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东北大学硕士学位论文 摘要 s s c k l 6 型数控车床外防护罩振动分析 摘要 在现代数控机床发展的过程中，功能部件产业发展的滞后己成为公认的瓶颈。数控 机床的防护装置是数控机床一个特殊的功能部件。伴随着数控机床的发展，机床的防护 装置产业也在不断创新，并向着更环保、更安全、更人性化的方向发展。 本论文主要通过对沈阳机床集团一款型号为s s c k l 6 数控车床的外防护的振动分 析，得出了防护罩主要结构要素对其总体刚度和稳定性的影响程度和影响方式，最后结 合各因素对防护装置进行了结构改进。 本文首先对板壳理论和板壳振动理论进行研究，并指出了防护装置振动的产生主要 来自本身刚度不够。要抑制这种振动，可以从提高防护装置刚度和提高防护组件装配阻 尼两个方面入手，其中以研究防护罩本身的结构刚度较为主要。 论文接着对有限元分析方法以及实现有限元分析的a n s y s 软件进行了介绍。有限 元分析作为一种先进而且成熟的分析方法，已经越来越多的应用于机床等机械行业的动 态分析中。a n s y s 软件是一种大型通用的有限元分析软件，可以准确的进行静力、模 态、谐响应以及瞬态动力学的有限元分析。 然后用s o l i d w o r k s 2 0 0 4 软件建立了s s c k l 6 型数控车床外防护罩的三维实体模型， 再进行装配干涉检验。之后用大型通用有限元分析软件a n s y s 把其转化为有限元模型， 并对其进行模型简化，网格划分和边界条件设置，最后进行有限元分析，得到了原模型 模态分析的前四十阶模态值及其振型。 通过对模态分析的结果进行分析和评价得出防护罩结构设计的薄弱环节。根据板壳 振动理论和结构优化设计理论，本文提出了防护罩结构改进的目标和具体方案，通过对 改进结果的进一步计算和模态分析，得出了板厚等结构因素对防护罩刚度和稳定性的影 响程度和影响方法。 最后本文还从理论上探讨了防护罩部分微结构给防护罩刚度和稳定性造成的影响， 以及提高阻尼的方法和应用。根据分析结果，本文最后确定了防护罩要素的最佳设计方 案，并得出结论。 关键词：防护装置；板壳；振动分析；有限元；a n s y s 模态分析 东北大学项士学位论文 v i b r a t i o n a n a l y s i s o fc n cm a c h i n et o o l s s c k l 6 se x t e r n a ls h i e l dc a p a b s t r a c t d u r i n g t h e p r e d e c e s s o ro fm o d e mc h i cm a c h i n et o o l s d e v e l o p m e n t , b a c k w a r d d e v e l o p m e n to ft h ek e yc o m p o n e n t si n d u s t r yh a sb e e na c k n o w l e d g e dt h eb o t t l e n e c k t h e s h i e l dc a pi so n es p e c i a lc o m p o n e n to fc n cm a c h i n et 0 0 1 d u et ot h ed e v e l o p m e n to fc n c m a c h i n et o o l ，t h es h i e l dc a pi n d u s t r yc o n t i n u e si n n o v a t i n ga n dg o e st ot b ew o r l do fm o r e e n v i r o n m e n t p r o t e c t e d ，s a f e r , m o r eh u m i l i a t e d t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nv i b r a t i o na n a l y s i so fc n cm a c h i n et o o ls s c k l 6 s e x t e r n a ls h i e l dc a pi nm a c h i n et o o lc o r p o r a t i o no fs h e n y a n g w eg e tt h ee x t e n ta n dm o d e t h a tt h em a i ns t r u c t u r a lr e q u i s i t e si n f l u e n c e sr i g i d i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ew h o l ep e r i m e t e r g u a r d f i n a l l yw em a k es t r u c t u r a li m p r o v e m e n t st ot h e s h i e l dc a pb yc o n s i d e r i n ga l lt h e r e q u i s i