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數(shù)控水射流切割機械環(huán)境控制與安全防護研究

文檔作者：胡滔陳功岳良建宋海娃文檔來源：中國礦業(yè)大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月27日
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學術(shù)交流
理論/研發(fā)/設(shè)計/制記
數(shù)控水射流切割機械環(huán)境控制與安全防護研究
胡滔,陳功,岳良建,宋海娃
(中國礦業(yè)大學,江蘇徐州221116)
摘要:環(huán)境控制和安全防護是人機工程學的重要研究內(nèi)容,文中從人機工程學出發(fā),對數(shù)控水射流切割機械的工作特
點及存在的安全與環(huán)境要素進行了分析,分別從人、器、環(huán)境的防護角度,對各環(huán)境與安全提出了設(shè)計與改進的措施,
對提高系統(tǒng)效能有一定的促進。
關(guān)鍵詞:人機工程水射流切割:環(huán)境控制安全防護
中圖分類號:TG664
文獻標識碼:A
文章編號:1002-2333(2010)05-0021-03
 Research on CNC Water-Jet Cutting Machine's Environmental Control and Security
 HU Tao, CHEN Gong, YUE Liang-Jian, SONG Hai-Wa
 (School of Art and Design, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116. China)
 Abstract: The environmental control and security protection is an important research content of Ergonomics. Starting
 from the Ergonomics, this paper analyses of CNC Water-Jet Cutting machine's working characteristics existing safety
 and environmental factors. Then from view-point the human, the machine and environmental protection, the paper
 proposes the design and improvement of the various environmental and safety measures, which can promote the
 Key words: e
 es: water-jet cutting:; environmental control: safety
1環(huán)境控制與安全保護是人機工程學的重要研究內(nèi)容合心理學、生理學、功能解剖學、物理學、數(shù)學、工程學各
人機工程學是研究人、機械及其工作環(huán)境之間相互方面的知識,把人機環(huán)境作為一個整體來研究,從而獲
作用的學科。在經(jīng)歷了以工程技術(shù)為主要研究內(nèi)容的經(jīng)得系統(tǒng)的最高綜合效能。
驗人機工程學,和以人為中心、使機器適應于人的科學人
環(huán)境控制與安全保護作為人機工程學的重要研究內(nèi)
機工程學之后,現(xiàn)代人機工程學著眼于機械設(shè)備的設(shè)計,容,主要考慮從長遠利益出發(fā),如何設(shè)計環(huán)境及進行安全
使機器操作不超過人的極限,并密切結(jié)合實際和實驗,綜保護以保證人在長期工作下健康不受影響,減少事故危
基金項目:中國礦業(yè)大學青年科技基金項目(0V061039)
險性,并獲得較好的心理舒適性。
 SPoint]T:第i個采樣點切向光柵值;
表13906T型齒輪測量中心測量齒廓樣板偏差數(shù)據(jù)
Data[i]:第i個采樣點激光干涉儀值;
螺旋線偏差總偏差/m形狀偏差/um斜率偏差/m
 Error[i]:第個采樣點光柵與激光干涉儀值偏差
修正前數(shù)據(jù)
22
1.6
2.0
第i段數(shù)據(jù)補償公式:
