陳財煒 原梓皓 林權(quán)

摘要：目前市場上相貫線切割，不是采用價格昂貴的數(shù)控相貫線切割機，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構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、環(huán)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(gòu)成的相貫線切割機。該切割機不用樣板或靠模，無需復(fù)雜編程，通過不同規(guī)格的盤型凸輪，實現(xiàn)不同尺寸的管材相貫線切割;采用浮動傳動結(jié)合模塊化設(shè)計，不僅能實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化加工，還可以設(shè)置加工誤差補償，切割操作簡單，性價比高，可替代數(shù)控切割機，市場應(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;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(xiàn)有的數(shù)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(yè)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(shù)水平和操作熟練度有嚴格要求。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(yè)生產(chǎn)使用，以降低工人的勞動強度，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設(shè)計

通過對國內(nèi)外各種相貫線切割機進行研究，本課題將產(chǎn)品定位于介于半自動相貫線切割機與數(shù)控相貫線切割機之間，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。切割機具體設(shè)計過程如下：

1.1? ? 機架設(shè)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(jié)構(gòu)方式，模型機架結(jié)構(gòu)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(nèi)變動時，可以通過更換不同規(guī)格的支撐大滾輪，實現(xiàn)微調(diào)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(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(chǎn)品的一致性。

1.2? ? 管材夾具設(shè)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(shè)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(xiàn)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(shè)計

齒輪組傳動結(jié)構(gòu)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(shè)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(fā)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(shè)計過程

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為二維CAD圖紙，按照預(yù)計加工精度，確定取樣點個數(shù)，然后將各點坐標輸出到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，導入坐標數(shù)據(jù)點，添加凸輪從動件的引力約束，設(shè)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(zhuǎn)角度上對應(yīng)了兩個坐標值，所以它是用一個內(nèi)凸輪和一個外凸輪合成的，具體到實際應(yīng)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(shè)計

前期制作樣機時發(fā)現(xiàn)，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(shè)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(zhuǎn)過程中管材振動幅度太大，以增加運行過程中的穩(wěn)定性，管材下壓裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.7? ? 手動旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計

在實際使用過程中，時常需要手動旋轉(zhuǎn)管材，以便更好地安裝固定夾具和管材，為了方便手動操作，在此設(shè)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(tài)下管材旋轉(zhuǎn)的動力，當操作人員需要手動操作時可以直接轉(zhuǎn)動手輪，手動旋轉(zhuǎn)裝置三維結(jié)構(gòu)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(tài)時，可以手動轉(zhuǎn)動設(shè)備，也可進行自動運行前期的微調(diào)。

1.8? ? 電控部分設(shè)計

通過分析各種電機的應(yīng)用場景，結(jié)合成本考慮，最終選用步進電機來驅(qū)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(qū)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(shè)置各種參數(shù)，自動運行模式界面如圖6所示，可以設(shè)置補償間隙，切割相貫線管形、速度、旋轉(zhuǎn)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(guān)閉，可以手動轉(zhuǎn)動。

2 便捷式相貫線切割機整體結(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）手動方式。開機后點擊屏幕進入手動模式，步進電機使能關(guān)閉，轉(zhuǎn)動手輪，小齒輪帶動大齒圈進而帶動待加工管材，經(jīng)過齒輪傳動鏈后帶動凸輪同步轉(zhuǎn)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(yīng)外形，當管材轉(zhuǎn)動一圈后加工結(jié)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(shè)置好電機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，同時通過齒輪傳動鏈帶動凸輪同步轉(zhuǎn)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(yīng)外形，等屏幕上方顯示加工進度達到100%時加工結(jié)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(guān)閉，轉(zhuǎn)動手輪，小齒輪帶動大齒圈進而帶動待加工管材，經(jīng)過齒輪傳動鏈后帶動凸輪同步轉(zhuǎn)動，而從動滾子在彈簧的作用下始終緊靠凸輪靠近轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)閉，轉(zhuǎn)動手輪將凸輪轉(zhuǎn)到極限位置，再進入自動模式，設(shè)置好電機轉(zhuǎn)向、補償、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，同時通過齒輪傳動鏈帶動凸輪同步轉(zhuǎn)動，凸輪從動滾子也始終緊靠凸輪靠近轉(zhuǎn)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(shè)備會停止10 s，需要在10 s內(nèi)完成彈簧的換向，屏幕上方會顯示50%的進度條，10 s后設(shè)備會自動運行，等屏幕上方顯示加工進度達到100%時加工結(jié)束。

3 結(jié)語

本產(chǎn)品介于半自動相貫線切割機與數(shù)控相貫線切割機之間，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(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優(yōu)缺點，繼而確定自己的產(chǎn)品定位，然后進行各組成部分的設(shè)計，最后通過樣機制作演示，實踐證明該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，符合企業(yè)生產(chǎn)實際需求。

該相貫線切割機具有如下創(chuàng)新點：

（1）采用凸輪機構(gòu)，操作簡單，既可自動又可手動操作;

（2）采用浮動傳動機構(gòu)，不受管材變形影響;

（3）成本低，維護容易，可代替數(shù)控相貫線切割機;

（4）加工不同工件時，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，對工人的技術(shù)、知識水平要求低，產(chǎn)品性價比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1] 謝瑾瑜.可重構(gòu)相貫線切割機床的設(shè)計及控制軟件的開發(fā)[D].上海：上海交通大學，2012.

[2] 孫美娜，鄭永春，冮振榮.數(shù)控大直徑管相貫線火焰切割機的研制[J].機械設(shè)計與制造，2007（10）：139-140.

[3] 孫鴻.SolidWorks在數(shù)控相貫線切割機中的應(yīng)用[J].中國機械，2014，1（23）：214-215.

[4] 葛國政.數(shù)控管子相貫線火焰切割機的研制[J].焊接技術(shù)，2006（2）：45-47.

[5] 吳冬桃.專用小型管件切割數(shù)控系統(tǒng)研究[D].成都：西華大學，2016.

[6] 趙龍.相貫線切割機數(shù)控仿真系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2008.

[7] 周敏.多軸聯(lián)動數(shù)控相貫線切割機編程系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：中國地質(zhì)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(shè)計制造。

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