便捷式相貫線切割機設計

陳財煒 原梓皓 林權

摘要：目前市場上相貫線切割，不是采用價格昂貴的數控相貫線切割機，就是采用樣板靠模等落后、復雜的操作工藝，為此，研發了一套主要由力封閉盤型凸輪機構、齒輪傳動機構、環抱式管材專用夾具、浮動連接誤差補償裝置、步進電機及電控部分構成的相貫線切割機。該切割機不用樣板或靠模，無需復雜編程，通過不同規格的盤型凸輪，實現不同尺寸的管材相貫線切割;采用浮動傳動結合模塊化設計，不僅能實現產品的自動化加工，還可以設置加工誤差補償，切割操作簡單，性價比高，可替代數控切割機，市場應用前景廣闊，尤其適用于中小型企業批量生產切割精度要求不高的相貫線切割。

關鍵詞：便捷式;正交相貫線;切割機;凸輪;自動化

0 引言

兩種以上圓管相連接在機械制圖中被稱為相貫管件，管件連接處所形成的曲線叫做相貫線，市場上現有的數控相貫線切割機可以方便快捷地切割相貫線[1-4]，但其價格昂貴，導致許多中小型企業仍通過手工劃線、放樣、靠模等方式進行相貫線的切割，不僅造成工人的勞動強度大，而且對工人的技術水平和操作熟練度有嚴格要求。傳統相貫線切割方式的生產速率低，產品加工質量得不到保障，廢品率較高[5-7]。因此，亟需設計一款低成本、高性價比的便攜式相貫線切割機，供中小型企業生產使用，以降低工人的勞動強度，減少企業加工圓管相貫線的成本。

1 便捷式相貫線切割機設計

通過對國內外各種相貫線切割機進行研究，本課題將產品定位于介于半自動相貫線切割機與數控相貫線切割機之間，適用于中小型企業批量生產切割精度要求不高的相貫線切割。切割機具體設計過程如下：

1.1? ? 機架設計

便捷式相貫線切割機機架支撐采用可升降平臺+大滾輪支撐結構方式，模型機架結構如圖1所示。機架支撐均采用標準件，以降低成本，簡化安裝，由于兩根相對的滾輪定位軸的軸距是固定的，因此不同直徑待加工管材的軸向定位方式是相同的。當同一批待加工管材直徑在小范圍內變動時，可以通過更換不同規格的支撐大滾輪，實現微調管材中心位置;當待加工管材直徑變化較大時，可以通過更換平臺支撐桿來微調管材中心位置。由于定位軸以及定位滑塊的作用，可以保證每次調整平臺位置后，不同直徑的圓管軸向中心線是重合的，進一步提升了多次加工的產品的一致性。

1.2? ? 管材夾具設計

浮動連接管材夾具如圖2所示，大齒圈由3個均勻分布的V型定位滾輪支撐，在設備運行過程中，兩對半圓夾具在橡膠圈的作用下夾緊待加工管材，夾具直線段與夾具浮動定位塊采用間隙配合，使得兩者之間可以輕松滑動，從而實現浮動連接，管材輕微形變造成的中心偏移不會導致齒圈卡齒。

1.3? ? 齒輪傳動鏈設計

齒輪組傳動結構如圖3所示，三點定位的V字軸承為槽型安裝方式;為了使傳動軸在滿足功能的前提下盡可能短，提高傳動軸剛度，采用雙軸承夾緊固定方式;傳動鏈中設計了齒輪組外殼，減少生銹概率，提高整體剛度;凸輪安裝方式為水平固定，運行過程中凸輪重心在水平上基本不會發生大的變化，進一步減少切割頭在運行過程中的抖動。

1.4? ? 凸輪設計過程

通過應用SolidWorks軟件繪制所需相貫線外形，將其按平面展開后導為二維CAD圖紙，按照預計加工精度，確定取樣點個數，然后將各點坐標輸出到EXCEL表格中，以CSV格式保存。下一步應用SolidWorks軟件中的MOTION分析模塊，設定凸輪基體轉速，導入坐標數據點，添加凸輪從動件的引力約束，設定一周期的運行時間，進行運動軌跡計算，最后跟蹤凸輪從動件的軌跡就可以獲得目標凸輪的外形輪廓。下管相貫線由于其在同一個旋轉角度上對應了兩個坐標值，所以它是用一個內凸輪和一個外凸輪合成的，具體到實際應用就只需要在切割下管相貫線時進行一次從動件約束力的換向。

1.5? ? 切割方法選擇

本課題主要是為了切割6 mm以下的鋼管，對比火焰切割、激光切割和等離子切割方式，綜合考慮加工精度要求、使用維護成本，最終選擇了等離子切割方式。

1.6? ? 管材下壓裝置設計

前期制作樣機時發現，待加工的圓管并不是完全圓的，其主要依靠浮動連接夾具使設備正常運行，但運行速度稍快時則容易造成管材跳動，因此需要增加一個在運行過程中可以下壓管材的裝置，防止旋轉過程中管材振動幅度太大，以增加運行過程中的穩定性，管材下壓裝置三維結構如圖4所示。