t e sw eh a v er e s e a r c h e d f i r s t l y , t h i st h e s i sd o e s s o m er e s e a r c ho nt h et h e o r yo fp l a r e sa n ds h e l l sa sw e l la s v i b r a t i o no ft h e m i tp o i n t so u tt h a tt h ep r o d u c eo ft h es h i e l dc a pv i b r a t i o nc o m e sf r o ml a c k o f i t so w l lr i g i d i t y t oc o n t r o lt h ev i b r a t i o n , w ec a nt a k em e t h o d so f i m p r o v i n gt h es h i e l dc a p r i g i d i t ya n di n c r e a s i n gd a m po fc o m p o n e n t sa s s e m b l y t h ef o r m e rt e a , s o ni sm u c hm o r e i m p o r t a n t t h e n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ef e aa n dt h es o r w a r ea n s y s a sa na d v a n c e da n d s o p h i s t i c a t e da n a l y t i c a lp r o c e d u r e ，t h ef e a i sa p p l i e dm o r ea n dm o r ei nt h ed y n a m i ca n a l y s i s o fm a c h i n et o o li n d u s t r y b e s i d e s ，a n s y si sl a r g eg e n e r a l - p u r p o s es o r w a r e ，w h i c hc a nb e u s e dt oa n a l y z es t a t i c ，d y n a m i c ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n dt r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i s 3 dg e o m e t r i cm o d e lo fs s c k l 6 se x t e r n a ls h i e l dc a pw a se s t a b l i s h e da n di n t e r f e r e n c e c h e c k e do nt h ep l a t f o r mo fs o l i d w o r k s 2 0 0 4 ，t h e ns i m p l i f i e dr e a s o n a b l y t h e nw ec h a n g et h e e n t i t ym o d a li n t of e a m o d a l w i t ht h eu 卵o f t f i a n g l ee l e m e n t st om e s h 3 - dg e o m e t r i cm o d e l o f t h es h i e l dc a p ，t h ef i n i t em o d a lw a sc o n s t r u c t e d i n h e r e n c ef r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so f s s c k l 6 se x t e r n a ls h i e l dc a pu n d e rc o n s t r a i n tc o n d r i o n sw e r ew o r k e do u tb yu s i n gb l o c k l a n c z o sw h i c hi st h em o s tp o p u l a rm e t h o dt os o l v ec o n s t r a i n tm o d a la n a l y s i si ne n g i n e e r i n g t h ew e a kp a r t i t i o n so fs s c k l 6 se x t e r n a ls h i e l dc a p 、 ，e r ef o u n db ym o d ea n a l y s i s a n d t h ec o r r e s p o n d i n gm o d i f i c a t i o n sw e r ep u tf o r w a r dd u et ot h et h e o r yo f v i b r a t i o na n ds t r u c t u