新型管材自動切割機的設(shè)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(yè)被大量使用，而下料工序是管材后續(xù)加工工序的基礎(chǔ)，下料工序精度、效率的高低直接影響到產(chǎn)品質(zhì)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(fā)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(yè)需要。因此，實現(xiàn)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(guī)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(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且還能降低原材料消耗，節(jié)省設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本。實現(xiàn)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(shè)計要求

1.1 總體布置設(shè)計要求

工作過程連續(xù)和流程；切割效率高；切割精讀高，穩(wěn)定性強；適用于多種不同尺寸、外形的管件切割；結(jié)構(gòu)緊湊，層次分明；操作、維修、調(diào)整方便；壽命長，外形美觀。

1.2 總體主要參數(shù)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(shè)計及各部分工作原理

2.1 總體設(shè)計

圖1 總體結(jié)構(gòu)簡圖

總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。該機器總體結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)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(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)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(tǒng)控制步進電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)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(yù)先的編程，由控制系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)工作原理

通過預(yù)先編程，從而完成預(yù)訂的控制要求，以實現(xiàn)機器全程自動化。這是整機的核心所在，通過PLC控制系統(tǒng)，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(tǒng)對步進電機的轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)，都需要相應(yīng)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(shè)計計算

3.1 驅(qū)動的設(shè)計和計算

驅(qū)動方式多種多樣，可以選擇直線電動機驅(qū)動、使用電動機的機械式驅(qū)動、往復(fù)磁鐵驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣動等。自動送料裝置的驅(qū)動有兩個部分：一是，管件送料軸向運動的驅(qū)動；二是，夾具夾緊和放松運動驅(qū)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(qū)動，而夾具的夾緊、放松驅(qū)動采用氣動方式。

3.2 軸向運動的傳動機構(gòu)設(shè)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(fā)熱小、高速進給。從而極大的提高了管材切割的品質(zhì)與效率。

3.3 夾具的設(shè)計

所涉及的夾緊保持機構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)簡單、夾緊原理明確、制造加工方便、制造成本低廉、應(yīng)用尺度廣泛、裝夾數(shù)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(xiàn)管件與夾具軸向的相對移動了。

3.4 控制系統(tǒng)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(shè)置多點停靠和反復(fù)啟動、停止，選擇PLC控制系統(tǒng)可以滿足工作要求。控制系統(tǒng)中還包括繼電器、行程開關(guān)等電器元件。

3.5 機架的設(shè)計

機架的設(shè)計有兩種：一是，工作臺支撐架的設(shè)計；二是，移動管件支撐架的設(shè)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(jù)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(jù)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(shè)計

自動送料裝置除了軸向驅(qū)動的設(shè)計和夾緊裝置的設(shè)計外，還需要根據(jù)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(shè)計，同時還需要對氣動元器件，如氣源、系統(tǒng)壓力、各種氣閥和氣缸等進行合理選擇。

4 小結(jié)

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(guī)律自行完成人們所要求一系列動作，包括自動送料、可調(diào)夾緊、砂輪切割及自動控制系統(tǒng)等。該設(shè)備既可改善勞動條件、減輕工人勞動強度，確保生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且還能降低原材料消耗，節(jié)省設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本。實現(xiàn)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。

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