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数控车床的特点及安全问题探析

摘要：数控车床具有高柔性且加工精度高，有高效率且利于生产管理，要求操作者具有较高的工艺、编程理论知识等特点，在操作过程中，一下安全问题可以通过一下方式来减少：数控车床常用指令的编程要正确，数控车床加工程序要有安全检查，排除机床数控系统或机械故障，坐标系、刀补的设置必须正确，注重教学管理,减少事故发生的概率，设置物理结构隔离机器与操作人员。通过对数控车床的特点的了解可以减少安全事故的发生。

数控车床加工质量好，生产效率高，操作简单等优点，但在生产过程中容易出现安全事故，因此了解数控车床的特点积极其安全问题可以提高生产效率，保证操作人员的安全。
1 数控车床的特点
普通车床的加工范围、加工质量和生产效率因受到设备和操作人员技术水平的严重束缚，不能满足新产品的开发，阻碍生产率和产品质量的提高。从发展较快的地区和企业中已经发现，数控车床目前正迅速地应用在生产加工当中。我们在对加工零件的工艺分析和大量的相关试验中，了解并体会到数控车床可以加工的范围是相当广泛的，且生产效率亦很高。数控车床为什么有如此大的优势，是因为它具有如下的特点:
1.1 具有高柔性且加工精度高。
大部分人都认为，自动化程度较高的数控车床成本高，不适宜单件、小批量的零件加工。这种认识带有一定的片面性。因为我们只需要修改加工程序而不必对数控车床上任何部分进行改动就能加工出我们所需要的各种成型面，使得数控车床在单件、小批量工件的加工中体现出普通车床没有的无与伦比的特点。同时，由于数控车床是使用电子脉冲技术来保证加工精度的，其脉冲当量为每脉冲1微米(高精度的数控系统可达0.1微米)，能完全确保工件的技术要求，完成高精度零件的加工。
1.2 具有高效率且利于生产管理。
因为数控车床具有高柔性和加工精度高的特点，使得加工质量容易得到保证，机电一体化的应用又使得它明显降低了操作者的劳动强度，缩短了加工中的机动时间和辅助时间，因此，加工成本显著下降，而生产效率得到提高。数控车削加工中各种数据的定量化及加工时间的一致和固定，使得生产管理过程简单化，又因计算机已逐步应用于生产管理，而数控加工又为生产管理水平的提高提供了科学、准确的依据，从而使车削加工的生产管理(如定额管理等)能够更科学和标准。
1.3要求操作者具有较高的工艺、编程理论知识。
在普通车床上加工形状特别复杂或精度较高的零件时，往往依靠老工人丰富的经验和熟练的技巧进行人工控制后来完成，对于新巨人.这些技能部不具备。而数控车床的操作则摆脱了这方面的缺点，它只对操作者的工艺编排和编程能力有较高的要求。
数控车床的加工范围和特点
1.4 以哈挺数控车床描述其特点
1.4.1数控车床的特点
我们使用的是长城机床厂生产的cK3732A型全功能数控车床，其特点有:
(1)加工范围广，能加工圆柱形、圆锥形、阶梯形、左右螺纹、锥螺纹及英制螺纹、圆弧曲面和各种内外回转曲面。
(2)程编方便、机床重复定位精度在O.Olmm之内。
(3)刀位多。上刀架6把刀，下刀架可同时安装8把刀。可以在一次装夹中加工各种不同的表面。
(4)机床自动对刀，换刀迅速，辅助时间少。“哈挺机床”最初创建的时候，主要生产系列车床及数控车床、车削中心，经过百余年发展，其数控车床及车削中心产品品质在行业内具有显著代表性。目前哈挺数控车床主要包括Q U E S T、T A L E N T、ELITE三个系列，其中ELITE系列已经可以在上海有限公司组装制造。以Q U E S T系列为例，哈挺数控机床其主要结构特点主要包括以下几个方面：
1.4.2 床身设计结构特点
哈挺数控车床床身材料主要采用纯大理石、大理石或花岗岩填充、铸铁三种，相比较其他品牌机床而言，许多其他品牌数控车床铸铁床身存在空腔，在切削过程中，当切削到工件上砂眼、硬性夹杂等部位时，会产生局部断续切削，在强力切削超硬材料时，也会产生切削振动波，由于空腔部位不能阻止或消除振动波。随着这些振动波在床身上的延续，将会影响刀具切削的连续性，在工件表面产生微小的振纹，将对工件表面精度造成影响。通过采用大理石或花岗岩填充，可以有效消除切削过程中的有害振动波，消除工件表面振纹，从而提高工件表面加工精度3 0%左右，并可提高刀具寿命3 7%。对于无填充的铸铁床身（主要用于E L I T E系列）采用宽肋筋加强床身，进一步增强刚性和减振性。正是由于上述特点，使得哈挺数控车床床身与其他品牌同类型机床相比更重，刚性及消振性更好。
1.4.3 主轴设计结构特点
哈挺数控车主轴分为机械式主轴和电主轴两大类。其中机械式主轴为哈挺专利产品，其设计结构非常有特色。哈挺数控车采用的机械式主轴主要有五种结构，即弹簧夹头（工件全包容，夹持长度最短）、快换式夹头（大批量生产，在弹簧夹头之间，全部由橡胶垫填充，使杂质无法进入适配器，并适用于各种形状弹簧夹头结构）、台阶式卡盘（适合大直径零件装夹）、内涨式结构（主要用于薄壁零件，或以内孔为定位基准的零件）、三爪自定心卡盘式。对于Q U E S T系列数控车床而言，多采用内置式弹簧夹头，对T A L E N T系列多采用三爪自定心卡盘。哈挺数控车床主轴最高转速可达6000r/min，哈挺的内置式弹簧夹头带有内锥结构，如图1所示，与常见的通用机械式主轴结构（图2）相比，具有以下显著优点：