修正后數(shù)據(jù)
18
11
0.7
 K [i]=m_error[/m_travel
樣板自身檢定值11
0.8
0.5
計算出K[i]值存系統(tǒng)INI文件中,在系統(tǒng)菜單項中
在3906T型齒輪測量中心上對切向?qū)к夁M行補償處
添加一個點選菜單,可根據(jù)需要選擇要不要添加軟件切理,提高了本儀器的齒廓測量精度。這個功能模塊的開
向光柵補償功能。
發(fā),對更大型號的齒輪測量中心是個技術(shù)儲備,使齒輪測
切向光柵各測量點偏差計算公式:
量中心的軟件功能和儀器精度上了一個新的臺階。
 m_SPoint [i].T=m_SPoint [i].T-(m_SPoint [i].T-
參考文獻]
 m_SPoint[i-/].T)"K[i]
]康博創(chuàng)作室 Visual++6.0程序設(shè)計[M]北京:清華大學出版
社,1999
3補償前后測得齒廓樣板數(shù)據(jù)比較及結(jié)論
2]張安發(fā)圓柱齒輪精度[M]北京:中國標準出社2002
3906T型齒輪測量中心切向?qū)к売每蓽y行程為3]傅繼盈,蔣秀珍機械學基礎(chǔ)[M]哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版
150mm,以5mm為采樣間隔整個行程采集30組數(shù)據(jù),根
社,1998
(編輯明濤)
據(jù)有30組數(shù)據(jù)對切向?qū)к夁M行30段分段補償,補償后作者簡介:趙書博,男,主要從事測試計量技術(shù)與儀器制造研究方面
測量齒廓樣板偏差與補償前齒廓樣板偏差數(shù)據(jù)比較如表
1所示。
工作
收稿日期:2010-01-08
機械工程師2010年第5期21
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學術(shù)/發(fā)/設(shè)計/制造
2數(shù)控水射流切割機床的工作特點
3.3濕度和灰塵
數(shù)控水射流切割(Water Jet Cutting)機床是在數(shù)控平
水在水射流切割機床
臺的基礎(chǔ)上,利用高壓高速水流對工件的沖擊作用來加中有三種應用,其中循環(huán)冷
工材料。它運用液體增壓原理,通過高壓泵,將電動機的卻增壓泵的水和卸載切割
機械能轉(zhuǎn)換成最高可達400MPa水的壓力能,并使其通壓力的池水對環(huán)境濕度影
過直徑約0.1mm的小孔寶石噴嘴轉(zhuǎn)變成動能,過加入響較小;切割用水通過加壓沖擊波
膨脹波
特定磨料,形成可達1000m/s的高速混合水射流沖擊工后經(jīng)高壓管輸送至噴嘴,混
件表面,從而實現(xiàn)切割和去除材料。
合了磨料金剛砂后,然后以
水射流加工是符合綠色制造概念的一種新技術(shù)、新06~0.8mm的極細孔徑高圖2射流沖
沖擊作用
工藝。以其優(yōu)異的加工質(zhì)量、較高的加工效率、較強的適速射出形成切割力。在材料去除過程中,小部分砂水混
應性、方便的自動化控制及相對低廉的成本,數(shù)控水射流合物形成膨脹波反射回空氣中,形成水霧和灰塵。當切
切割機顯現(xiàn)出多項傳統(tǒng)切割無法比擬的優(yōu)點,在諸多行割壓力不足或切割速度過快時,水霧和灰塵增大,顯著
業(yè)得到廣泛的應用和較快的發(fā)展。本文以較為普遍的工影響空氣濕度,不僅降低了能見度,使操作者對切割情
業(yè)用數(shù)控龍門式磨料高壓水射流切割機床為例,對其環(huán)況觀困難,而且影響操作者健康和機器壽命。
境和安全因素進行分析。
通過對成因的分析,對濕度和灰塵的防控應從減少
3數(shù)控高壓水射流切割機的環(huán)境和安全要素分析
發(fā)生源、環(huán)境調(diào)節(jié)和操作者個體保護幾方面來進行。
高壓水射流切割機床作為發(fā)展較快、應用廣泛的數(shù)3.4噪聲
控機床,其操作安全性及工作中不良環(huán)境影響因素亟待
噪聲危害不僅影響工作效率,損傷聽覺、視覺器官,而
解決。因為加工原理和方式迥異,普通水射流切割機床與且對人體產(chǎn)生較多生理影響。在水切割加工中,噪聲主要
傳統(tǒng)機床的環(huán)境、安全要素有很大的不同,因此應根據(jù)人分機械噪聲和空氣動力學噪聲兩種。機械噪聲指電動機、
