氣焊焊絲矯直切斷機切斷部分結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計

柯世金，談 毅，何潤滔，陳一杰

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

在氣焊的實踐教學(xué)中，需要焊絲與焊槍有一定的配合，市面上卷售捆狀彎曲的焊絲在操作時都會給操作者帶來不便。而且即便是較細(xì)的焊絲，也具有一定的硬度韌性，經(jīng)過矯直后，如果人工進行切斷，也比較費時費勁。此項設(shè)計能簡單便捷地得到長度方便使用的焊絲，剪切下來等長度的短焊絲也便于封存和取用。本文設(shè)計一種能配合矯直機構(gòu)，等長度切斷焊絲的自動切斷裝置。

1 切斷機構(gòu)傳動方案的選擇與設(shè)計

1.1 切斷機構(gòu)傳動方案的選擇

經(jīng)過分析，傳動方式采用凸輪傳動，凸輪與電機連接，桿上連接刀。傳動機構(gòu)可以使刀具進行上下往復(fù)運動，上下鍥合的切斷方式進行切斷。切斷的方式使用鍥合形式，由上刀與端面相互之間的無縫運動形成切斷方式。凸輪的傳動機構(gòu)選用帶輪傳動，因為凸輪存在剛性沖擊，并且為了傳動精確和平穩(wěn)，選擇同步帶傳動。

1.2 切斷機構(gòu)傳動凸輪的設(shè)計

本次設(shè)計的凸輪為盤型凸輪，作為傳動機構(gòu)，機構(gòu)緊湊，傳動可靠，運動路線的確定不變性[1]符合本次設(shè)計的要求。本次設(shè)計的凸輪的基本參數(shù)如表1.

表1 凸輪規(guī)格

整個切斷過程用時2 s，刀進行一次切斷所走的總行程H=40 mm，因為凸輪作勻速運動，根據(jù)路程與速度的關(guān)系式：

將 H=40mm，S=2 s代入式（1），得 V=20mm/s，則基于Solidworks凸輪設(shè)計，對凸輪的運動路徑進行設(shè)計，分4個有階段設(shè)置，上升階段的勻速位移的運動類型，遠(yuǎn)休止角階段的停頓運動類型，下降階段的勻速位移類型和近休止角階段的停頓運動類型。具體設(shè)計見圖1.

2 切斷力的計算

本次設(shè)計需要矯直的焊絲為一般的氣焊焊絲，選定的規(guī)格為ER50-6，其結(jié)構(gòu)形狀為圓柱體，屬于碳鋼類焊絲，本次設(shè)計的矯直焊絲的直徑范圍為1.0 mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm.其力學(xué)性能，如表2[2].

表2 E R50-6力學(xué)性能

要使切斷機構(gòu)能夠適應(yīng)本次設(shè)計，能夠切斷1.0 mm～2.0mm的焊絲，需要能夠切斷2.0 mm焊絲的切斷力，因此，符合本次設(shè)計的最小切斷力為對應(yīng)焊絲直徑為2.0 mm的切斷力。設(shè)計采用的切斷機構(gòu)是利用上刀與工作臺無縫上下運動產(chǎn)生剪切力對焊絲進行切斷。要使焊絲切斷，切斷力應(yīng)大于2 mm焊絲的許用剪切力τ.根據(jù)條件可以寫成公式[2]：

式中：Q為切斷力；A為焊絲的截面積＝πr2＝π

根據(jù)式（2）可以得出公式：

因為ER50-6為屬于碳鋼類焊絲，為塑形材料。

根據(jù)機械手冊查得，許用剪應(yīng)力τ＝（0.5～0.7）×許用拉應(yīng)力。

將算得的許用剪應(yīng)力τ，代入式（3），得需要的切斷力Q值。

3 電機的選擇與其他關(guān)鍵零件的設(shè)計

3.1 電機的選擇

本次設(shè)計采用的電機有兩個，分別是提供旋轉(zhuǎn)殼動力和牽引動力的電機1和提供切斷機構(gòu)動力的電機2，根據(jù)設(shè)計要求計算得電機1采用小型三相異步電機，電機2采用步進電機。具體圖樣見圖2、圖3.

圖2 電機1

圖3 電機2

3.2 其他關(guān)鍵零件的設(shè)計

（1）電機架的設(shè)計

其尺寸（長×寬×高）為170mm×90mm×140 mm.對電機架進行選材，選取材料為鑄鐵，具有良好的強度、韌性、抗震性和耐磨性。具體形狀見圖4.

圖4 步進電機架

（2）切斷固定器的設(shè)計

固定器分為上下兩個部分，中心直徑為4.2 mm，留取0.2 mm作為預(yù)留量，固定器隨焊絲規(guī)格變換。具體詳情見圖5.

圖5 切斷固定器

（3）切斷機的三維裝配圖

切斷機的三維裝配圖外圍尺寸為（長 ×寬×高）398mm×350 mm×298mm，如圖6所示。

圖6 切斷機三維裝配圖

4 主要控制程序過程設(shè)計

本次設(shè)計控制方法采用PLC控制，通過數(shù)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制實現(xiàn)自動化工作。根據(jù)本次電控設(shè)計，主要依靠紅外線傳感器進行對焊絲是否要切斷和焊絲是否有落下的判斷，主要控制流程見圖7.

圖7 控制流程圖

具體工作過程：

（1）按下啟動按鈕，觀察末端的紅外線傳感器檢測托絲架上是否有焊絲和其它雜物，若有信號接收，則機器不做運動，若無信號，則PLC中的計數(shù)器清零，用戶輸入需要焊絲的數(shù)量，焊絲矯直機開始工作，電機1開始啟動。

（2）當(dāng)托架上末端上的紅外線傳感器接收到信號，電機1停止的同時電機2啟動，計時器開始計時。當(dāng)電機2在進行焊絲切斷的過程中，切斷臺下方的紅外線傳感器接收到刀具經(jīng)過的信號，數(shù)量計數(shù)器加1.

（3）程序?qū)δ┒藗鞲衅鞯男盘栠M行判斷，若有信號，則說明托絲架上有焊絲沒有落下，或者有雜物存在。若無信號，程序判斷沒達(dá)到數(shù)量要求，程序返回開始的電機1啟動，若達(dá)到數(shù)量要求，停止工作，程序結(jié)束。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了焊絲切斷機構(gòu)設(shè)計，采用凸輪傳動的方案，凸輪傳動具有傳動可靠，機構(gòu)緊湊等優(yōu)點，適合本次設(shè)計。之后本文對切斷機構(gòu)的切斷力進行了科學(xué)的計算，闡述了電機的選擇和采用PLC控制的控制流程。通過計算選出電機1為三相異步電機，電機2為步進電機，并且闡述了PLC如何通過傳感器和計算器來達(dá)到用戶的需求。相信本切斷裝置設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期的焊絲切斷效果。