r e o p t i m a l ，w h i c hc a nb es e e na st h er e l i a b l ef o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gc o n s t r u c t i o nd e s i g na n d i i i 东北大学硕士学位论文 v i b r a t i o na n a l y s i so ft h eg u a r d f r o mt h er e s u l t si n t h i sp a p e rt h ec o n s t r u c t i o na n d a r r a n g e m e n to p t i m i z a t i o no ft h er e t a i n i n gr i b so nt h ee n g i n eb l o c kc a ni m p r o v es t i f f n e s so f t h es h i e l dc a p f i n a l l y , w eh a v ea l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c et os t i f f n e s sa n ds t a b l e n e s so fs s c k l 6 s e x t e r n a l s h i e l dc a pb ys o m em i n is t r u c t u r e f r o mt h eo t h e rp a r t ，w el e a r n e dm e t h o d sa n d a p p l i c a t i o no fi n c r e a s i n gd a m po fc o m p o n e n t sa s s e m b l y a tl a s t , w eg e tt h eb e s tr e s u l to f s s c k l 6 se x t e m a ls h i e l dc a ps t r u c t u r er e q u i s i t e s k e yw o r d s ：s h i e l dc a p ；p l a t e sa n ds h e l l s ；v i b r a t i o na n a l y s i s ；a n s y s ；m o d a la n a l y s i s ； o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 壶布景 日 期：矿衫；占 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：参 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国数控机床的发展趋势 数控机床是装备制造业和机电类消费品( 汽车、家电、建筑器材、微电子信 息产品等) 制造业的重要基础装备，是当今制造业的主流设备和世界机床市场贸 易的主导产品1 ”。 我国要走新型工业化道路，进行有中国特色的社会主义建设，在许多重要领 域( 如高新技术和国防工业，重大基础装备制造领域，国民经济支柱产业领域以 及一般机械制造企业) 需要高档数控机床这一重要装备。我国固定资产投资连续 几年快速上升和国内机电装备市场需求持续增长，尤其是国家上述领域重大需求 和工业现代化和国防高技术工业快速发展的拉动，使数控机床市场需求持续高速 增长，连续几年成为世界机床消费和进口第一大国。1 9 9 9 2 0 0 5 年6 年间，我国 数控机床产量和消费量平均年增长率分别达4 0 * d 铂3 6 。在目前国内每年需求 的4 0 万台金切机床中，数控机床需求达到1 5 。2 0 0 4 年我国数控机床消费达到 7 4 ，0 0 0 台的规模。可以说，数控机床，尤其是高档数控机床已成为我国走新型 工业化道路的最重要的物资保证和不可缺少的基础支撑。 但是，我国的数控机床工业装备自给的能力还不足，其中主要是高中档数控 机床还远远不能满足市场需求，基本依靠进口。近几年，进口数控机床金额一直 占消费额的7 0 以上，进口的高档数控机床占全部进口金额的7 5 ，占数控机床 消费总额的5 5 1 2 i 。2 0 0 5 年，我国数控机床产量虽己大步跨越至6 万台，但简单的 经济型数控机床占到近7 0 0 0 l i l 我国之所以在高档数控机床方面装备能力如此薄 弱，主要是我国和世界工业先进国家相比在高档数控机床的产品水平、技术和品 种方面、制造技术方面、产品可靠性方面、交货期，销售与服务方面等还存在巨 大的差距。 国外对数控机床发展极为重视，竞争非常激烈。西方发达国家美国、日本、 德国、意大利、瑞士、英国等都是数控机床主要生产国家。日本法拉克和三菱、 德国西门子和海德汉、法国纽姆等还是世界最大的数控系统厂商。目前它们数控 机床产值已超过普通机床，在汽车、航空、航天等行业已几乎看不到普通机床。 日本和德国拥有机床的数控化率已超过6 0 * 0 。数控机床应用也由单机发展到系统 化、集成化和网络化的高层次i l ，7 】。目前欧、美、日等国依靠数控机床技术的高 度发展优势，保持了高度的社会经济水平和军事实力，并对我国进行高技术封锁。 