一種金屬波紋管切割平口機(jī)的設(shè)計(jì)

趙 莉 張彤輝

（蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730000）

1 研究背景及意義

金屬波紋管是一種外形類似于波浪的管材，具有良好的彈性及密封性，在各種輸氣、輸液管路中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著金屬波紋管的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，人們對(duì)金屬波紋管的需求量也在逐步提升。然而，傳統(tǒng)切割工藝無(wú)法保障金屬波紋管的切割效率，現(xiàn)有大多數(shù)小型金屬波紋管切割設(shè)備多為手動(dòng)切割，存在切割效率低，長(zhǎng)度尺寸不易控制，無(wú)法對(duì)波紋管進(jìn)行平口處理，切割會(huì)使波紋管管口出現(xiàn)變形等問(wèn)題，而且現(xiàn)有的波紋管自動(dòng)切割機(jī)主要針對(duì)非金屬材料[2-4]。因此，有必要設(shè)計(jì)一種在切割過(guò)程中不會(huì)使管口變形的金屬波紋管自動(dòng)切割及平口設(shè)備，從而提高金屬波紋管切割效率，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)實(shí)際調(diào)查相關(guān)管道自動(dòng)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)，考慮到金屬波紋管切割平口機(jī)主要是需要實(shí)現(xiàn)金屬波紋管的自動(dòng)輸送、自動(dòng)切割及平口等功能，為了滿足這幾方面的要求，現(xiàn)對(duì)金屬波紋管自動(dòng)切割平口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)做出設(shè)計(jì)，該設(shè)備主要由盛裝部分、輸送部分、切割部分以及控制系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

按照總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，該裝置的工作過(guò)程是：先將金屬波紋管放置在盛裝臺(tái)，然后由輸送部分的傳動(dòng)裝置把金屬波紋管從盛裝臺(tái)輸送到切割部分并夾緊，夾緊之后由切割裝置進(jìn)行環(huán)切，切割完成后操作人員將定長(zhǎng)的金屬波紋管放置在平口部分夾緊處，金屬波紋管夾緊后由沖擊裝置沖擊平口。

2.1 輸送部分設(shè)計(jì)

輸送部分的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由于金屬波紋管輸送的平穩(wěn)性及高效性要求，輸送部分由帶輪、支撐板、傳送帶、間距調(diào)整機(jī)構(gòu)、輸送伺服電機(jī)和聯(lián)軸器等組成。為了提高輸送效率，現(xiàn)選用上下兩同步帶的輸送方式。調(diào)整機(jī)構(gòu)由螺桿與螺母組成，并與上端同步帶相連接，下端同步帶固定，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿來(lái)調(diào)整兩同步帶的間距，從而適應(yīng)不同直徑金屬波紋管的輸送。上下端同步帶分別由兩個(gè)伺服電機(jī)控制，在輸送的過(guò)程中，裝在同步帶機(jī)構(gòu)最前端的伺服電機(jī)自帶的編碼器能夠測(cè)量金屬波紋管的長(zhǎng)度，并通過(guò)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)切割長(zhǎng)度的控制[5-7]。

圖2 輸送部分

2.2 切割部分設(shè)計(jì)

由于結(jié)構(gòu)的緊湊性以及與其他各部分的協(xié)調(diào)性要求，切割部分主要由支架、帶輪驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、刀片驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、帶輪組件、軸、軸承、金屬波紋管夾具以及切割機(jī)構(gòu)等組成[8]。該部分的基本工作原理為：先由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小帶輪，再由小帶輪帶動(dòng)安裝在軸上的大帶輪，然后大帶輪帶動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)，最后由軸帶動(dòng)安裝在軸端的切割盤旋轉(zhuǎn)形成環(huán)切，并由切割盤上安裝的氣缸推動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)，從而完成金屬波紋管的切割。

切割部分的具體工作過(guò)程為：首先由PLC 輸出信號(hào)，使兩個(gè)金屬波紋管夾具開(kāi)始動(dòng)作，此時(shí)金屬波紋管處于靜止?fàn)顟B(tài)；其次，伺服電機(jī)通過(guò)V 帶帶動(dòng)切割盤旋轉(zhuǎn)，切割盤上安裝有刀架，通過(guò)氣缸推動(dòng)刀架而環(huán)切金屬波紋管，整個(gè)過(guò)程中金屬波紋管不動(dòng)，切割刀通過(guò)切割盤旋轉(zhuǎn)切割金屬波紋管；最后，由PLC判斷金屬波紋管是否切斷，切割部分在PLC 的控制下停止工作。切割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 切割機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 平口部分設(shè)計(jì)

