的各种动 作和精度。所以我们需要对高速防护装置做认真的研究，设计出满足现代高档数控机床 要求的高速防护装置，以满足数控机床的发展趋势，实现高档数控机床的进一步发展。 1 2 国内外高速防护装置现状及发展趋势 。 当前，高速防护装置已成为保护机床精密导轨、滚珠丝杆、行程开关、电缆等零件， 避免切屑和冷却液的腐蚀和损伤，并美化数控机床外观的必备装备。对高速防护装置的 陕西科技大学硕士学位论文 研究，如德国，日本，他们在高速防护装置的外形尺寸上得到了经验设计公式。在形式 上有伸缩式和导轨式伸缩机构两种形式，如图1 - 1 ，并且设计出了很多适应各种条件的 刮板，如图1 - 2 。 ( a ) 伸缩式高速防护装置 ( a ) t e l e s c o p i cc o v e rw i t hh a r n e s sm e c h a n i s m ( b ) 有轨式高速防护装置 c o ) t e l e s c o p i cc o v e rw i t hp r o v e nh a r n e s sm e c h a n i s m 图1 - 1 国外的高速防护装置 f i g ：l - lt e l e s c o p i cc o v e r sa b r o a d 2 高速防护装置的结构设计与优化 图卜2 刮板 f i g l 一2 w i p e r s 台湾的引兴公司从早期就开始专注于数控机床高速防护装置的研发和制造，其生产 制造的高速防护装置达到了先进水平，并且在行业中保持着领先。引兴公司在快速伸缩 机构上，采用自主设计的快速伸缩机构。该快速伸缩机构改善了数控机床高速工作下， 快速伸缩机构两侧滚轮上下移动与左右不在同一直线上的问题，并且两侧滚轮安装在每 片高速防护装置罩片上，这样减低了由于摩擦阻力所产生的力距使得高速防护装置罩片 出现的倾斜现象。台湾引兴公司生产的高速防护装置的技术规格与说明，如表卜1 所示。 主要的关键性技术，如表卜2 。 表1 - 1 台湾引兴公司的技术规格说明 t a b 1 1 s p e c i f i c a t i o n sf r o mt a i w a ny i n x i n g 3 陕西科技大学硕士学位论文 表1 - 2 台湾引兴公司的主要关键性技术 t 出1 - 2t a i w a nd i r e c t st ob ep o p u l 盯c o m p a n y sm a i nc r u c i a lt e c h n o l o g y 国内对高速防护装置的研究和制造经过十几年的发展，基本上掌握了关键技术。我 国沈阳机床厂的杨沛湛先生对普通钢制机床防护装置结构进行了研究，并分析了各参数 之间的相互关系，如：拉伸到最大时的总长度、行程、节数、压缩到最小时的长度、防 护宽度等等。但是由于受我国制造业水平的限制，高速防护装置的发展却一直滞后于发 达国家。因此，国内需要制造出高水平的高速防护装置，来满足国内的需要。 1 3 课题的来源 课题来自陕西科技大学机电工程学院于2 0 0 9 年6 月申请的国家“高档数控机床与基 础制造装备”科技重大专项子课题，项目编号2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 - 0 1 4 。 1 4 技术难点分析 1 4 1 高速防护装置的运动平稳性 在生产条件下高速防护装置的运动部分跟随机床的运动部件运行，要适应机床的运 行状态。在高速时( 快速移动时) ，保证不脱节，振动小，在低速时( 加工进给时) 不爬行， 运行平稳，并且响应快速等。高速防护装置安装在机床上以后，如何保证具有以上的工 作性能，是本课题面临的一个难题。 1 4 2 高速防护装置结构优化 传统拖拽式防护装置是借着一片推动一片来产生位移，所以无论是收合或是拉伸， 都需以拖拉和撞击的方式来产生推动及缩合的力量。因此在高速运行下，不仅造成极大 噪声，也使防护装置因不能平稳运动而产生结构损坏，甚至可能被瞬间撞损而造成机械 受损、工件受损、人员受伤等。在面对高速机床的高速、高精度和多元的加工条件，高 速防护装置的结构设计及制造如何满足机床的工作要求，是本课题的又一个难点。 1 4 3 高速防护性能及共振、冲击、噪音研究 现代工业环境在不断的提升，对数控机床在生产时产生的噪声都有严格的规定。