为此，2 0 0 6 年2 月出台的国家中长期科学和技术发展规划纲要规划纲要 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 已把“高档数控机床与基础制造技术”与载人航天与探月工程等一起列为1 6 4 重 大专项。重大专项是为了实现国家目标，通过核心技术突破和资源集成，在一定 时限内完成的重大战略产品、关键共性技术和重大工程，是我国科技发展的重中 之重i 1 3 1 。 我国机床行业未来五年的突破重点是；重点发展关键功能部件和数控系统， 为数控机床产品升级奠定基础。主要发展项目包括中高档数控系统、高速主轴及 其伺服单元、高性能刀库机械手、高速滚珠丝杠和直线导轨副、直线电机、全功 能数控刀架和数控转台、高速防护装置等，从此改变大型、高精度数控机床大部 分依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展。力争通过加快产业和产品 结构的大规模调整，到“十一五”末期实现目标：国产数控机床占国内需求市场 的比重从现在的不足3 0 0 6 上升至5 0 0 , 6 以上，国产数控机床采用自己的功能部件达 到6 0 0 , 6 以上，有自主知识产权的数控系统占数控机床总产量的7 5 以上【j i 1 2 数控机床的功能部件及其发展 机床的功能部件是机床的组成单元，数控机床要求其功能部件符合高速、高 效、高精、柔性和复合加工发展的要求。数控机床功能部件产业化有利于缩短新 产品开发和制造周期，是我国数控机床生产发展的必由之路1 6 i 1 2 1 数控机床的功能部件 数控机床的主要功能部件包括数控系统、驱动系统、高速电主轴、主轴部件、 滚珠丝杠、滚动直线导轨，a t c 刀库、数控刀架、n c 工作台、数控伺服系统、 测量反馈元件、防护装置等方面嘲。如图1 1 就是某高档加工中心重要的功能部件 铣削电主轴。所有的数控机床都是由各种功能部件在床身、立柱等基础支架 上组装而成的，功能部件是数控机床的重要组成部分。功能部件的性能、质量和 品种直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发展。如果回顾数控机床的 发展史，我们会发现数控机床的许多发展和提高，都是与功能部件的改进、提高、 发展、创新分不开的，甚至可以说，数控机床的发展与创新史主要就是功能部件 的发展与创新史 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 重要的功能部件铣削电主轴 f 嘻1 ii m p o r t a n tf l n 甜o l i lc o m p o n e n t - - - m i | l i n ge l e c u i cs p i n d l e 1 2 2 数控机床功能部件的发展趋势 功能部件产品是数控机床的重要组成部分，它的技术水平的高低、性能的优 劣以及制造成本的高低、交货期的长短都将直接决定和影响数控机床整机的技术 水平、性能、价格及交货期。在众多影响国产数控机床发展的不利因素中，功能 部件产业发展的滞后已成为公认的瓶颈 7 1 。 我国数控机床功能部件的发展滞后主要表现在品种少，单元技术水平低，性 能质量不够稳定，成本居高不下，交货不及时等，满足不了数控机床主机产品发 展的需要，是最直接、最主要的原因。从表1 1 和表1 2 可以看出，国产数控机床 采用境外品牌功能部件配套的仍占有很高的比例【5 1 。造成这种现象的主要原因， 一是近年来国产数控机床的发展十分迅速，功能部件的需求市场很大这不仅为 国内功能部件产业提供了良好的发展机遇，也使境外产品获得了商机。二是由于 国产功能部件发展的滞后，一些关键功能部件目前在性能和社会配套能力等方面 与境外品牌相比尚存在一定差距，使其产品在市场竞争中处于劣势。境外品牌配 套产品依靠较高的技术指标、良好的性能与使用可靠性，赢得了较大的市场份额。 三是国内功能部件企业缺乏创国产品牌的意识，缺少对外宣传和通过与境外著名 品牌产品对比让主机厂家全面了解国产品牌功能部件的制造水平、竞争实力和优 势所在1 4 , 5 。 发展数控机床的关键是实施数控系统和功能部件的产业化。目前，数控机床 技术正在向高效、复合、智能、环保的方向发展。主机水平的不断提高，要求数 控机床的功能部件必须与之相应迅速提高，以解决数控机床发展的瓶颈问题，满 3 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 足数控机床水平快速发展的需要。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整 体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制 约着主机的发展速度。因而，高精度、高速度、高刚度、高可靠性、低振动、低 噪声、低温升的高品质功能部件是机床工业发展和市场不断扩大的客观要求川。 