图1 数控车主轴结构

图2 数控车床主轴结构

2数控车床安全问题探析
2．1数控车床常用指令的编程技巧
程序编制是数控加工至关重要的环节，提高编程技可以在很大程度上避免一些不必要的碰撞安全事故。
数控车床的加工步骤一般为开机—回参考点(建立机床坐标系)—编制程序—图形模拟(检查加工轨迹是否正确)—对刀建立工件坐标系)—自动加工。但在对刀—自动加工之间存在着一个不安全的因素,假如对刀不正确,刀具从参考点出发就不能正确的找到工件坐标系,自动加工时就有可能发生撞刀的事故。这是数控车实习很多起事故发生的直接原因。以前的解决办法通常是在机床操作面板上按下单节按钮,使程序一步一步执行。假如发生错误时机床不再执行下一步运动。但这样仍会执行本段程序,发生事故的可能性仍是有的。我校实训中心教师根据经验开拓思路,编制了检验对刀正确与否的数控程序。在加工前检验每一把刀对刀的正确性,这样发现了错误可以及时改正,从而避免了由于对刀错误引起的事故。加工工件的质量也有了较好的保证。

2.2数控车床加工程序安全检查
1）利用计算机模拟仿真系统
随着计算机技术的发展，数控加工教学的不断扩大，数控加工模拟仿真系统功能越来越完善，已能模拟数控车床编程操作的整个过程。因此可用于初步检查程序，观察刀具的运动，判断是否产生碰撞。
2）利用数控系统自带的模拟显示功能
现时较为先进的数控系统都带有图形显示功能。当输入程序后，可以调用图形模拟显示功能，详细地观察刀具的运动轨迹，以便检查刀具与工件是否出现碰撞。
3）利用数控车床的空运行功能
利用数控车床的空运行功能可以检查走刀轨迹的正确性。当程序输入机床后，可以装上刀具或工件，并进行对刀，对刀完毕，将工件取下，然后按下空运行按钮，此时主轴不转，刀架按程序轨迹自动运行，此时便可以发现刀具是否有可能与工件或夹具发生碰撞。在这种情况下必须保证卡盘上没有安装工件，否则会发生碰撞。
4）利用数控车床的锁定功能
一般的数控车床都具有锁定功能，当锁住开关为ON时，机床不运动，但位置坐标的显示和机床运动一样，并且M、S、T都能执行。当输入程序后，锁定X、Z轴，自动运行加工程序，通过X、Z轴的坐标值判断是否会发生碰撞。
2.3机床数控系统或机械故障
步进电机出现机械故障，或者由于步进电机下的接线在操作中被拉断，步进电机与滚珠丝杠之间连接销钉脱落，使电机与拖板之间移动不同步，或丝杠中有异物（如切屑等），造成机床两轴中其中一个方向不动或移动缓慢，使机床出现撞车事故。操作时应做到观其色，听其声，发现异常及时处理，机床导轨及丝杠使用完毕应清理干净。撞车现象应以预防为主。首先应使操作人员熟悉系统的各种操作，掌握系统功能键，达到能熟练操作，减少失误，将错误操作的概率降至最低点；特别是对开始使用系统的初学者来说，应对照操作步骤，一步一步地进行，避免失误；操作人员编程时，应根据工作特点进行；退刀和回零的顺序是先退X向，还是先退Z向，应按工件的形状及加工位置确定；操作者应注意机床的保养；在平时加工后，丝杠、导轨应擦拭干净，避免切屑等杂物夹在滚珠丝杠和导轨内，造成加工出现误差，损伤导轨，影响加工。
2.4坐标系、刀补的设置必须正确
2.4.1切削参数的正确选择是基础
随着计算机软件技术的发展,计算机模拟学习成为了初学数控技术人员的首选,初学者在这里可以学会一些基本操作但在计算机模拟中一些加工参数的选择及切削速度、吃刀量的要求都与实践有很大的距离。在计算机模拟时,走刀速度可以很快,吃刀量也可以很大。但在实践操作过程中,参数选择过大就会造成蹦刀,损坏工件、刀具或机床等后果。所以,在数控加工中,切削参数的选择是困扰数控零件加工的大问题。由于切削参数的选择不当会导致过切、变形、超差等问题造成零件报废。在生产实践中,对机械加工的效率影响最大的是切削深度进给量和切削速度。因此,在实践应用中主要考虑这些参数。在选择切削用量的时候,还要考虑到工件的装夹问题。如果工件装夹得稳定牢固,切削用量就可以选得大一些;相反如果装夹得稳定性差,那么切削用量就要选得小一些。