在 生产时，需要高速防护装置产生的工作噪声要低。数控机床高速移动下，如何降低高速防 4 高速防护装置的结构设计与优化 护装置由于摩擦产生的噪音，如何在恶劣的工作条件下，还能够有效的保护机床的精密 导轨及内部设备，这又是本课题面临的一个难题。 1 5 技术方案 采用现代设计技术方法，进行高速防护装置的设计，研究高速移动中特定杆及防护 件结构、材料性能等因素对防护装置运动性、防护性及环保的影响，建立实验测试研究 平台，选择合理的结构参数，优化设计，提高高速防护装置的设计质量，保证工件的加 工精度，拟采用的总体技术路线，如图1 - 3 所示： 鬻圈 图1 - 3 高速防护装置的结构设计的技术技术路线 f i g 1 - 3t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf o rs t r u c t u r a ld e s i g no fh i g h - s p e e dp r o t e c t o r 1 6 主要研究内容 1 6 1 高速防护装置的运动特性研究 高速防护装置的高速运动特性十分复杂，传统的机床由于低速运动对机床的工作过 程不会产生影响，因此在这方面没有可参考的理论依据。通过对高速防护装置工作条件 的分析，建立动力学模型，研究其各个运动部件之间的运动关系及最大拉伸长度与收缩 长度及高速防护装置罩片数量等的关系。 ( 1 ) 分析高速防护装置的工作情况，系统的给出了高速防护装置罩片的设计公式。 ( 2 ) 根据高速防护装置罩片的设计，系统的给出快速伸缩机构的设计公式。 1 6 2 高速防护装置的结构优化 通过分析软件a n s y sw o r k b e n c h 研究防护装置各机构的结构参数对高速防护装置的 静、动态特性的影响，选择合理的罩片数量、刮板，为提高防护装置性能奠定基础。 ( 1 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对快速伸缩机构进行动态响应分析，得出快速伸 缩机构杆件的几何尺寸对其动态响应的影响。 ( 2 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对高速防护装置进行模态分析，得出高速防护装 重 陕西科技大学硕士学位论文 置的罩片数量对其模态频率的影响。 ( 3 ) 由于高速防护装置的变形，会造成剧烈的振动和噪声。利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对高速导轨防护装置进行静力学分析，得出其在受外力作用时的变形。 ( 4 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 分析软件对高速防护装置伸缩机构进行受力分析，得出伸 缩机构的受载对其动态响应的影响。 1 6 3 搭建试验测试平台 搭建试验测试平台，对高速防护装置在不同工作条件下的强度、共振、噪声、稳定 性等性能进行测试，得出合理的设计参数和结构，满足高速移动条件下良好的密封和防 护性能，以及在多元加工条件下有效保护机床本体及内部组件。 6 高速防护装置的结构设计与优化 2 高速防护装置结构设计 高速防护装置一般使用能防止锈蚀的1 c r l 3 材料制造。高速防护装置是由多片防护 罩片组装在一起组成，高速防护装置的每节罩片的后侧都有焊接一块立板，并且部分立 板上装有滑块或滚轮，其作用是限制高速防护装置的自由度，它可以在导轨上滑动，所 以高速防护装置可以随着滑块或滚轮伸长或压缩。高速防护装置作为高档数控机床的重 要的组成设备，其功能非常重要。因此，通过理论设计，得出高速防护装置的计算公式 是非常必要的。 机床高速防护装置作为数控机床重要的导轨防护设备，在机床的设计过程当中，一 般都需要给出高速防护装置的几项设计参数，如：拉伸到最大时的长度、工作行程、罩 片的数量、压缩到最小时的长度、高速防护装置罩片的宽度等等，在购买或者制造时， 也要给相关厂家提供必要的结构参数，以便根据这些参数进行详细的设计和生产。本章 在此给出高速防护装置理论设计的计算公式，并且分析了各个参数之间的相互关系。最 后给出高速防护装置在结构设计时，应该需要注意的问题。 2 1 高速防护装置设计的主要依据参数 高速防护装置在没有安装快速伸缩机构时的截面图，如图2 一l ，2 2 。