表1 1c c m r 2 0 0 2 部分国产功能部件配套情况调查表 t a b l ei 1i n v e s t i g a t eo f s o m eh o m e b r e dk e yf u n c t i o nc o m p o n e n t so nc c m t 2 0 0 2 表1 2c c m t 2 0 0 3 部分国产功能部件配套情况调查表 t a b l e1 2i n v e s t i g a t eo f s o m eh o m e b r e dk e yf u n c t i o nc o m p o n e n t so f fc c m t 2 0 0 3 国产数控机床的发展需要高性能的配套功能部件。因此，为了满足主机的配 套需要，功能部件产业应该迅速地提高自身的水平，及时跟踪国外先进技术，尽 快生产出高性能、高质量的产品。而今，具有自主知识产权的国产数控系统已进 入高性能数控机床配套领域。与国外高档数控系统相比，它们的性能与之相当， 两销售价格却占有一定优势。因此性能好、价格低、易于使用、可靠性高的特点 必然会在日后竞争中带来巨大的市场商机。这些表明国内功能部件产业的迅速发 展，一批高水平国产功能部件的生产已经启动并显示出良好的发展前景1 5 】。 1 3 数控机床的防护装置 数控机床的防护装置是数控机床一个特殊的功能部件。伴随着数控机床的发 展，机床的防护装置产业也在不断创新，防护装置也向着更环保、更安全，更人 性化的方向发展。 4 东北大学硕士学位论文 第1 幸绔论 1 3 1 数控机床防护装置的分类 目前，数控机床防护装置通常有两种防护形式：全封闭和半封闭防护。全封 闭防护是指防护罩在空间上对机床主体进行全方位包络以较好地实现防护罩的 功能。由于数控机床的效率高，一般都采用大流量与高压力的冷却和排屑措施， 机床的运动部件也采用自动润滑装置，为了防止切屑与冷却液飞溅，避免润滑油 外泄，将机床做成全封闭结构，只在工作区处留有可以自动开闭的门窗，用于观 察和装卸工件，这样就实现了机、电、液一体化结构，从而减少机床占地面积， 又便于操作管理。全封闭防护一般应用在对中小型数控机床的防护中。全封闭防 护罩是国内外先进机床企业采用的主要防护形式，代表了防护罩的发展方向。半 封闭防护是指防护罩在空问上为机床的某些运动部件留出其运动空间，或者考虑 到工件尺寸、有利于观察以及防护罩生产经济性等因素，对机床主体或部件作部 分的包络。也即将机床的主机进行相应的外防护，以防切屑与冷却液飞溅及不安 全因素的发生，而对数控机床辅助设备没有设置任何防护的措施，半封闭的数控 机床占地面积小，其优势是生产成本经济，所以经济类型的数控机床常采用此种 防护类型。 数控机床防护装置按防护的对象可分为外防护和内防护。外防护的作用是从 人机工程学的角度出发，以操作者的人身安全为本，对数控机床设置安全防护装 置。如防护罩、防护屏、封闭式装置等都是通过物体障碍方式防止人或人体部分 进入危险区，或阻止机床加工过程中的飞溅物，将人隔离在危险区之外的装置， 不同的数控机床的外防护的形式也是千差万别的。内防护的作用是针对数控机床 内部的零部件进行防水、防腐蚀、防振动及防磨损而设置的装置，以此，保证数 控机床所需的高精度、高可靠性的要求 1 3 2 数控机床防护结构形式的布局 数控机床防护结构布局与数控机床自身主机的布局是息息相关的。由于机床 的种类繁多，使用要求各异，加之对机床有不同的认识，即使是同一用途的机床， 其结构形式与总体布局的方案也可以是多种多样的。所以，数控防护结构的布局 也是千差万别的。就影响数控机床防护结构布局的因素，进行如下说明，以利于 合理地设计数控机床的防护结构。 ( 1 ) 数控机床防护形式的选择与数控系统的功能水平的关系 一般地，高档的数控机床在外防护结构多采用全封闭结构，这样对数控机床 进行全方位的防护，不受外界因素的干扰，从而，保证数控机床的加工精度。高 5 东北大学硕士学位论文 第1 幸绪论 档数控机床对其内防护要求严格，其目的是防止切屑及冷却液对主机的关键部件 所造成的损坏。 例如对导轨要设置导轨防护罩。否则，切屑及冷却液对导轨进行腐蚀将直 接影响数控机床的加工精度 经济型数控机床在外防护上经常采用半封闭结构，这样在成本上经济，而且 也可以满足加工件的使用要求。有时，也采用防护屏或防护护栏结构来隔离可能 发生的危险因素。对经济型数控机床也需要内防护，但防护的等级要求不如高档 数控机床内防护严格。 ( 2 ) 数控机床防护形式的选择与数控机床的工艺用途的关系 数控机床按工艺用途可分为：金属切削类数控机床、金属成型类数控机床及 数控特种加工机床三大类型 金属成型类数控机床及数控特种加工机床，例如：数控折弯机、数控弯管机 及数控线切割机、数控电火花成形机床等在加工过程中基本上不产生切屑，其所 产生的不安全因素相对要少。因此，在外防护形式上，多为半封闭防护结构。对 机床的关键部件，如；刀架、导轨等安装内防护装置。 相对而言，金属切屑类数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床，数控 镗床、数控磨床、加工中心等在外防护上多采用全封闭结构。 1 3 3 数控机床防护的区域划分原则以及区域划分 数控机床防护区域划分以数控机床的功能分区为依据。它的原则是： ( 1 ) 要有利于机床的正常工作； ( 2 ) 要有利于功能区的隔离； ( 3 ) 要有利于结构设计； ( 4 ) 要有利于机床的操作； ( 5 ) 要有利于机床的维护； ( 6 ) 要有利于工作介质及切屑的收集； ( 7 ) 要有利于机床的外观造型； ( 8 ) 要有利于机床的起吊运输。 