便捷式相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì)

陳財(cái)煒 原梓皓 林權(quán)

摘要：目前市場(chǎng)上相貫線切割，不是采用價(jià)格昂貴的數(shù)控相貫線切割機(jī)，就是采用樣板靠模等落后、復(fù)雜的操作工藝，為此，研發(fā)了一套主要由力封閉盤型凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、環(huán)抱式管材專用夾具、浮動(dòng)連接誤差補(bǔ)償裝置、步進(jìn)電機(jī)及電控部分構(gòu)成的相貫線切割機(jī)。該切割機(jī)不用樣板或靠模，無需復(fù)雜編程，通過不同規(guī)格的盤型凸輪，實(shí)現(xiàn)不同尺寸的管材相貫線切割;采用浮動(dòng)傳動(dòng)結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)，不僅能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化加工，還可以設(shè)置加工誤差補(bǔ)償，切割操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，可替代數(shù)控切割機(jī)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，尤其適用于中小型企業(yè)批量生產(chǎn)切割精度要求不高的相貫線切割。

關(guān)鍵詞：便捷式;正交相貫線;切割機(jī);凸輪;自動(dòng)化

0 引言

兩種以上圓管相連接在機(jī)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(chǎng)上現(xiàn)有的數(shù)控相貫線切割機(jī)可以方便快捷地切割相貫線[1-4]，但其價(jià)格昂貴，導(dǎo)致許多中小型企業(yè)仍通過手工劃線、放樣、靠模等方式進(jìn)行相貫線的切割，不僅造成工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且對(duì)工人的技術(shù)水平和操作熟練度有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)相貫線切割方式的生產(chǎn)速率低，產(chǎn)品加工質(zhì)量得不到保障，廢品率較高[5-7]。因此，亟需設(shè)計(jì)一款低成本、高性價(jià)比的便攜式相貫線切割機(jī)，供中小型企業(yè)生產(chǎn)使用，以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少企業(yè)加工圓管相貫線的成本。

1 便捷式相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外各種相貫線切割機(jī)進(jìn)行研究，本課題將產(chǎn)品定位于介于半自動(dòng)相貫線切割機(jī)與數(shù)控相貫線切割機(jī)之間，適用于中小型企業(yè)批量生產(chǎn)切割精度要求不高的相貫線切割。切割機(jī)具體設(shè)計(jì)過程如下：

1.1? ? 機(jī)架設(shè)計(jì)

便捷式相貫線切割機(jī)機(jī)架支撐采用可升降平臺(tái)+大滾輪支撐結(jié)構(gòu)方式，模型機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)架支撐均采用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低成本，簡(jiǎn)化安裝，由于兩根相對(duì)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(dāng)同一批待加工管材直徑在小范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，可以通過更換不同規(guī)格的支撐大滾輪，實(shí)現(xiàn)微調(diào)管材中心位置;當(dāng)待加工管材直徑變化較大時(shí)，可以通過更換平臺(tái)支撐桿來微調(diào)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(diào)整平臺(tái)位置后，不同直徑的圓管軸向中心線是重合的，進(jìn)一步提升了多次加工的產(chǎn)品的一致性。

1.2? ? 管材夾具設(shè)計(jì)

浮動(dòng)連接管材夾具如圖2所示，大齒圈由3個(gè)均勻分布的V型定位滾輪支撐，在設(shè)備運(yùn)行過程中，兩對(duì)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(dòng)定位塊采用間隙配合，使得兩者之間可以輕松滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)連接，管材輕微形變?cè)斐傻闹行钠撇粫?huì)導(dǎo)致齒圈卡齒。

1.3? ? 齒輪傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)

齒輪組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，三點(diǎn)定位的V字軸承為槽型安裝方式;為了使傳動(dòng)軸在滿足功能的前提下盡可能短，提高傳動(dòng)軸剛度，采用雙軸承夾緊固定方式;傳動(dòng)鏈中設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中凸輪重心在水平上基本不會(huì)發(fā)生大的變化，進(jìn)一步減少切割頭在運(yùn)行過程中的抖動(dòng)。