通过对图 2 - 1 ，2 - 2 的分析，对高速防护装置的结构进行分析，高速防护装置的最外面一片导轨防 护罩片定为第一片，最里面的导轨防护罩片定为最后一片。在有些情况下，第一片和最 后一片高速防护装置罩片可以根据实际情况的需要，进行分别加延长段( 在大多数的情况 下不需要加延长段) 。高速防护装置主要包括了：导轨防护罩片、刮板、滚轮、同步伸缩 机构及起吊装置等。在设计计算时，第一层为静止层，因此，该层行程为零( 即s i = o ) 。 本节只对高速防护装置罩片的结构进行理论设计。 2 2 参数命名 2 2 1 局部结构参数 b 为筋板与刮板的距离( m m ) ：当高速防护装置罩片拉开后，防止碰撞所留出的安全 距离，一般b 大于刮板的宽度，b 为2 0 到3 5 姗。 e 为高速防护装置的错开距离( 姗) ：高速防护装置罩片与刮板处相邻两层的错位量， 一般e 为8 到2 0 砌； f 为筋板距：高速防护装置每片罩片的筋板之间的距离，与滚轮或者滑块、快速伸 缩机构的支架有关，一般情况，f 大于( d + 2 ) i i l i i l ； d 为滚轮直径( 或滑块的厚度) ：d = l o ，1 6 ，2 0 ，2 6 舳等，滚轮的材料为黄铜或尼龙， 根据生产者的要求； 7 陕西科技大学硕士学位论文 t 为高速防护装置的钣金厚度( m m ) ：根据选板材厚度决定。一般取t = 2 ，3m m 。 q 1 图2 - 1 高速防护装置运动方向示意图 f i g 2 1g u i d e w a ym o v e m e n td i r e c t i o ns c h e m e s 一 萼设防丐罩片 刮板 r 八 7 一 i 一 乡 j 7 。接钡 。黝 一，毛殛 列 k k ，f太 飞yn y 1 呵厂 图2 - 2 高速防护装置的局部结构图 f i g 2 2g u i d e w a yl o c a ls t r u c t u r e 2 2 2 机床的运动参数 s 0 为名义行程( i i l m ) ：机床工作的行程； 艿为单边安全裕量( 唧) ：根据丝杠的型号给出。 8 高速防护装置的结构设计与优化 2 2 3 高速防护装罩片的宏参数 l 为高速防护装置的工作行程( m m ) ，由方程( 2 1 ) 计算得出； 为高速防护装置的最小压缩宽度( 咖) ，一般高速防护装置的安装压缩条件高于 拉伸条件，由公式( 2 - 2 ) 计算得出； b 为高速防护装置最后的压缩长度( 姗) ，由方程( 2 5 ) 计算得出； a 为高速防护装置最后的拉伸长度( i i l m ) ，由方程( 2 1 0 ) 计算得出； b 为机床上允许的高速防护装置压缩安装的宽度( m m ) ：根据机床的具体结构定出， 并且要与作比较，最后由方程( 2 5 ) 调整为接近b 的b 值； 为高速防护装置的最多层数：满足基本条件的最多层数，由参数e ，f ，l 决定， 由式( 2 - 3 ) 算出，高速防护装置的设计原则是取满足条件的最少层数，然后利用公式( 2 5 ) 根据b 调整b ，n ； n 为根据b 确定的片数数：计算出n ，利用方程( 2 4 ) 。最后取大圆整为n ，再 计算出b ； n 为高速防护装置的最终片数：由n 取大圆整，然后利用方程( 4 ) 计算出最后的b 值； n 为高速防护装置的片号：最外面的高速防护装置罩片为第一层，其他的依序类推； a l ，a n 为相应高速防护装置罩片的动向层板宽度( m m ) ：分别由方程( 2 7 ) ， ( 2 - 6 ) ，( 2 - 8 ) 计算的出。这些参数在计算快速伸缩机构时，也需要用到； s 2 ，s n 为各个相邻的高速防护装置罩片动层板的相对行程( m m ) ：由方程( 2 - 9 ) 分别计算得出。 h 为高速防护装置罩片的总厚度( m m ) ：各个高速防护装置罩片的总厚度，利用公式 ( 2 - 1 1 ) 算出。h 同时也受到高速防护装置的高度安装空间的限制。最终利用方程( 2 - 4 ) 综合决定最终高速防护装置的片数n ； h 为高速防护装置的层距( m m ) ：由高速防护装置的钣金厚度和刮板的几何尺寸决定， 一般h = 6 ，7m m 。 