对数控机床而言，功能区般分为： ( 1 ) 切削区：机床上刀具切削工件所经过的区域。 ( 2 ) 工作区：可能出现工作过程的区域。这个区域包括机床运动部件运动 所需的位置，以及操作、调整和维护机床所需的位置。 ( 3 ) 操作区：机床人工上下料及按钮操作所需要的区域。 ( 4 ) 辅助区：机床上不与机床本体固定在一起的功能部件所需的位置。如 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分离式液压工作站等。 1 4 数控机床防护的作用和意义 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量 和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床。它对精度、速 度、刚度、结构强度以及使用的安全性、精度保持性等要求远高于普通机床。因 此，对数控机床进行完善的防护设计是机床技术发展的必然要求。数控机床除对 运动部件和油、气、液、电线、电缆等进行单独防护外，出于对整台机床精度保 持性、作业环境保护和人身安全防护性以及外部感观质量等因素的考虑，多采用 全封闭防护形式。全封闭防护罩可减少粉尘入侵和防止铁屑及润滑冷却液飞溅， 有些还带有隔声降噪及机电安全连锁功能，故可明显提高设备的精度保持性及环 保水平；同时，它也提高了工人操作的安全性，改善了劳动环境，并且使机床外 观更加美观大方。 ( 1 ) 安全性。在数控机床加工中，特别是对于刚刚接触或初学者，由于操 作不当，经常会出现机床的不正常现象，这些异常情况出现时，轻则损坏刀具， 工件报废，重则损伤机床的卡盘及电动刀架，严重影响机床精度，甚至伤及操作 人员人身安全。因此，在加工范围内安装防护罩就显得非常必要1 8 j o ( 2 ) 环保性( 切屑、润滑冷却液的排放和回收，阻隔噪音污染) 。 随着机械工业的不断发展，减少环境污染，提高资源效率是现代制造业的发 展方向和趋势。众所周知，润滑冷却液能提高加工生产率和刀具寿命，同时能帮 助切屑从加工区冲出。但它的排放对周围环境的生态危害很大，严重污染地面、 水源和空气，而且它的种类繁多，且含各种添加剂，其回收相当困难且成本较高。 同时，工人长期处在这样一个污染环境中对身体也有很大的危害。安装全封闭式 防护装置可以基本杜绝切屑飞离工作区域并进入到回收箱内，而且冷却液回流沉 淀后也能继续利用所以现代机床加工车间内再也没有铁屑飞舞、冷却液飞溅并 四处乱流的现象，取而代之的是整洁、舒畅的工作空问。 噪音污染也是危害机床加工空间环境的重要因素。现代机床产品对噪音的排 放有一定的标准，要求机床加工时噪音在7 5 d b 以下。实践证明，采用全封闭防 护罩可以大大降低机床噪音污染，优化工人工作环境。 蒸汽污染也不可忽视。蒸汽主要是加工时润滑液在切削热和机床内部发热的 作用下产生的，一来在工人进行操作时会使护目镜或视野模糊，另外这些蒸汽会 损害机床的高精度部件，同时长期在蒸汽中工作也对工人的身体造成危害。防护 装置的配备使得这些蒸汽被密封在工作舱内，同时也使得空气净化装置得以发挥 作用。 7 - 东北大学硕士擘位论文 第1 幸绪论 ( 3 ) 抗干扰性。由于机床制造水平的不断提高，机床的加工精度也越来越 高，这也就要求在机床的加工过程中，来自外界的干扰越小越好。安装防护罩可 以保护加工过程不受外界的影响，从而提高加工的精度。 ( 4 ) 保护机床的重要部件。切屑和冷却液的合理捧放和回收能保护机床导 轨等高精度部件，使机床精度得到更好的保证。 ( 5 ) 美观宜人性。现代机床已经摆脱了冰冷而不友善的面貌，摆脱了违背 人性的特征，从而变得更富人情化，更符合现代人的生理及心理需求美观的产 品外型，机床操纵符合人机工程学既是艺术上的享受，也大大提高了工人们的安 全感。通过造型语言，例如浑然饱满的整体造型、精细的工艺、沉稳的色泽可以 给人以生理上的安全感；合理的尺寸设计、设计避免无意间触动的按钮开关等 可以给人以生理上的安全感。 ( 6 ) 提高产品在国际上的竞争力。在机床的密封防护设计领域，一些发达 国家的机床已经达到了很高的水平。例如，在一些加工中心机床上把整台机床的 密封舱分成几个“房间”，对污染源切削区域实行小舱密封，在这个小舱内 只有被加工工件、正在工作的刀具、切削液喷嘴和项部一个照明灯，舱壁四周都 是光滑的铁皮和导轨防护罩，下部一个捧屑e l n 。高技术高水平的防护技术使数 控机床产品与高科技产品相符合，使得其在国际市场上受到欢迎。 1 5 数控机床的外防护功能结构 全封闭防护罩占有其机床外观形体的大部分面积，在一定程度上掩盖了机床 的整个主体，因此，其造型风格和外观形体设计选定的机动性、灵活性和自由性 很大，无疑给工业设计师发挥创意进行造型设计提供较大的空间与可能。但全封 闭防护罩是一种庞大复杂的薄壁构件，其结构设计、制造安装、拆卸和运输的难 度较大，也是设计师深感棘手的问题。 数控机床外防护是指将机床工作区域与周围环境隔离开来的防护装置。为了 装拆和运输的方便，一般采用板块结合式结构。 数控机床外防护按其防护区域划分主要包括：支撑架等基础结构、机床左侧 防护罩、机床右侧防护罩、防护门、上项罩、前罩体、后罩体及数控系统操作面 板( c r t ) 等。 数控机床外防护按其结构划分主要包括： 基础支架和框架类一直接与机床主机基础件相连接，用来支掉防护装置 的。