便捷式相贯线切割机设计

陈财炜 原梓皓 林权

摘要：目前市场上相贯线切割，不是采用价格昂贵的数控相贯线切割机，就是采用样板靠模等落后、复杂的操作工艺，为此，研发了一套主要由力封闭盘型凸轮机构、齿轮传动机构、环抱式管材专用夹具、浮动连接误差补偿装置、步进电机及电控部分构成的相贯线切割机。该切割机不用样板或靠模，无需复杂编程，通过不同规格的盘型凸轮，实现不同尺寸的管材相贯线切割;采用浮动传动结合模块化设计，不仅能实现产品的自动化加工，还可以设置加工误差补偿，切割操作简单，性价比高，可替代数控切割机，市场应用前景广阔，尤其适用于中小型企业批量生产切割精度要求不高的相贯线切割。

关键词：便捷式;正交相贯线;切割机;凸轮;自动化

0 引言

两种以上圆管相连接在机械制图中被称为相贯管件，管件连接处所形成的曲线叫做相贯线，市场上现有的数控相贯线切割机可以方便快捷地切割相贯线[1-4]，但其价格昂贵，导致许多中小型企业仍通过手工划线、放样、靠模等方式进行相贯线的切割，不仅造成工人的劳动强度大，而且对工人的技术水平和操作熟练度有严格要求。传统相贯线切割方式的生产速率低，产品加工质量得不到保障，废品率较高[5-7]。因此，亟需设计一款低成本、高性价比的便携式相贯线切割机，供中小型企业生产使用，以降低工人的劳动强度，减少企业加工圆管相贯线的成本。

1 便捷式相贯线切割机设计

通过对国内外各种相贯线切割机进行研究，本课题将产品定位于介于半自动相贯线切割机与数控相贯线切割机之间，适用于中小型企业批量生产切割精度要求不高的相贯线切割。切割机具体设计过程如下：

1.1    机架设计

便捷式相贯线切割机机架支撑采用可升降平台+大滚轮支撑结构方式，模型机架结构如图1所示。机架支撑均采用标准件，以降低成本，简化安装，由于两根相对的滚轮定位轴的轴距是固定的，因此不同直径待加工管材的轴向定位方式是相同的。当同一批待加工管材直径在小范围内变动时，可以通过更换不同规格的支撑大滚轮，实现微调管材中心位置;当待加工管材直径变化较大时，可以通过更换平台支撑杆来微调管材中心位置。由于定位轴以及定位滑块的作用，可以保证每次调整平台位置后，不同直径的圆管轴向中心线是重合的，进一步提升了多次加工的产品的一致性。

1.2    管材夹具设计

浮动连接管材夹具如图2所示，大齿圈由3个均匀分布的V型定位滚轮支撑，在设备运行过程中，两对半圆夹具在橡胶圈的作用下夹紧待加工管材，夹具直线段与夹具浮动定位块采用间隙配合，使得两者之间可以轻松滑动，从而实现浮动连接，管材轻微形变造成的中心偏移不会导致齿圈卡齿。

1.3    齿轮传动链设计

齿轮组传动结构如图3所示，三点定位的V字轴承为槽型安装方式;为了使传动轴在满足功能的前提下尽可能短，提高传动轴刚度，采用双轴承夹紧固定方式;传动链中设计了齿轮组外壳，减少生锈概率，提高整体刚度;凸轮安装方式为水平固定，运行过程中凸轮重心在水平上基本不会发生大的变化，进一步减少切割头在运行过程中的抖动。

1.4    凸轮设计过程

通过应用SolidWorks软件绘制所需相贯线外形，将其按平面展开后导为二维CAD图纸，按照预计加工精度，确定取样点个数，然后将各点坐标输出到EXCEL表格中，以CSV格式保存。下一步应用SolidWorks软件中的MOTION分析模块，设定凸轮基体转速，导入坐标数据点，添加凸轮从动件的引力约束，设定一周期的运行时间，进行运动轨迹计算，最后跟踪凸轮从动件的轨迹就可以获得目标凸轮的外形轮廓。下管相贯线由于其在同一个旋转角度上对应了两个坐标值，所以它是用一个内凸轮和一个外凸轮合成的，具体到实际应用就只需要在切割下管相贯线时进行一次从动件约束力的换向。

1.5    切割方法选择

本课题主要是为了切割6 mm以下的钢管，对比火焰切割、激光切割和等离子切割方式，综合考虑加工精度要求、使用维护成本，最终选择了等离子切割方式。

1.6    管材下压装置设计

前期制作样机时发现，待加工的圆管并不是完全圆的，其主要依靠浮动连接夹具使设备正常运行，但运行速度稍快时则容易造成管材跳动，因此需要增加一个在运行过程中可以下压管材的装置，防止旋转过程中管材振动幅度太大，以增加运行过程中的稳定性，管材下压装置三维结构如图4所示。

1.7    手动旋转装置设计

在实际使用过程中，时常需要手动旋转管材，以便更好地安装固定夹具和管材，为了方便手动操作，在此设计了一个滚轮手柄直接连接在动力电机轴上，提供手动状态下管材旋转的动力，当操作人员需要手动操作时可以直接转动手轮，手动旋转装置三维结构如图5所示，它与步进电机同轴相连，当步进电机不在工作状态时，可以手动转动设备，也可进行自动运行前期的微调。