2 2 4 计算参数 已知：工作方向的参数b ，d ，e ，f ，s ，s o ；厚度方向参数t ，h 。 计算：。，b ，n ，口，+ l ，a ，h 。 l = s + 2 6 ( 2 1 ) b m = b + 半+ 2 ( e + f ) l ( 2 - 2 ) 卅冬笋 ( 2 3 ) 9 陕西科技大学硕士学位论文 斗m 半一陋- e + 2f ) 2 - 2 ( e + f ) ( b + l - b ) 1 ，2 ) 心 龃时，( 6 圳一孚) 2 2 ( e + 硝肌2 6 ) 她 缈 时，( 啪一孚) 2 _ 2 ( e + f ) ( b + l - b ) o ； 曰：土+n ( e + f ) + 2 b ，l 一12 知= 卜1 ) 6 ( 2 n + i ) 2 - , e - 2 n 冲拦雩魁卅( ，l 一1 ) 。一l + t 、n _ f ，、1 + 3 n - 2 n 2 - 2x e + n 2 2 - n - 厂 识= = o o 一 口= q + ( n - 1 ) ( e - f ) 。曼。= q + ( 一1 ) ( e 一厂) 一( 6 + 厂) 0 e s 冉 a = l - i - b h = ( n - 1 ) h + l ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 说明：式( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) 为条件式；其他为结果式。 式( 2 - 5 ) 是b 和n 的相关式。 根据方程( 2 - 8 ) 可以得出相关结论，在e 不等于f 的时候，相应各个高速防护装置 罩片的宽度存在等差的关系，并且在e 小于f 的时候，a u 一。 口。在e 大于f 的时候， 口州 口。在这种情况下为等差高速防护装置，这种高速防护装置需要安装等差式快速 伸缩机构。 根据方程( 2 - 9 ) 可以得出相关结论，当e 不等于f 的时候，相应个高速防护装置罩 片的相对移动距离也存在等差关系，并且当e 小于f 的时候， s 卅。 当e 等于f 的时候，相应高速防护装置罩片的宽度和相对工作行程都存在相等的 关系，这种情况下为等宽高速防护装置，这种高速防护装置需要安装等节距快速伸缩机 构。 高速防护装置几何尺寸的计算步骤：根据高速防护装置的结构参数b ，d ，e ，f 和机 床的工作行程s 。和安全裕量艿，利用式( 2 1 ) ，( 2 2 ) ，( 2 3 ) 计算出和，k ，就可 1 0 ) o 1 g 0 争 2 宅 c ( ( 高速防护装置的结构设计与优化 以大概知道满足高速防护装置工作行程的最小压缩安装空间尺寸和最多片数，当b 大 于时，可以安装下；如果b 小于，那就安装不下，就需要增加b 的值。最后 根据实际情况，利用方程( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 计算出最终实际的n 和b ，n 是由n 取大圆整得 来。最后利用其他的方程式计算出其他的参数，进行下一步的高速防护装置结构设计。 2 3 导轨防护装置罩片参数的具体计算 根据项目组给出的机床参数，来具体计算高速防护装置罩片的几何尺寸。本节在此 只计算机床x 轴的高速防护装置罩片的几何尺寸，并且打算设计成等宽导轨高速防护装 置。x 轴的参数是： ( 1 ) x 轴导轨之间的宽度：3 7 6 m m ( 2 ) x 轴的工作行程：8 5 0 r a m ( 3 ) x 轴导轨的截面形状 本节计算用的公式在2 2 节都有列出，所以公式就不在写出。首先，计算高速防护 装置的的行程l ，它等于工作行程加上两倍的安全距离，把安全距离定位1 5 r a m 故， l = 8 5 0 + 2 * 15 = 8 8 0 m m 。 设每片罩片的错开距离e 为2 0 m m ，立板与刮板的距离b 为2 5 m m ，滚轮直径d 为1 6 m m ， 立板距f 为2 0 m m ，b 为3 1 0 m m 。计算得出： 23 1 0 m m n = 8 1 ，圆整后将n 取为9 。计算导轨防护罩片长度a 的值： a = 1 5 5 m m 根据上面的计算，得到了高速防护装置罩片的基本参数，它由9 片组成，每片的长 度为1 5 5 m m 。