1.4? ? 凸輪設(shè)計(jì)過程

通過應(yīng)用SolidWorks軟件繪制所需相貫線外形，將其按平面展開后導(dǎo)為二維CAD圖紙，按照預(yù)計(jì)加工精度，確定取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，然后將各點(diǎn)坐標(biāo)輸出到EXCEL表格中，以CSV格式保存。下一步應(yīng)用SolidWorks軟件中的MOTION分析模塊，設(shè)定凸輪基體轉(zhuǎn)速，導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)，添加凸輪從動(dòng)件的引力約束，設(shè)定一周期的運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，最后跟蹤凸輪從動(dòng)件的軌跡就可以獲得目標(biāo)凸輪的外形輪廓。下管相貫線由于其在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度上對(duì)應(yīng)了兩個(gè)坐標(biāo)值，所以它是用一個(gè)內(nèi)凸輪和一個(gè)外凸輪合成的，具體到實(shí)際應(yīng)用就只需要在切割下管相貫線時(shí)進(jìn)行一次從動(dòng)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(duì)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(hù)成本，最終選擇了等離子切割方式。

1.6? ? 管材下壓裝置設(shè)計(jì)

前期制作樣機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，待加工的圓管并不是完全圓的，其主要依靠浮動(dòng)連接夾具使設(shè)備正常運(yùn)行，但運(yùn)行速度稍快時(shí)則容易造成管材跳動(dòng)，因此需要增加一個(gè)在運(yùn)行過程中可以下壓管材的裝置，防止旋轉(zhuǎn)過程中管材振動(dòng)幅度太大，以增加運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，管材下壓裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.7? ? 手動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用過程中，時(shí)常需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)管材，以便更好地安裝固定夾具和管材，為了方便手動(dòng)操作，在此設(shè)計(jì)了一個(gè)滾輪手柄直接連接在動(dòng)力電機(jī)軸上，提供手動(dòng)狀態(tài)下管材旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，當(dāng)操作人員需要手動(dòng)操作時(shí)可以直接轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置三維結(jié)構(gòu)如圖5所示，它與步進(jìn)電機(jī)同軸相連，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不在工作狀態(tài)時(shí)，可以手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，也可進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行前期的微調(diào)。

1.8? ? 電控部分設(shè)計(jì)

通過分析各種電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合成本考慮，最終選用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)本裝置，因本裝置接觸部分均為滾動(dòng)摩擦，對(duì)電機(jī)力矩要求并不高，因此最終選用OK42STH47-204MA步進(jìn)電機(jī)以及TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主控芯片最終選用STC12C5A60S2。人機(jī)交互部分選擇了串口屏，可以觸摸操作設(shè)置各種參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行模式界面如圖6所示，可以設(shè)置補(bǔ)償間隙，切割相貫線管形、速度、旋轉(zhuǎn)方向等，運(yùn)行過程中可實(shí)時(shí)查看工作進(jìn)度，也可以運(yùn)行手動(dòng)模式，進(jìn)入此模式后電機(jī)使能關(guān)閉，可以手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 便捷式相貫線切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.1? ? 切割軸向相貫線工作原理

（1）手動(dòng)方式。開機(jī)后點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入手動(dòng)模式，步進(jìn)電機(jī)使能關(guān)閉，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，小齒輪帶動(dòng)大齒圈進(jìn)而帶動(dòng)待加工管材，經(jīng)過齒輪傳動(dòng)鏈后帶動(dòng)凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而從動(dòng)滾子在彈簧的作用下始終緊靠凸輪外輪廓，帶動(dòng)等離子切割頭在待加工管材上切出相應(yīng)外形，當(dāng)管材轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后加工結(jié)束。