機工程學對不同的環(huán)境和安全要素進行分析,相應提出水泵、增壓泵及增壓器、氣泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲,該部分部件
有針對的防護措施和解決辦法。
大部分集中在高壓柜內(nèi),因此可采用機械密封加以隔音。
從人機工程學來看,事故控制與安全設(shè)計人與環(huán)境
高壓水射流以1000m的速度從噴嘴射出時,與
的界面設(shè)計是兩個重要內(nèi)容,由于數(shù)控高壓水射流切割空氣摩擦并切割材料進入水池,發(fā)出可達70-100dB的噪
機自身的工作特點而帶來的安全問題較簡單,因此在這聲,特殊情況甚至超過120dB。能否有效降低噪聲,很大
里對存在的環(huán)境問題主要影響子因素(溫度、濕度和灰程度上關(guān)系到操作者的身心健康受影響的程度
塵、噪聲)作了分析。
實驗證明,噴嘴距承載水面距離,即水射流在空氣
3.1安全問題
中運行距離與噪聲成近似線性的反比,并隨壓力增加而
除了固有的電、電動機工作的安全外,由于高壓水的增大而被切割物體的材料和厚度則對噪聲大小影響甚
產(chǎn)生借助于高壓泵液壓,因此泵體、高壓輸送水管的強微。因此可以認為,加工噪聲主要來源于水射流與空氣
度、聯(lián)結(jié)裝置的緊密程度對使用者安全有影響。
的摩擦。
噴嘴產(chǎn)生的混合了磨料的水射流具有極高的動能,4基于人機工程學的控制和防護措施
當切割速度過快或切割壓力不足以破壞被切割材料時,在人機工程學中,4M法是事故控制的重要策略,4M
容易產(chǎn)生濺射。按切割要求在被切割材料表面雕刻出指即人(Man)、機械(Machine)媒體和環(huán)境(Media)管理
定紋路而不穿透材料時也會產(chǎn)生濺射。濺射物可能對操( Management)針對數(shù)控高壓水射流切割機的特點及
作者形成健康損害。
以上的安全和環(huán)境要素分析,在此重點從人、機、環(huán)境三
3.2溫度
個系統(tǒng)提出設(shè)計和改進措施,旨在保護機器和環(huán)境時,使
連接電動機的增產(chǎn)品和工作環(huán)境適宜操作者,從而達到通過人機工程學
壓泵為主要擴散熱源,應用提高系統(tǒng)整體效能的目的。
60
50
增壓泵溫度高壓管輸送高壓水至4.從機器(Machine)出發(fā)
40
一高壓管溫度
一環(huán)境溫度噴嘴,由于管徑較小,
(1)高壓柜結(jié)構(gòu)調(diào)整及全封閉設(shè)計
30
20
其溫度上升較慢,擴散
10
范圍較小。隨工作壓力
012345678
的變化、外部溫度的不
圖1溫度變化
同,圖1所示三者溫度
上升會有小幅變化。且操作者離高壓柜越遠,溫度上升曲
線越趨于平緩。在外部環(huán)境15℃、工作壓力為250MPa
時,通過機器溫度表及環(huán)境測量,操作者工作環(huán)境溫度如
圖3高壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4密封柜體
圖1所示變化。
22機械工程師2010年第5期
 with Aspose. PDF. Copyright 2002-2019 Aspose Pty Ltd.
學術(shù)交流
■理論/研發(fā)/設(shè)計/制造
通過結(jié)構(gòu)設(shè)計,將主要發(fā)熱部件增壓泵、高壓管、增使水位恢復即可。
壓器集中,同時集中機械噪聲發(fā)生部件電動機和增壓泵,4.2從媒體環(huán)境(Media)出發(fā)
在保證空間布局緊湊合理的基礎(chǔ)上,加以全密封柜體設(shè)(1)保證工作環(huán)境通風。水切割加工對環(huán)境的溫、
計,并增加骨架及鈑金件強度,并在后側(cè)面留有散熱百葉度影響可通過改善工作環(huán)境緩解。寬敞的環(huán)境、通暢的通
窗及散熱風機。
風可增加機器的降溫效果,延長持續(xù)工作時間,同時有效
在四個方面有良好的效果。一是安全防護,使主要部降低因此帶來的工作環(huán)境溫度上升,大幅緩解濕度和灰
實際證明,加強的全封閉柜體在保證散熱的同時
黑箱工作,減小了事故風險;二是對外部濕度及灰塵進
(2)設(shè)置活動擋板及地面引水槽。通過合理的地面引
行有效防護,使機器在長時間工作下保持清潔和干燥;水槽設(shè)置,使工作產(chǎn)生的地面水及時流向固定位置,便于
三是使熱量輻射朝固定方向進行,有效減少了對環(huán)境和排放和清理,保護了工作環(huán)境和外部環(huán)境。
