数控机床防护罩外观造型的虚拟设计
刘 阳， 蔡光起， 姚 鹏， 王晋生， 毕雪峰， 朱春霞
（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110004）
摘 要：数控机床防护罩外观造型设计直接影响其在市场的竞争力，文章根据人机工程学原理对数控机床SSCK16 防护罩外观造型进行虚拟设计，利用AutoCAD 软件绘制二维图，用Solidworks 软件进行三维造型，然后由PhotoShop 软件生成数控机床外观造型图。
实践表明，采用虚拟设计可以缩短产品开发周期，降低开发成本，使产品更加具有竞争力。
关 键 词：计算机应用；数控机床防护罩；外观造型；虚拟设计
中图分类号：TG 506.1
文献标识码：A 文章 编 号：1003-0158(2006)03-0130-05
Virtual Design of NC Machine Shield Appearance ModelingLIU Yang, CAI Guang-qi, YAO Peng, WANG Jin-sheng, BI Xue-feng, ZHU Chun-xia( School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110004, China )Abstract: NC machine shield appearance modeling has great influence on the market. In thepaper, the shield appearance modeling of NC machine SSCK16 is designed based on ergonomics.The design is completed by using a serious software. The 2D drawings are created by AutoCAD,the 3D solid models are built by Solidworks, and the rendering pictures are built by PhotoShop.The virtual design is a good way for enterprises to develop new products because it can reduce thedesign time and the product cost to enhance competition ability of the NC machine in market.Key words: computer application; NC machine shield; appearance modeling; virtual design
床外观造型进行研究，提高其宜人性设计水平，改善人－机－环境系统的协调、统一关系，使机床更具有市场竞争力。
1 数控机床防护罩的设计原则
数控机床防护罩的设计应遵循安全防护装置的设计原则[2]：① 以人为本的设计原则。设计安全防护装置时，首先要考虑人的因素，确保操作者的人身安全；② 安全防护装置必须安全可靠的原则。安全防护装置必须达到相应的安全要求，保证在规定的寿命期内有足够的强度、刚度、稳定性、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳性，即保证其本身有足够的安全可靠度。安全防护装置的设计还要充分考虑可能发生的不安全状态。如误操作、意外事件、突发事件等特殊情况。数控机床防护罩是隔离防护安全装置，因此在设计中要解决人机系统的安全问题，首先考虑的是人的安全。隔离防护安全装置就是专为保护人身安全而设置的。该装置是安装在数控机床上的防护罩，是用来防止人进入危险区与外露的高速运动或传动的零件或带电导体等接触受伤害，或飞溅出来的切屑、工件、刀具等外来物伤人。
2 虚拟设计
