可調式切割機的運動機構設計

王嬿舒，郝亞維

（北京理工大學，北京100081）

在施工工地、地震、車禍救援現(xiàn)場、木材的砍伐等特殊場合，由于現(xiàn)場情況往往比較復雜——操作空間、機器本身尺寸的限制，普通的切割機常常無法觸及到被切割物體或者無法觸及到較準確部位。而目前市面上切割機大致分為兩類：鏈條鋸和圓盤鋸，它們大多把手較短，局限于有限的范圍內進行切割，并且體積和重量相對較大，使用不夠靈活。鑒于此，本文提出一種新的切割裝置——可調式切割機，它的機身可以伸縮、工作長度可以調節(jié)并且可以在工作的過程中旋轉鋸片和調節(jié)切割角度，即擁有伸縮和轉向兩大創(chuàng)新功能。

該設計想法最初源于國家發(fā)展改革委員會向全國各裝備制造企業(yè)發(fā)起征集大量破拆、撐頂、起重、洗消、偵查等挖掘施工用的器材的倡議書，在急需的救災工具中有40%的工具是用來切割混凝土鋼筋等破障工具。

1 基本工作原理

切割機由機械切割系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)主要由伸縮部分、旋轉部分、切割部分組成，控制系統(tǒng)主要解決協(xié)調兩個電機：直流步進電機，主要用來控制機身和工作臺的伸縮，控制轉動平臺的轉向；交流電機主要帶動鋸片旋轉進行切割；夾緊裝置包括手動夾緊和夾緊套自動定心夾緊，而手動夾緊又分為伸縮夾緊、轉向夾緊兩部分。

1.1 伸縮功能

伸縮功能在保證機身強度、剛度可靠且滿足穩(wěn)定性要求的前提下，實現(xiàn)了切割機在工作時機身可以伸縮，工作長度可以調節(jié)。

目前具有伸縮功能的機器有很多。基于不同的工作原理，有很多類型的伸縮機構，常見的有：彈簧套筒式伸縮機構、螺紋式伸縮機構和轉盤式伸縮構。

1.2 轉向功能

轉向功能在保證機器強度、剛度可靠且滿足穩(wěn)定性要求的前提下，實現(xiàn)切割機工作中自由旋轉鋸片和調節(jié)切割角度。

目前具有轉向功能的機器有很多，基于不同的工作原理，有很多類型的轉向機構，下面幾類是具有代表性的轉向機構：

（1）基于平行四邊形不穩(wěn)定性的轉向機構，即四連桿機構。這類轉向機構原理很簡單，生活中也會經(jīng)常遇到。

（2）電機錐輪式轉向

電機轉動實現(xiàn)扭矩輸出，通過錐齒輪改變傳遞扭矩的方向并傳遞扭矩，將一個方向上的回轉運動轉化為另一未知方向上的回轉運動。

（3）電機蝸輪蝸桿式轉向

驅動電機輸出動力，經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)就可傳遞給執(zhí)行機構。

特點：與電機錐齒輪式轉向相似，易于實現(xiàn)自動控制，自鎖性能好，傳動比可以自由選擇等。但是由于蝸輪蝸桿嚙合齒輪間的相對滑動速度較大，摩擦磨損大，傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，常需要較貴的減磨耐磨材料來制造蝸輪，制造精度要求高，刀具費用昂貴，成本高。

2 關鍵機構的設計分析

2.1 可調式切割機的運動機構分析

該切割機構有一個轉動平臺，在轉動平臺上開有一條凹槽，利用滑塊連桿機構，滑塊可以在凹槽中滑動，如圖1所示。當外力作用于連桿時，連桿的直線運動轉化為轉動平臺的旋轉運動。

圖1 鋸片旋轉功能機構簡圖

其中構件1、2、3為運動構件，在平面內各有3個自由度，構件4為固定構件，含有2個轉動副，2個滑動副，全是低副，它們各提供2個約束。利用機械原理基本知識計算機構的自由度：F=（3×n）-（2×PL）-PH =（3×3）-（2×4）-0=1，因此該機構運動唯一確定。