（2）自動(dòng)方式。開機(jī)后點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入自動(dòng)模式，步進(jìn)電機(jī)使能打開，設(shè)置好電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，選擇切割上管相貫線后點(diǎn)擊開始按鈕，將自動(dòng)開始加工。大齒圈帶動(dòng)管材同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過齒輪傳動(dòng)鏈帶動(dòng)凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪從動(dòng)滾子也始終僅靠凸輪外輪廓，帶動(dòng)等離子切割頭在待加工管材上切出相應(yīng)外形，等屏幕上方顯示加工進(jìn)度達(dá)到100%時(shí)加工結(jié)束。

2.2? ? 切割徑向相貫線工作原理

（1）手動(dòng)方式。開機(jī)后點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入手動(dòng)模式，步進(jìn)電機(jī)使能關(guān)閉，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，小齒輪帶動(dòng)大齒圈進(jìn)而帶動(dòng)待加工管材，經(jīng)過齒輪傳動(dòng)鏈后帶動(dòng)凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而從動(dòng)滾子在彈簧的作用下始終緊靠凸輪靠近轉(zhuǎn)動(dòng)中心的外形輪廓，帶動(dòng)等離子切割頭在待加工管材上切出左半邊外形，此時(shí)切換彈簧拉力方向，凸輪從動(dòng)滾子此時(shí)緊靠另一邊外形，帶動(dòng)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(jié)束。

（2）自動(dòng)方式。開機(jī)后點(diǎn)擊屏幕首先進(jìn)入手動(dòng)模式，將步進(jìn)電機(jī)使能關(guān)閉，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪將凸輪轉(zhuǎn)到極限位置，再進(jìn)入自動(dòng)模式，設(shè)置好電機(jī)轉(zhuǎn)向、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)速，選擇切割下管相貫線后點(diǎn)擊開始按鈕，將自動(dòng)開始加工。大齒圈帶動(dòng)管材同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過齒輪傳動(dòng)鏈帶動(dòng)凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪從動(dòng)滾子也始終緊靠凸輪靠近轉(zhuǎn)動(dòng)中心的外形輪廓，帶動(dòng)等離子切割頭在待加工管材上切出左半邊外形，此時(shí)設(shè)備會(huì)停止10 s，需要在10 s內(nèi)完成彈簧的換向，屏幕上方會(huì)顯示50%的進(jìn)度條，10 s后設(shè)備會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，等屏幕上方顯示加工進(jìn)度達(dá)到100%時(shí)加工結(jié)束。

3 結(jié)語

本產(chǎn)品介于半自動(dòng)相貫線切割機(jī)與數(shù)控相貫線切割機(jī)之間，是適合中小型企業(yè)批量生產(chǎn)切割精度要求不高的相貫線切割設(shè)備，其主要由機(jī)架、支撐導(dǎo)軌、管材專用夾具、齒輪傳動(dòng)鏈、凸輪、等離子切割頭、下壓裝置、手動(dòng)旋轉(zhuǎn)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(jī)優(yōu)缺點(diǎn)，繼而確定自己的產(chǎn)品定位，然后進(jìn)行各組成部分的設(shè)計(jì)，最后通過樣機(jī)制作演示，實(shí)踐證明該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。

該相貫線切割機(jī)具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用凸輪機(jī)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單，既可自動(dòng)又可手動(dòng)操作;

（2）采用浮動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不受管材變形影響;

（3）成本低，維護(hù)容易，可代替數(shù)控相貫線切割機(jī);

（4）加工不同工件時(shí)，只需更換相應(yīng)的凸輪以及相應(yīng)夾具即可;

（5）無需復(fù)雜編程，對(duì)工人的技術(shù)、知識(shí)水平要求低，產(chǎn)品性價(jià)比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-06-05

作者簡(jiǎn)介：陳財(cái)煒（1999—），男，福建永泰人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

通信作者：林權(quán)（1980—），男，福建福州人，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。