操作者的輻射;四是隔斷機械噪聲源,大幅度減小了操(3)合理空間布局。水射流切割機床分高壓柜、控制
作者的工作環(huán)境噪聲,經(jīng)測量,同等距離處機械噪聲可柜、切割平臺、加沙裝置和氣泵、儲水罐等輔助設(shè)施等,通
減少至30%。
過合理布局工作空間,可有效提高工作效率和改善環(huán)境。
(2)警示標貼與提示
重點是將控制柜和高壓柜分放在切割平臺兩側(cè)或同側(cè)兩
在柜體電器盒、增壓泵,電動機、噴嘴上方、切割平臺端,以減少可能的事故危險和溫度、機械噪聲對操作者的
兩端等顯著位置,粘貼警示電氣危險標志、“防止燙傷”、影響
“小心手”、“危險”等警示標貼與安全提示,以對操作者進4.3從人(Man)出發(fā)
行提醒,減小因操作失誤而引發(fā)事故的可能。同時在控制
(1)個體防護。操作者在工作時,應佩戴防護設(shè)施。如
軟件界面上用聯(lián)動開關(guān)顯示不當操作引起的可能危險的防護服、水靴、橡膠手套、護目鏡、防塵面具等,以有效減
信號。
小安全事故和不良環(huán)境因素對人的影響。
(3)限位裝置
(2)安全教育。從主動的角度,對所有機器操作者都
水切割機床采用計算機控制數(shù)控平臺,有自動運應進行上崗前的安全培訓和操作規(guī)范培訓,對應當注意
行和手動兩種模式,為防止因設(shè)計程序錯誤或手動運的問題和操作流程中可能發(fā)生的意外進行警示,從主觀
行不當而使機器在高速運行時超出規(guī)定行程,分別在上提高安全意識,規(guī)范和熟練操作。
速運
其X、Y方向運行止點前150mm處,設(shè)置限位開關(guān),當5結(jié)論
開關(guān)被觸動時,機器該方向運動立即停止,在軟件界數(shù)控高壓水射流切割機械以其諸多的優(yōu)點和加工
面上顯示相應安全提示消息,并確認危險解除時方能特點得到了廣泛的應用和快速的發(fā)展。與傳統(tǒng)切割相
重新運行。
比,水切割是一種經(jīng)濟、高效、相對環(huán)保的方式。本文從
(4)防護罩
人機工程學出發(fā),通過實際操作和實驗,對水切割的加
切割加工中顯著的空氣工特點、環(huán)境控制和安全防護要素進行了分析,并從人
動力學噪聲、環(huán)境濕度、灰塵機、環(huán)境的角度提出了不同的設(shè)計方法、解決方案和防
都來自于切割刀頭,即水射范措施,以期有效解決或降低不良因素的影響,實現(xiàn)系
防護罩流從鎢鋼砂管噴嘴中射出作統(tǒng)效能的提高,使水切割加工技術(shù)更加符合“綠色加工”
砂管
用于材料的過程。因此從阻概念。
斷源頭的方法考慮,在砂管
參考文獻]
被切材料上加上透明工程塑料防護]陳光明數(shù)控超高壓水射流切割技術(shù)的特點及應用口]機床與
圖5防護罩
罩,端部與砂管端部齊平。防液壓,2007(8):64-68.
護罩為可拆卸易損件。實驗[2]李棟基于人機工程學的機械系統(tǒng)人機界面舒適性研究[D]西
證明,由于透明,防護罩對切割觀察影響很小,可以大安:西安建筑科技大學機電工程學院200
幅降低噪聲,阻止砂水混合物由于膨脹波的噴濺,從而實(3]董慶華數(shù)控高壓水射流切割機的研究與設(shè)計[D]合肥:合肥
現(xiàn)減小濕度和灰塵的目的。
學
工業(yè)大學電氣與自動化工程學院,2007
(5)水下切割水位開關(guān)
4]丁玉蘭人機工程學[M]北京:北京理工大學出版社,2005
水下切割可從根本上有效減少噪聲和灰塵噴濺,但
(編輯明濤)
同時會降低能見度和切割壓力,在可滿足切割要求的條
件下,可采用水下切割。此時可調(diào)高水池承載水位以浸沒作者簡介:胡(1984-),男,設(shè)計藝術(shù)學碩士,研究方向為人機界面
被切割材料,使整個切割工作在水位以下進行。
設(shè)計;
調(diào)高水位功能實現(xiàn)可關(guān)閉排水開關(guān),通過進水管向
陳功(1972-),男,副教授,碩士生導師,研究方向為CAD
池中注入更多的水,通過調(diào)節(jié)排水開關(guān)調(diào)節(jié)水位使適于
下
CAPP/Cm、反求工程
進行水下切割。當不使用水下切割時,只需打開排水開關(guān)收稿日期:2010-03-10
機械工程師2010年第5期123

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