從旋轉機構簡圖（圖1）可以看出該機構為簡化了曲柄的擺動導桿機構，簡化曲柄為主動件，滑塊、導桿為從動件，給曲柄一個力的作用，則動力通過滑塊帶動導桿轉動。轉動角度的兩個極限位置可以根據(jù)需要在設計制造時預先設定。

圖2 旋轉機構結構示意圖

給控制桿一個向前的作用力，控制桿就會推動滑塊運動，同時給轉動平臺一個逆時針的轉矩，在該轉矩的作用下轉動平臺就以鉸接螺栓所在直線為軸線進行轉動，往復運動就轉化為了回轉運動。

該方案的優(yōu)點：

（1）在一個電機以及人的作用下整個機器就可以運轉，結構布局簡單，易于制造，成本低。

（2）給控制桿一個作用力，通過滑塊就可實現(xiàn)切割部分的轉向，手動轉向便于根據(jù)切割過程中的實際情況靈活操作。

（3）轉動角度、轉動時刻可以根據(jù)需要進行調節(jié)，可靠性高。

可調式切割機工作循環(huán)圖，如圖3所示。

圖3 可調式切割機工作過程

2.2 總體布局設計

外套筒由套管和尼龍軸套兩部分組成，套管與尼龍軸套過盈配合，套管與軸套焊接，可使得方向控制桿穿過軸套在外套筒旁根據(jù)需要前進后退，另外在套管上套兩個喉箍，繼而實現(xiàn)在喉箍內穿入背帶方便攜帶此多動能切割機的功能。

考慮到加工難度，我們將原本設計的完整的內套筒改為由三部分組成，分別是套管、尼龍階梯軸和與尼龍凸緣。這樣的設計方便加工，又避免了材料的浪費。內套筒的套管與外套筒的尼龍軸套間隙配合，保證內套筒能前后運動的同時，有又切線方向的定位。

在尼龍階梯軸中嵌入與電機1控制絲杠配合的螺母，這樣，電機1控制絲杠轉動的同時，帶動螺母向前（或向后）移動，繼而整個內套筒和與內套筒通過自制螺釘連接的轉動平臺以及電動機主體箱一同做伸縮運動。相比于其他的伸縮機構，該方案使用螺紋副實現(xiàn)了伸縮易于自鎖，省去了彈簧、伸縮座等零部件，結構簡單、工作穩(wěn)定可靠，整體裝配方便，有利于其推廣應用。

電動機2主體箱由電動機套管與尼龍組成，兩者由螺釘緊固連接，電動機2套入套管用螺釘固定，在電動機2主軸帶動的使鋸片轉動的軸上安裝適合的鋸片，開動開關，即可使鋸片轉動。

轉動平臺與電動機2主體箱通過螺釘連接在一起，轉動平臺上開了一個T型槽。

方向控制桿由三部分組成：滑塊，銷釘，連桿。連桿的前后移動帶動滑塊在轉動平臺內的移動，繼而實現(xiàn)電動機主體箱一定角度的方向轉動。

3 結束語

這種小型便攜可調式切割機在原有切割機基礎上進行改進，整個機構結構簡單，操作方便，適用范圍廣，大大提高了救援效率，為地震災區(qū)、車禍現(xiàn)場、施工工地等復雜的救援場合提供了一定的設備保障。該機構若稍加改裝還能應用在果木砍伐、樹枝修剪等一般場合，質量輕便，制造簡單，能夠適應激烈的市場競爭對產(chǎn)品加工低成本的要求，具有良好的市場推廣價值，對進一步研究全自動化的切割裝置具有非?，F(xiàn)實的意義。

我們的可調式切割機就是針對這一用途設計，它的“原型”是生活中經(jīng)常見到的圓盤鋸，通過增加其伸縮和轉向功能使它更適合使用于抗震救災、車禍等復雜環(huán)境現(xiàn)場使用，適用范圍更廣、效率更高。

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