随着计算机及现代化设计方法的发展，计算机在设计中的应用发展对新产品的开发步骤与过程亦发生了巨大的变化[3]。以计算机技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟产品设计，使新产品开发的设计与制造流程向着数字化、集成化的方向发展，在虚拟环境中，对产品进行构思、设计、分析和测试，摆脱了传统的产品开发的设计过程，二维设计向三维设计转变，几何模型向
虚拟的产品模型转变，实现了产品的设计评价、测试分析，使试生产与装配过程逐步由计算机仿真技术的虚拟装配过程所替代，从而解决了企业在产品开发过程中速度、质量、成本和服务的问题，大大提高了企业在市场中的竞争力。虚拟设计框图如图1 所示。
作者所研究的数控机床外观造型的虚拟设计正是遵循现代化设计方法对镜博士科技公司ETA50 的数控车床进行开发和研制。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主体构成。机床主体包括床身、传动系统、导轨、主轴、进给机构等部件。机床伺服系统是数控装置与机床的联接环节，它是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，接受数控装置（或计算机）插补生成的进给脉冲或进给位移量，驱动机床执行机构运动。它包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要是速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、排削、防护、润滑、防护、照明、储运等一系列装置）和附属设备（编程机和对刀仪等等）。
图1 虚拟设计框图
依据设计任务书规定的技术参数确定的有关尺寸数据，如数控机床主机的总长、总宽和总高等，决定数控机床防护罩外观的主要性能尺寸。SSCK16 数控车床防护罩设计材料是采用厚度为2mm，材质是Q235 的钢板折弯制成。利用AutoCAD 软件绘制二维图，用Solidworks 软件进行三维造型，然后进行装配干涉检验，最后由设计理念产品设计实体建模装配设计评价设计造型设计数字化原型
数字化加工数字化装配数字化评价虚拟样机工艺设计技术图样
第 3 期 刘 阳等：数控机床防护罩外观造型的虚拟设计 ·131·PhotoShop 软件生成的数控机床外观造型设计图，如图2，图3 所示。
图2 SSCK16数控机床防护罩俯视分布图图3 虚拟的数控机床防护罩造型
3 外观造型的宜人性设计
由人机工程学原理可知，产品的功能特点是通过人的使用体现出来的，而产品的结构形式是体现其功能的具体手段。数控机床的外观造型不仅要体现其功能的科学性、使用的合理性，还要考虑到舒适、安全、省力和高效等功能。要科学地利用人－机－环境3 个要素之间的有机协调，创造良好的生产环境。
3.1 整体造型的结构
工业造型设计的原则之一是构成造型形体大轮廓的几何线型要大体一致，达到线型风格的协调统一。数控机床的防护罩基本上由钢板弯折制成，主要用于安全防护，不影响机床的主要功能,因此在造型设计上有更多的创新自由度[4]。目前，数控机床的整体造型多以直线为主，板间的过渡经常采用圆角或斜面，这体现了简洁、明快和干净的设计理念。数控机床的防护罩在结构设计中一般分前罩、后罩、中罩、左罩、右罩、CRT和可视性的拉门。在设计SSCK16的数控车床防护罩时，将中罩和右罩合为一体制作从而减少接
缝，提高其美观性，如图4所示。
图4 数控机床防护罩的各组成部分
1: 前罩；2: 中罩；3: 拉门；4: CRT；5: 左罩；6: 床身；
7: 电箱；8: 后罩；9: 灯罩散热板；10: 散热板
 工 程 图 学 学 报 2006 年
在数控机床的防护罩设计中，一定要有散热装置的设计。众所周知，在机械加工过程中，由于切削热、摩擦热以及环境温度等的影响，工件、刀具和机床都会因温度的升高而产生变形，使工件和刀具之间的相对位置发生变化。工艺系统的热变形对加工精度有显著影响。—些研究指出，在现代机床加工中，热变形引起的加工误差占总误差的50％。数控机床工作时，切削热是主要热源之一，部分切削热由切削液和切屑带走，当它们落到床身上时，也把热量传给床身，形成二次热源(即派生热源)。