1.8    电控部分设计

通过分析各种电机的应用场景，结合成本考虑，最终选用步进电机来驱动本装置，因本装置接触部分均为滚动摩擦，对电机力矩要求并不高，因此最终选用OK42STH47-204MA步进电机以及TB6600步进电机驱动器，主控芯片最終选用STC12C5A60S2。人机交互部分选择了串口屏，可以触摸操作设置各种参数，自动运行模式界面如图6所示，可以设置补偿间隙，切割相贯线管形、速度、旋转方向等，运行过程中可实时查看工作进度，也可以运行手动模式，进入此模式后电机使能关闭，可以手动转动。

2 便捷式相贯线切割机整体结构

本装置适用于300 mm直径以下、厚度6 mm以下的两管正交相贯线线型的切割，其整体三维结构如图7所示。

2.1    切割轴向相贯线工作原理

（1）手动方式。开机后点击屏幕进入手动模式，步进电机使能关闭，转动手轮，小齿轮带动大齿圈进而带动待加工管材，经过齿轮传动链后带动凸轮同步转动，而从动滚子在弹簧的作用下始终紧靠凸轮外轮廓，带动等离子切割头在待加工管材上切出相应外形，当管材转动一圈后加工结束。

（2）自动方式。开机后点击屏幕进入自动模式，步进电机使能打开，设置好电机转向、转速，选择切割上管相贯线后点击开始按钮，将自动开始加工。大齿圈带动管材同步转动，同时通过齿轮传动链带动凸轮同步转动，凸轮从动滚子也始终仅靠凸轮外轮廓，带动等离子切割头在待加工管材上切出相应外形，等屏幕上方显示加工进度达到100%时加工结束。

2.2    切割径向相贯线工作原理

（1）手動方式。开机后点击屏幕进入手动模式，步进电机使能关闭，转动手轮，小齿轮带动大齿圈进而带动待加工管材，经过齿轮传动链后带动凸轮同步转动，而从动滚子在弹簧的作用下始终紧靠凸轮靠近转动中心的外形轮廓，带动等离子切割头在待加工管材上切出左半边外形，此时切换弹簧拉力方向，凸轮从动滚子此时紧靠另一边外形，带动等离子切割头在待加工管材上切除右半边外形，切割曲线封闭后加工结束。

（2）自动方式。开机后点击屏幕首先进入手动模式，将步进电机使能关闭，转动手轮将凸轮转到极限位置，再进入自动模式，设置好电机转向、补偿、转速，选择切割下管相贯线后点击开始按钮，将自动开始加工。大齿圈带动管材同步转动，同时通过齿轮传动链带动凸轮同步转动，凸轮从动滚子也始终紧靠凸轮靠近转动中心的外形轮廓，带动等离子切割头在待加工管材上切出左半边外形，此时设备会停止10 s，需要在10 s内完成弹簧的换向，屏幕上方会显示50%的进度条，10 s后设备会自动运行，等屏幕上方显示加工进度达到100%时加工结束。

3 结语

本产品介于半自动相贯线切割机与数控相贯线切割机之间，是适合中小型企业批量生产切割精度要求不高的相贯线切割设备，其主要由机架、支撑导轨、管材专用夹具、齿轮传动链、凸轮、等离子切割头、下压装置、手动旋转装置以及电控部分组成。本课题首先通过分析市面上存在的相贯线切割机优缺点，继而确定自己的产品定位，然后进行各组成部分的设计，最后通过样机制作演示，实践证明该产品结构合理，符合企业生产实际需求。

该相贯线切割机具有如下创新点：

（1）采用凸轮机构，操作简单，既可自动又可手动操作;

（2）采用浮动传动机构，不受管材变形影响;

（3）成本低，维护容易，可代替数控相贯线切割机;

（4）加工不同工件时，只需更换相应的凸轮以及相应夹具即可;

（5）无需复杂编程，对工人的技术、知识水平要求低，产品性价比高，具有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] 谢瑾瑜.可重构相贯线切割机床的设计及控制软件的开发[D].上海：上海交通大学，2012.

[2] 孙美娜，郑永春，冮振荣.数控大直径管相贯线火焰切割机的研制[J].机械设计与制造，2007（10）：139-140.

[3] 孙鸿.SolidWorks在数控相贯线切割机中的应用[J].中国机械，2014，1（23）：214-215.

[4] 葛国政.数控管子相贯线火焰切割机的研制[J].焊接技术，2006（2）：45-47.

[5] 吴冬桃.专用小型管件切割数控系统研究[D].成都：西华大学，2016.

[6] 赵龙.相贯线切割机数控仿真系统的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2008.

[7] 周敏.多轴联动数控相贯线切割机编程系统的研究与开发[D].北京：中国地质大学，2012.

收稿日期：2020-06-05

作者简介：陈财炜（1999—），男，福建永泰人，研究方向：机械设计制造。

通信作者：林权（1980—），男，福建福州人，硕士，副教授，研究方向：机械制造及自动化。