1.7? ? 手動旋轉裝置設計

在實際使用過程中，時常需要手動旋轉管材，以便更好地安裝固定夾具和管材，為了方便手動操作，在此設計了一個滾輪手柄直接連接在動力電機軸上，提供手動狀態下管材旋轉的動力，當操作人員需要手動操作時可以直接轉動手輪，手動旋轉裝置三維結構如圖5所示，它與步進電機同軸相連，當步進電機不在工作狀態時，可以手動轉動設備，也可進行自動運行前期的微調。

1.8? ? 電控部分設計

通過分析各種電機的應用場景，結合成本考慮，最終選用步進電機來驅動本裝置，因本裝置接觸部分均為滾動摩擦，對電機力矩要求并不高，因此最終選用OK42STH47-204MA步進電機以及TB6600步進電機驅動器，主控芯片最終選用STC12C5A60S2。人機交互部分選擇了串口屏，可以觸摸操作設置各種參數，自動運行模式界面如圖6所示，可以設置補償間隙，切割相貫線管形、速度、旋轉方向等，運行過程中可實時查看工作進度，也可以運行手動模式，進入此模式后電機使能關閉，可以手動轉動。

2 便捷式相貫線切割機整體結構

本裝置適用于300 mm直徑以下、厚度6 mm以下的兩管正交相貫線線型的切割，其整體三維結構如圖7所示。

2.1? ? 切割軸向相貫線工作原理

（1）手動方式。開機后點擊屏幕進入手動模式，步進電機使能關閉，轉動手輪，小齒輪帶動大齒圈進而帶動待加工管材，經過齒輪傳動鏈后帶動凸輪同步轉動，而從動滾子在彈簧的作用下始終緊靠凸輪外輪廓，帶動等離子切割頭在待加工管材上切出相應外形，當管材轉動一圈后加工結束。

（2）自動方式。開機后點擊屏幕進入自動模式，步進電機使能打開，設置好電機轉向、轉速，選擇切割上管相貫線后點擊開始按鈕，將自動開始加工。大齒圈帶動管材同步轉動，同時通過齒輪傳動鏈帶動凸輪同步轉動，凸輪從動滾子也始終僅靠凸輪外輪廓，帶動等離子切割頭在待加工管材上切出相應外形，等屏幕上方顯示加工進度達到100%時加工結束。

2.2? ? 切割徑向相貫線工作原理

（1）手動方式。開機后點擊屏幕進入手動模式，步進電機使能關閉，轉動手輪，小齒輪帶動大齒圈進而帶動待加工管材，經過齒輪傳動鏈后帶動凸輪同步轉動，而從動滾子在彈簧的作用下始終緊靠凸輪靠近轉動中心的外形輪廓，帶動等離子切割頭在待加工管材上切出左半邊外形，此時切換彈簧拉力方向，凸輪從動滾子此時緊靠另一邊外形，帶動等離子切割頭在待加工管材上切除右半邊外形，切割曲線封閉后加工結束。

（2）自動方式。開機后點擊屏幕首先進入手動模式，將步進電機使能關閉，轉動手輪將凸輪轉到極限位置，再進入自動模式，設置好電機轉向、補償、轉速，選擇切割下管相貫線后點擊開始按鈕，將自動開始加工。大齒圈帶動管材同步轉動，同時通過齒輪傳動鏈帶動凸輪同步轉動，凸輪從動滾子也始終緊靠凸輪靠近轉動中心的外形輪廓，帶動等離子切割頭在待加工管材上切出左半邊外形，此時設備會停止10 s，需要在10 s內完成彈簧的換向，屏幕上方會顯示50%的進度條，10 s后設備會自動運行，等屏幕上方顯示加工進度達到100%時加工結束。

3 結語

本產品介于半自動相貫線切割機與數控相貫線切割機之間，是適合中小型企業批量生產切割精度要求不高的相貫線切割設備，其主要由機架、支撐導軌、管材專用夾具、齒輪傳動鏈、凸輪、等離子切割頭、下壓裝置、手動旋轉裝置以及電控部分組成。本課題首先通過分析市面上存在的相貫線切割機優缺點，繼而確定自己的產品定位，然后進行各組成部分的設計，最后通過樣機制作演示，實踐證明該產品結構合理，符合企業生產實際需求。

該相貫線切割機具有如下創新點：

（1）采用凸輪機構，操作簡單，既可自動又可手動操作;

（2）采用浮動傳動機構，不受管材變形影響;

（3）成本低，維護容易，可代替數控相貫線切割機;

（4）加工不同工件時，只需更換相應的凸輪以及相應夾具即可;

（5）無需復雜編程，對工人的技術、知識水平要求低，產品性價比高，具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

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[7] 周敏.多軸聯動數控相貫線切割機編程系統的研究與開發[D].北京：中國地質大學，2012.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：陳財煒（1999—），男，福建永泰人，研究方向：機械設計制造。

通信作者：林權（1980—），男，福建福州人，碩士，副教授，研究方向：機械制造及自動化。