另一主要热源是轴承、齿轮副、摩擦离合器、溜板和导轨、丝杆和螺母等运动副的摩擦热，以及传动系统的摩擦热(如电动机和液压系统的发热)。此外，摩擦热还通过润滑油的循环散布到各处，以及日光、照明及其他外部热源对机床都会产生不同程度的热变形，从而影响数控机床的高速、高精和高效加工特点。由于数控机床的防护罩是全封闭的结构，为了保证加工的精度要求，在设计中采用散热板如图4（c）中的9 和10 所示。考虑到防护罩的运输和安装的需要，在设计 数控车床时，在防护罩的内侧设计了吊环以方便安装。此外，还设计了报警装置，如图5 中，防护罩的上部左侧的彩灯。当机床运行发生异常状态，工艺过程参数超过规定值时，此彩灯成红色并声音报警。这样，可以减少事故损失及不必要的人身伤害。
图 5  效果图
在拉门的设计中，采用了联锁防护门。即拉门不关上，机床就不能启动；若是拉门打开，机床立即停止运行。其工作原理是拉门兼起动电气开关的作用，这样就可以避免操作者由于误操作或是其它因素造成的事故伤害。数控机床的防护罩虽然是一种安全防护装
置，同时也是现代机械加工设备——数控机床的外包装。因此，在加工制造过程中应注意以下几点：
（1）防护罩都是由钢板经过折弯机加工通过焊接或是螺栓进行联接，由于钢板薄、加工尺寸大，极易发生扭曲变形。若尺寸过大，需在罩体的内侧设置加强筋，这样即可以保证强度，同时也增加外观造型的美观性。
（2）防护罩外表面不应有焊点，外侧不许有烧痕，外侧抛光；内侧焊缝表面光滑平整，焊缝不得漏水。包装运输及安装时，不许表面划伤及损坏变形。
（3）防护罩在喷漆、喷塑的过程中，一定要注重其质量效果。因为喷漆、喷塑不仅是外观色彩的装饰而是防腐蚀所必须的。
3.2 色彩设计
色彩是最具视觉冲击力和表现力的，数控机床的色彩效果会直接影响人们对机床的第一印象。数控机床的色彩不仅可以反映出机床的整体设计水平，而且对操作者的生理、心理和整个作业环境都产生直接影响。良好的数控机床外观件色彩有利于用户提高劳动效率并改善用户的工作条件。因此，外观件的色彩设计在数控机床造型设计中占有重要的地位。数控机床的色彩力求单纯,一般2~3 色为宜，色彩越简洁醒目，整体感越强。在对数控机床SSCK16 的外观色彩设计中，采用浅灰色为主调色，拉门、CRT 及前罩的下部为深灰色。这种色彩的搭配具有高雅、精致、稳重的感觉，符合数控机床自身的高精度、高可靠性等特点，如图
5 所示。
在色彩学中，灰色的原意是灰尘的色，它介于白和黑之间，属于中等明度、无彩度的色。从生理上分析，它对眼睛的刺激适中，既不刺目，也不暗淡，属于视觉最不容易感到疲劳的颜色。这种颜色在机加车间中，会给操作者以休息、抑制、柔和、安静、朴素、大方的感觉。从而缓解操作者在数控机床精密加工过程中的精神高度集中和紧张的状态。但是，浅灰色也会使人产生枯燥、单调、没有兴趣、甚至沉闷等印象。为了解决这个不良效果，在设计中采用小面积的较高纯度色或亮丽的光泽色彩进行点缀，如图6 所示，在防护罩的前罩体的顶端加入一条宽为10cm 的红色线条。这亮丽的红色调节了整个数控机床的色彩，因为红色象征兴奋和快乐，这样使得原本单调的浅灰和深灰的颜色配置，变为沉静而不沉闷。这样令操作者在精神愉快、环境舒适中进行生产，从而减少工作疲劳，提高生产效率。
图6 改进后的效果图
4 结论
通过对数控机床防护罩外观造型的虚拟设计的实现，使产品开发研制的过程为可视化，可以缩短产品的开发研制周期，降低成本，使产品在市场上更加具有竞争力。另外，合理美观的造型设计、宜人的色彩、舒适的表面质感可以在机床市场竞争中吸引更多的用户，争取更高的市场占有率，创造更多的经济价值，从而振兴我国的数控机床产业。目前，这台数控机床的设计方案已经投入生
产，其样机将参加2006 年2 月在上虞召开的数控机床展览会。
参 考 文 献
[1] 张曙. 数字化制造——机床工业的未来[J]. 数字
化制造与装备, 2005, (3): 127-130.
[2] 欧阳文昭, 廖可兵. 安全人机工程学[M]. 北京: 煤
炭工业出版社, 2002. 201-208.
[3] 徐人平. 工业设计工程基础[M]. 北京: 机械工业出
版社, 2003. 326-348.
[4] 杨维平, 李纶, 徐人平. 加工中心造型设计[J]. 现
代机械, 2002, (1): 41-43.