主要作用：( 1 ) 支撑机床外观防护装置的各个罩体部分；( 2 ) 对外防护装置 起定位作用。基础支架的材料可用铸铁，也可用钢结构，与主机基础件的连接一 般用螺钉。而一般框架是由各种型材组焊而成，或者是板材折弯组焊而成。 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 围板类一是附着在框架之上或围板之间相互连接固定于基础支架上。面积 较大的板块，内侧应设置加强筋。所有板块联结部位，一般应设置在内侧，所有 连接螺钉，尤其是正面和两个侧面，均不许螺钉外露，以保证外观的平整、光滑 和整体感。 运动轨道类它应用于防护装置运动件的运动支撑、导向中。有导槽形式、 滚轮形式、直线轴承、滑动导轨等。轨道走向有直线型、折线型、曲线型。 门窗类一它是用来方便操作、调整、维护、维修机床的。活动门窗类：推 拉门窗、铰链回转门窗。固定门窗类：非螺纹固定的门窗、螺纹固定门窗。 操作站类一悬挂式操作站、立柱式操作站、镶嵌式操作站、落地式操作站。 走线槽类它是机床传输管线的专用通道电信号、控制信号强弱电要 分离，中间用隔板隔开，防止信号干扰。 数控机床外防护的常规结构如下： ( 1 ) 数控机床外防护的左、右防护罩 无论是全封闭防护或是半封闭防护的数控机床，其外防护的左、右防护罩是 根据空间的位置来划分的。对于不同类型的数控机床，由于其主机的结构形式各 不相同，所以其左、右防护罩所防护的内容是不尽相同的，为了防护罩安装和维 护方便，一般在左、右防护罩体的侧面设有活动门。活动门大小应适当，活动门 与罩体采用刚性较强的铰链连接，并安装有门锁。例如：数控车床，一般地，机 床的左防护罩所防护的部件为主轴箱、电机，因此，在数控车床的左防护罩上要 设置通风散热孔；而在数控车床的右防护罩的侧板上都开有活动门，以便于维修 方便 ( 2 ) 数控机床外防护的防护门 机床操作时，首先要打开防护门，装夹工件、然后关上防护门开始加工工件 所以，防护门上设有把手。 数控机床防护门从外型上可分为直线型和弧形两种，其形状的选用与数控机 床外观造型中整体形状相匹配。窗口应覆盖机床的加工区域，因而在机床的加工 范围内的工件均可监视。在防护门的设计时，要保证其刚度和外观的平面度，因 此，防护门内侧设置加强筋板，以防其凸凹不平。考虑到防护门美观性和整体的 协调性，一般采用塞焊的工艺将加强筋固定在防护门的内侧。 对于全封闭防护的数控机床，只有通过防护门的防护玻璃窗口来观察工件加 工情况。因此，防护门上有两个重要的结构形式，一是观察窗玻璃的选择，二是 门把手的选择，为便于防护门的推拉，所以在防护门上都设有门把手。门玻璃一 般采用双层防爆玻璃，以防加工工程所产生的切屑造成防护门玻璃破碎，而引起 对操作者的伤害。若门玻璃应采用有机玻璃时，建议采用螺钉紧固结构【9 】。防护 9 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 玻璃内设有铁栅栏，以防工件意外飞出伤人l ”】 防护门的把手设计可分为直线造型和弧线型。在门把手的选择时，要与整个 机床的造型相统一，这样才能使数控机床外观造型具有完整性 1 6 1 。目前，数控机 床的门把手多为长型，这主要是出于人机工程学的角度考虑而设计的。对长型的 门把手的定位的限制相对于短型的把手要少，这样可以便于大多数的机床操作者 使用。 另外，在开合门的接缝处，务必设置迷宫式防漏结构，以防切削液的渗漏。 并在适当位置设置润滑冷却液回流导槽。在开合门上应设置机电安全联锁装置， 确保人身安全。 ( 3 ) 后罩 对于全封闭防护的数控机床的后罩所包容的设备为电器柜、变压器、冷却装 置等辅助设备，这样，使数控机床具有强烈的整体性。一般根据加工长度一般可 分为单门、双门。在后罩体门的设计上，要保证后罩门的美观性，门内侧应焊有 加强筋板。采用塞焊连接。 由于后罩所包容的设备在工作中都会产生热量，若这些热量不及时散发出 去，会对数控机床的加工区内的温度有影响，引起温升而造成加工精度的降低。 因此，要在后罩的门上开有大面积的散热通风孔 1 6 防护装置国内外研究现状 在国外，防护装置的研究主要方向是在工业设计方面，设计人员的主体是工 业设计师。企业设计和开发新产品的时候，会同时考虑产品设计师和工业设计师 的意见 1 2 , 1 3 , 1 4 】。所以国外对于防护罩研究主要是造型方面的研究，把防护罩作为 一个整体来研究它的特性的文献几乎空白，对防护罩设计的工艺性、结构设计以 及封闭空间散热性电磁辐射的研究甚少。 在我国，数控机床生产企业中的产品造型设计工作主要由工程设计人员和工 业设计人员共同完成，但多以工程师为主体，并且有相当一部分企业没有专业的 设计部门和人员。这种情况的出现是有一定的原因的。 首先是由于数控机床类产品的特点决定，其更新换代的速度比消费类产品要 慢得多，企业中产品造型设计的任务量不是很大，所以组织一个专门的工业设计 部门对于企业来说成本太高p “。 其次是国内一部分企业对于产品造型设计的重视程度不够。一些企业在完成 结构设计的基础上由工程设计人员完成对形体的简单“包络”，或者完全交给外 部设计机构来完成 1 6 1 7 3 2 1 。 所以国内把防护罩作为一个单独的功能部件来研究的例子很少，而且大多数 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 研究防护罩的文献也是停留在钣金分块设计和工业外型设计等方面。