导轨防护装置罩片的宽度可以有设计者根据机床导轨之间的宽度来定，没 有严格的规定。 2 4 快速伸缩机构的设计 随着高速切削机床运动速度的提高，传统的单片运动式防护装置由于其运动速度不 能超过6 0 m i n ，而且经常会出现脱节的状况，给数控机床的工作带来了不便，因此不能 满足机床的使用要求，所以必须采用具有快速伸缩机构( 图2 3 ) 的高速防护装置。为 解决存在的问题，需要给高速防护装置增加安装快速伸缩机构，从而保证了数控机床的 正常高速运行。 本节的参数与2 2 节中的参数表示相同。 2 4 1 结构分析 根据e 不等于f ( e 小于f 或e 大于f ) 得出高速防护装置罩片相应层板宽口存在等 差关系，而且高速防护装置各相应动层板的相对行程s 卅也存在等差关系。因而，在考 陕西科技大学硕士学位论文 虑设计快速伸缩机构时，也要对应按等差节距的快速伸缩机构匹配。等差的快速伸缩机 构的结构，如图2 - 3 、图2 - 4 、图2 - 5 所示。快速伸缩机构的组成是由垫圈、动支架、固 定支架、铰链销轴、铰链杆、锁紧螺母等构成。 图2 - 3 等差节距快速伸缩机构伸缩示意图 f i g 2 3t h eu t i l i t yp i t c hr a p i de x p a n s i o ni n s t i t u t i o n st e l e s c o p i cs c h e m e s 5 2 4 2 参数定义 石，厶，石六一。为对应于高速防护装置动层板的快速伸缩机构压缩节距( 衄) ： 按式( 2 - 5 ) 或( 2 - 6 ) 得出； 厶为压缩节距中的最小压缩节距，当e f 时，2 磊，缸2 1 5 ，2 ，2 5m m 。 矗，五，厶， 一。为对应于高速防护装置层板的铰链杆端孔距( m m ) ，也称为理论 杆长，其中，o 和，一一l 为半杆长：由式( 2 - 1 1 ) 算出。 山，以，以，以一，为对应于高速防护装置动层板的铰链半杆长( 姗) ：厶= 厶，五 = 厶+ ，以2 以+ 以， 一，= 以一，； 为压缩节距差( m m ) ：因为压缩节距存在等差关系，所以有压缩节距差； a p 为展开节距差( m m ) ：因为展开节距存在等差关系，所以有展开节距差； j 为铰链杆半杆差( 姗) ：因为铰链杆半杆长也存在等差关系，所以有铰链杆半杆 盐 z l o 2 4 3 参数设计 已知：基本参数w ，缸，b ，e ，f ，a ，秒；间接参数是，墨，鼠_ l ，最一：，口l ， n 。n j 2 ，j 月一2 j 月一l 。 注意：e 小于f 时，厶在末节；e 大于f 时，厶在首节。 ， 一形+ f 。i n j 衄 c o s 1 4 ( 2 - 1 2 ) 此式由式( 2 - 1 3 ) 而来。 ( 2 - 1 3 ) 如厶五 五缸 小卅 ：厶 算 计 高速防护装置的结构设计与优化 _ 一- _ _ _ - _ - - l _ _ _ _ i _ _ 目_ l _ l _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ i _ - _ l _ _ - - - _ _ _ - _ - _ - 一 图2 6 快速伸缩机构压缩时末尾两支点间的关系 f i g 2 6r a p i de x p a n s i o na g e n c i e sd u r i n gc o m p r e s s i o n e n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w of u l c r u m 当秒很小时( 图2 6 ) ，c o s o 1 ，且取缸= 善曲。 v ：坠尝，( e 厶：丘，) 叉= a t + ( 咒一2 ) ( p 一厂) 一( 6 + ) 鼠一，= q + ( n - 3 ) ( e - f ) 一( 6 + 厂) ( e 墨 ) 厶= 厶+ ( n - 1 一) 鲈，e 五， 厶在末节，n = i ，2 ，n 一1 ； ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 石= 厶+ ( ，z 一2 ) v 厶= 厂血+ ( 一1 ) 鲈，e 耐，石 五， 厶在首节，n = i ，2 ，n 一1 ( 2 1 7 ) z 2 厶 互= 是+ 石( 高速防护装置第二层片的相对行程最与其展开节距互和压缩节距工 1 5 陕西科技大学硕士学位论文 的关系。) 