新型管材自動切割機的設計

尚子超 趙 云 王海燕 彭文利

（1.嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興威諾五金制造有限公司，浙江 嘉興 314001）

0 引言

管材在各行業被大量使用，而下料工序是管材后續加工工序的基礎，下料工序精度、效率的高低直接影響到產品質量的好壞及成本的高低。管子定長切割加工，主要是將管子切割成要求的長度。目前的管件切割方式如果還處在手工送料、手工取件的方式，將遠遠滿足不了當今高速發展的機械、造船、軍工、石油化工、能源、車輛制造、航空航天等工業需要。因此，實現切割送料自動化顯的十分重要。通過機械傳動或電氣控制，按一定的規律自行完成人們所要求一系列動作，既可改善勞動條件、減輕工人勞動強度，確保生產安全，提高生產效率和產品質量，而且還能降低原材料消耗，節省設備投資，降低生產成本。實現管件切割的自動化，是提升管件切割效率 、提高切割精度和保證切割安全的根本途徑和措施。

1 設計要求

1.1 總體布置設計要求

工作過程連續和流程；切割效率高；切割精讀高，穩定性強；適用于多種不同尺寸、外形的管件切割；結構緊湊，層次分明；操作、維修、調整方便；壽命長，外形美觀。

1.2 總體主要參數的確定

被切割管件的原長不大于12m；圓管直徑范圍15～50mm；矩形管高≤200mm，寬≤35mm；管件最大切割長度為2m；工作臺主軸離地面高度為0.8m。

2 總體設計及各部分工作原理

2.1 總體設計

圖1 總體結構簡圖

總體結構簡圖如圖1所示。該機器總體結構主要由機架、步進電機、滾珠絲杠傳動副、一個移動氣動夾具、兩個固定氣動夾具、切割砂輪裝置和控制系統等組成。

2.2 自動送料裝置工作原理

切割管件前，先依靠固定起動夾具上的定位板，將多根待切管件一起放進夾具內并對齊。確認放好管件后，通過控制按鈕起動裝置進行自動切割工作。切管操作時，移動氣動夾具先將管件夾緊，然后步進電機通過聯軸器帶動絲杠轉動，從而使移動氣動夾具在機架軌道上進行一定的軸向運動，帶動待切管件的移動。然后，兩個固定氣動夾具夾緊管件，進行切割工作，與此同時，移動氣動夾具松開并回到原有位置，以待下一次進給。由控制系統控制步進電機的轉動，實現了管件各種長度的精確切割，精讀誤差為±0.1mm。

2.3 夾緊裝置工作原理

通過預先的編程，由控制系統進行自動控制，在進給階段的移動氣動夾具與在切割階段的固定氣動夾具，以壓縮空氣將管件定位并夾緊。

2.4 切割裝置工作原理

采用高速旋轉的砂輪切割管材。砂輪片是用纖維、樹脂或橡膠將磨料粘合制成的。在熟練的操作中，砂輪可進行快速、準確地切割，而且切割得整齊、無毛刺。

2.5 控制系統工作原理

通過預先編程，從而完成預訂的控制要求，以實現機器全程自動化。這是整機的核心所在，通過PLC控制系統，完成了步進電機的供給與回程，完成了移動氣動夾具與固定氣動夾具的夾緊和放松，完成了砂輪片的切割，并且在完成上述動作的同時，也達到了每項工序所需要達到的指標與要求。

將管件放置到夾具后，先用定位板進行零點校準，然后利用PLC控制系統對步進電機的轉角和夾具的夾緊、放松進行控制，以及定長切割。自動送料裝置工作過程中的每個環節，都需要相應信號的輸入、輸出，從而順利的完成整個工作過程。

3 主要組成部分的設計計算

3.1 驅動的設計和計算

驅動方式多種多樣，可以選擇直線電動機驅動、使用電動機的機械式驅動、往復磁鐵驅動、液壓驅動、氣動等。自動送料裝置的驅動有兩個部分：一是，管件送料軸向運動的驅動；二是，夾具夾緊和放松運動驅動。由于管件軸向運動需要停靠多個位置并且要求精度較高，所以選用直線步進電機驅動，而夾具的夾緊、放松驅動采用氣動方式。

3.2 軸向運動的傳動機構設計

本次課題主要針對家具使用管材，管材的原長為10m，最大切斷長度為2m，精度要求為±0.1mm，所以自動送料裝置中軸向傳動方式采用滾珠絲桿傳動。它可以保證高精度、微進給、效率高、發熱小、高速進給。從而極大的提高了管材切割的品質與效率。

3.3 夾具的設計

所涉及的夾緊保持機構是針對多種外形、尺寸的管形材料，如何夾持取決于要求的力、被夾好取對象的幾何形狀和表面特性，選擇機械式夾緊原理的夾具較為合理。夾具包括一個移動氣動夾具和兩個固定氣動夾具。其中，移動氣動夾具往復的軸向運動進行進給，當移動氣動夾具夾緊時，固定氣動夾具松開，處于進給過程；當移動氣動夾具松開時，固定氣動夾具夾緊，處于切割過程。

這種夾具結構簡單、夾緊原理明確、制造加工方便、制造成本低廉、應用尺度廣泛、裝夾數量多，適用于中、小夾緊力的工作過程。同時該夾具的底部采用滾軸來支撐管件，這樣當夾具松開時，就可以實現管件與夾具軸向的相對移動了。

3.4 控制系統的選擇

自動送料裝置的控制分為兩部分：一是，步進電機的控制；二是，氣缸的控制。在工作過程中需設置多點停靠和反復啟動、停止，選擇PLC控制系統可以滿足工作要求。控制系統中還包括繼電器、行程開關等電器元件。

3.5 機架的設計

機架的設計有兩種：一是，工作臺支撐架的設計；二是，移動管件支撐架的設計。工作臺支撐架的作用是支撐自動切管裝置工作臺，需根據工作臺和管件的重量，同時考慮工作人員的操作簡便性。移動管件支撐架的作用是支撐管件伸出工作臺的部分，防止管件彎曲變形，影響切割精度。通過工作臺尺寸和額定負載要求，并根據常用鋼鐵材料手冊GB/T3094-2000，選擇常用的鋼管型號。確定工作臺支撐架材料為矩形鋼管，移動管件支撐架采用角鋼。

3.6 其他裝置的設計

自動送料裝置除了軸向驅動的設計和夾緊裝置的設計外，還需要根據管材的尺寸、外形等因素對定位裝置、導軌、滑塊和管件輔助支撐裝置等進行合理選擇和設計，同時還需要對氣動元器件，如氣源、系統壓力、各種氣閥和氣缸等進行合理選擇。

4 小結

新型管材自動切割機通過機械傳動和自動控制，按一定的規律自行完成人們所要求一系列動作，包括自動送料、可調夾緊、砂輪切割及自動控制系統等。該設備既可改善勞動條件、減輕工人勞動強度，確保生產安全，提高生產效率和產品質量，而且還能降低原材料消耗，節省設備投資，降低生產成本。實現管件切割的自動化，是提升管件切割效率、提高切割精度和保證切割安全的根本途徑和措施。

［1］王潤孝.先進制造技術導論[M].北京：科學出版社，2004.

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