2.4.2数控加工工艺路线的正确选择是核心
数控加工与传统加工方法虽有许多共同之处,但它在工艺设计方面有许多独特的地方。在目前数控加工技术应用中,因工艺设计不合理而引起的质量问题和效率低下屡见不鲜。加工工艺路线是按图纸、工艺单要求确定加工路线,为保证零件的尺寸和位置的精度,要选择适当的加工顺序和装夹方法。在确定过程中,要注意遵循先粗后精、先近后远、内外交叉等一般性原则,编程中应将工件的余量考虑进去,避免事故发生。
2.5注重教学管理,减少事故发生的概率
2.5.1建立设备使用的规章制度,制定安全操作规程
要保障数控实习的安全教学一定要做到严格管理。而要做到严格管理的前提是要有制度可依。实训中心根据数控车床自身的特点制定了“使用数控车床的规章制度”和“数控车床安全操作规程”。并张贴在实训车间,使每一个学生都能了解到。所制定的规章制度明确表达了指导教师要对学生负责这一重要思想,增强了指导教师的责任心。学生在使用设备前要向指导教师提出申请,并要填写设备使用记录。使指导教师能清楚的知道谁在操作设备,这样也便于指导教师根据学生的具体情况进行辅导。万一发生事故也能很快的找到责任人,同时加强了学生自己的责任心。实训中心制定的《数控车床安全操作规程》非常详细,从加工前的准备阶段到加工阶段都有很细致的要求,对于易发生安全隐患的环节如建立工作坐标系、图形模拟、自动加工等还作了特别的提示。如果严格按照《数控车床安全操作规程》去做,就能很好的预防事故的发生。
2.5.2广泛开展对学生的安全教育
实训中心在严格执行规章制度的同时还采用多种形式开展对学生的安全教育。使学生明确安全生产的重要意义以及事故发生的危害性、严重性。数控车床的按扭和转扭很多,有的学生在刚开始实习时好奇心,总想尝试着一些操作,针对他们这一心理,实训中心教师耐心的向学生讲解严格按照指导教师制定的教学计划学习的必要性,从而增强了学生对安全操作数控车床的正确认识。此外,实训中心还开展以“安全生产”为主题的讨论会,让学生各抒己见发表自己的安全生产的体会。请企业数控技师向学生讲解企业里的实际工作环境。使学生意识到现在就要严格要求自己,为将来的工作打好基础。通过这一系列的安全教育活动,学生们安全生产的意识提高了,在实习过程中大都能按照“数控车床安全操作规程”来做,增强了实习过程中的安全性。

2.6设置物理结构隔离机器与操作人员
    矩形金属软管采用全金属结构，适应于各类金属切屑机床及切割机床防止高热铁屑对您供电、水汽线路的损伤保护劳动安全。

盔甲式机床防护罩是在柔性风琴式防护罩的基础上，外表面加上不锈钢片，可替代狭小空间钢板防护罩不能替代的位置防护，具有外表美观，重量轻，无噪音，熟读快等特点。可分为固定式、活动式盔甲式机床防护罩。

代号
名称

代码
名称
Lmax
拉伸后长度

D
外圈直径
Lmin
收缩后长度

D1
内圈直径
L1
下部连接长度

d
连接处外径
L2
上部连接长度

d1
连接处内径

可以用来对丝杠、光杠、立柱、心轴及其它的圆形旋转柱体进行防护。此种护罩可以水平或垂直使用。水平使用时建议使用塑料或铝的支撑环，保持护罩内腔与丝杆之间有一定均匀的距离，延长使用寿命。拉伸长度大时可以在每个折中加上金属环，提高护罩的稳定性。连接或固定端通常使用金属法兰盘，也可以选择套箍式。

3 结语
实训中心数控车床实践教学安全体系建立以后,数控车实践课的安全性大大提高了。保质保量地为社会培育了大批数控车的应用型技术人才。实践证明:了解数控机床的特点，以及容易产生故障的环节进行预防，加强安排教育管理可以有效减少操作过程中的安全问题，可以在其它工种的实践中推广。