在工厂中， 防护装置作为数控机床的一个外观载体，还未受到足够的重视。 1 7 机床防护装置的振动 防护装置是一种庞大复杂的薄壁构件。它的整体设计一般是采用厚度为 2 m m 、材质是q 2 3 5 a 的钣金材料经过折弯机折弯加工然后通过焊接或是螺栓连 接制成。 由于防护罩钢板薄、加工尺寸大，连接复杂，而且防护罩是通过螺钉连接固 定在机床本体上的。那么防护罩的振动性能一定要满足设计性能。防护装置对机 床振动的影响主要是由于防护装置的装配刚性以及防护装置的悬伸过长引起的。 对于大中型机床来说，这种影响就更突出了。如果防护装置的刚度和强度不够， 一是影响机床的使用性能，二是影响机床的安全性能。如果组件或者构件的刚度 不足，会产生支承变形和安装无法对齐等现象。如果焊接强度不够，使用过程中 会产生断裂，这也是非常危险的。所以防护装置的振动可以通过增强防护装置的 安装刚性以及构件的刚性来解决。 1 8 本论文的主要工作 本文的研究是东北大学先进制造与自动化技术研究所与沈阳机床集团承担 的“多款数控车床外观及外防护设计”项目的延续，主要工作是降低数控机床防 护罩的振动。通过对防护罩的振动分析，根据分析结果修改并优化它的结构，最 后目的是降低防护罩的振动，提高其振动性能，把它的振动对机床的影响降至较 低水平，增强机床的安全性能和使用性能。 高速、复合、智能、环保是当今数控机床制造技术的发展方向。主机技术水 平的不断提高，要求配套的功能部件也必须相应地迅速提高水平，因而高精度、 高速度、高刚度、高可靠性、低振动、低噪声、低温升的高品质功能部件是数控 机床不断发展和扩大市场的客观要求。由于结构庞大复杂、制造费用高，很有必 要预先计算，从而使设计者对机床的特性有全面的了解，使整个设计更加完善。 机床本体在加工过程中会产生振动，这是不可避免的【3 耵。但是过多过强的振 动会影响被加工零件的加工精度，降低了产品的质量，降低了生产率。数控机床 的防护罩是固定在机床本体之上的一个重要的防护功能部件，它的本义是对机床 本体进行安全防护、精度保持、环境保护、隔声降噪、防潮隔湿。但是，如果防 护罩结构设计得不合理产生了刚度不够等问题，自身就会有振动产生，这种振动 如果较大就会影响机床的振动性能。这种振动是非常有害的，它不但违背了设计 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 机床防护体的初衷，而且产生了新的问题，是不容忽视的。 本课题的研究对象是沈阳机床集团的s s c k l 6 型数控车床外防护罩。这是沈 阳数控机床有限公司与东北大学合作的项目“多款数控车床外观及外防护设计” 其中的一款。本课题将主要对此外防护罩的振动性能进行了较为深入的分析和研 究，得到部分结构因素对防护罩振动性能的影响程度和影响方式，并且探讨有效 方法来降低防护罩振动。最后。为进一步完善结构、减少振动提出一些建议，同 时为数控机床的外防护结构设计提供可靠和科学的设计依据，一定程度上减少了 设计失误，缩短了设计周期。 本课题拟解决的关键技术： ( 1 ) 合理建立外防护有限元模型并对其进行网格划分； ( 2 ) 根据对外防护的整体a n s y s 有限元分析得到的结果，通过分别改迸防 护罩的某结构要素设计，得到各主要因素对防护罩振动影响的程度，最后根据 影响程度合理地改进防护罩设计，最后使其振动满足设计要求。 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章敷拄机床防护装置振动理论 第2 章数控机床防护装置振动理论 2 1引言 防护装置的振动从本质上讲就是板壳类组合构件的振动问题。研究防护装置 振动问题，首先要研究机床本体振动类型及其振源。在研究并了解了防护装置对 机床本体振动的影响方式之后，本章从板壳组合结构的角度去研究防护装置，从 而得出抑制防护装置振动的理论，并且在本章以后的内容加以应用。 2 2 薄板振动理论基础 防护装置从本质上而言是板壳组合装置，因此本文有必要对板壳类构件的理 论知识加以整理和研究。板壳的振动是一类特殊的振动，由于板厚较小，它的振 动理论也有特殊之处。这一节主要研究薄板的振动理论。 2 2 1薄板理论 板是一种平、直的( 扁平的，无曲度的) 表面结构物，它的厚度与其他别的 尺寸相比要小得多1 2 ”。在几何图形方面，板的周边可以是直线的，也可以是曲线 的。在静力学方面，板可以具有自由的、简支的、或固定的边界条件，其中包括 弹性支承和弹性约束，有时候也可以是点支承。板所承受的动力或静力荷载主要 是垂直于板的表面i 3 0 4 7 i 。 板的承载作用多少有些相似于梁或缆索。因此，根据板体结构的抗挠刚度， 板可以用格子梁或者索式网格来近似代替。由于板的二维结构作用，结果使得它 的结构比较轻，因此也就具有很大的经济价值l ”3 2 1 。很多结构，例如集装箱、船 舶等要求完全封闭的结构，使用板就可以很容易地满足这一要求，而不需要另外 再增加护盖，这样又进一步地达到了节省材料和劳动力的效果。虽然薄壳结构也 可以达到上述优点，甚至效果能更好些。但是由于很多的结构构建需要有平面条 件，因此妨碍了使用具有单曲面或双曲面的结构。利用壳体的三维承载能力可以 达到更多地节省材料的效果，但是由于它的造