昂呻业掣萨 = 去盟掣铲 a = 2 0 0 - 4 5 0 , e - - f 时，j o = = 以= 以= 以一1 ，一o 1 一( 6 + 厂) + 厶+ ( n 一2 ) v j 0 一 ， z c o s 口 j oj o ( 首节一半杆) j t 2 j o + j i 1 f jl 七1 】2 一2 = 以一3 + 以一2 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 一。= 以一，。( 末节一半杆) = l s o 一以i j j r - l = j o 一( 一1 ) a j ，e 耐，n = i ，2 ，n 一1 + ( 刀1 ) 6 + 下3 n - n 2 - 2 p + 挈厂 口 = l 色一 1 以一1 ( 2 2 3 ) 说明： ( 1 ) 在式( 2 一1 4 ) 和( 2 1 5 ) 中，高速防护装置层板的行程差参与了计算，从而为高速防 护装置与快速伸缩机构实现匹配形成了内在的联系。 ( 2 ) 当e 小于f 时，最 & ，相应高速防护装置动向层板的相对行程存在等差关系， 并随层序数的增大而增大。 ( 4 ) 从式( 2 2 0 ) 可以看出，当e 等于f 时，对应于高速防护装置动层板的铰链半杆长 成为定长。相应高速防护装置动向层板宽度及相对行程分别存在相等关系，这种情况下 称为等宽高速防护装置，相应的可以配置等节距快速伸缩机构。 2 5 快速伸缩机构的参数计算 本节设计和计算机床x 轴高速防护装置的快速伸缩机构的参数。因为在前面是把x 轴的高速防护装置成等宽的，所以在安装快速伸缩机构是等节距的快速伸缩机构。基本 参数在2 3 节中已经计算，需要使用的计算公式都是上面一节所介绍的公式，所以不再 1 6 高速防护装置的结构设计与优化 加以解释。这里我们主要是计算快速伸缩机构的杆件长度尺寸，将杆的宽度w 定为2 0 r a m ， 杆件间的最小间隙定为2 m m ，与曲定为2 m m ，杆件夹角a 设为3 0 度。直接利用上节的公式 2 - 9 和2 - 1 0 ，计算j 。 j = 7 6 2 1 2 m m 这里计算的是快速伸缩机构短杆的长度，为7 6 2 1 2 r a m ，所以长杆的长度为1 5 2 4 1 4 r a m 。 所以高速防护装置的基本参数都计算出来了：高速防护装置罩片的数量，罩片的长度， 快速伸缩机构杆件的长度。为后面的有限元分析大些了基础。 2 6 刮板的选择 刮板必须有足够的刮屑能力，能够防止各种加工所产生的切屑、切削液等侵入机床 内部，从而腐蚀或破坏组件，并能够耐各种切削液的腐蚀。同时刮板要有低的摩擦阻力。 如图2 - 7 。 刮板除了上面所述，必须具有足够的刮刷能力外，还必须要有以下技术要求； ( 1 ) 刮板的材料需要有很强的耐腐蚀性能力，并且在使用后仍然具有很好的弹性， 能与导轨防护罩片紧密密合，持续有效阻隔切屑和切削液。 ( 2 ) 导轨防护装置在运行时，刮板与高速防护装置罩片的摩擦所产生的噪声不能超 过7 0 d b ，并且能承受摩擦所带来的高温。 ( 3 ) 能够方便的安装和拆卸。 2 - 7 刮板 f i g 2 - 7w i p e r s 1 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 7 高速防护装置的安装 元件的装配的基本操作步骤如下： ( 1 ) 按工具栏创建新文件的图标，出现新建( n e w ) 对话框，在类型( t y p e ) 选框中选 组件( a s s e m b l y ) ，输入组件名称，然后按确定( o k ) 。则系统自动产生相互垂直的3 个组件基准平面a s m _ f r o n t 、a s m - r i g h t 、a s m _ t o p 及组件坐标系a s m _ d e f _ c s y s ，如图 2 8 ，2 9 所示。 | | 类型子类型 l ：o ；囊i 蕈绘 + 设计 o 园零件。；o 子裹蠢 !： l 围组件| 5 蠡i 计划 “； o 醴制造 ，o 贰梗型 io 粤量18 篓詈喜器示 l0 口格式 一。” o 圈报表 o ：r