平口部分主要是對(duì)完成切割的金屬波紋管進(jìn)行管口的平口處理，從而提高波紋管的切割質(zhì)量，因此平口部分的設(shè)計(jì)必須結(jié)合金屬波紋管的性能以及具體應(yīng)用情況來(lái)設(shè)計(jì)。

通過(guò)分析金屬波紋管的性能，現(xiàn)設(shè)計(jì)了兩種方案：一是先用V 形氣爪夾緊金屬波紋管，然后通過(guò)氣缸沖擊金屬波紋管管口實(shí)現(xiàn)平口處理；二是改進(jìn)如圖4 所示的手動(dòng)平口機(jī)構(gòu)。改進(jìn)后的手動(dòng)平口機(jī)構(gòu)工作原理為：分別在手動(dòng)平口機(jī)構(gòu)的夾緊處及沖擊處連接氣缸，如圖5 所示，氣缸3 連接手動(dòng)平口機(jī)構(gòu)的夾緊處，氣缸2 連接沖擊處，同時(shí)在夾緊處開(kāi)一小孔，并安裝光電開(kāi)關(guān)，在金屬波紋管放入夾緊處時(shí)，光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作使氣缸3 向前推動(dòng)，使手動(dòng)夾緊處的鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而夾緊金屬波紋管，夾緊后氣缸2 動(dòng)作，使手動(dòng)沖擊頭軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而沖擊金屬波紋管的端口，當(dāng)氣缸沖擊次數(shù)達(dá)到3 次后，氣缸2 返回初始狀態(tài)，同時(shí)氣缸3 縮回，使夾緊的金屬波紋管松開(kāi)，平口過(guò)程結(jié)束。

圖4 手動(dòng)金屬波紋管平口器

圖5 平口部分方案簡(jiǎn)圖

金屬波紋管在平口過(guò)程中有沿軸向的沖擊力，而第一種方案在有沖擊力時(shí)，V 形氣爪夾緊的金屬波紋管會(huì)有較小的軸向移動(dòng)，這樣會(huì)影響平口的質(zhì)量，而經(jīng)過(guò)改進(jìn)的手動(dòng)平口機(jī)構(gòu)不存在以上問(wèn)題，而且平口質(zhì)量高，因此選用第二種方案。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路，結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)以及各結(jié)構(gòu)的工作原理，通過(guò)SolidWorks 繪制金屬波紋管的自動(dòng)切割平口機(jī)裝置三維模型，繪制過(guò)程中通過(guò)及時(shí)調(diào)整不合理的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得出了比較合理裝置模型，如圖6 所示。

圖6 整機(jī)三維圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行要求設(shè)計(jì)了該裝置的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用PLC 控制整個(gè)金屬波紋管自動(dòng)切割平口機(jī)的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)工作流程圖可分為兩部分，第一部分為自動(dòng)切割系統(tǒng)流程，如圖7 所示，第二部為平口系統(tǒng)流程，如圖8 所示。在金屬波紋管從盛裝部分向切割部分移動(dòng)的過(guò)程中，光電編碼器通過(guò)測(cè)量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定關(guān)系的脈沖信號(hào)，然后由PLC 記錄脈沖個(gè)數(shù)，從而間接測(cè)量出金屬波紋管的輸送長(zhǎng)度。待輸送長(zhǎng)度達(dá)到PLC高速計(jì)數(shù)的設(shè)定數(shù)值時(shí)，輸送部分停止工作，同時(shí)PLC 輸出命令使切割部分夾緊氣缸電磁閥得電動(dòng)作，夾緊氣缸動(dòng)作后帶輪伺服電機(jī)、切割片伺服電機(jī)和連接刀架的氣缸同時(shí)動(dòng)作，從而推動(dòng)切割刀切割金屬波紋管。當(dāng)連接刀架的氣缸全部伸出后會(huì)馬上縮回，然后夾緊氣缸縮回，帶輪電機(jī)和刀片電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)自動(dòng)切割過(guò)程結(jié)束。在平口過(guò)程中，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，會(huì)使PLC 得到一個(gè)脈沖信號(hào)，從而控制夾緊氣缸電磁閥得電，之后PLC 會(huì)立即使沖擊氣缸電磁閥得電，當(dāng)反復(fù)沖擊3 次后，PLC 使被控電磁閥回到初始狀態(tài)[8]。

圖7 自動(dòng)切割系統(tǒng)流程圖

圖8 平口系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從盛裝部分、輸送部分、切割部分、平口部分及控制系統(tǒng)展開(kāi)了金屬波紋管切割及平口機(jī)的設(shè)計(jì)，其中自動(dòng)切割過(guò)程主要是通過(guò)盛裝部分、輸送部分和切割部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，而平口過(guò)程是通過(guò)平口部分的裝置實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)，不僅提高了切割質(zhì)量和效率，而且增加了金屬波紋管的平口功能，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。