尚子超 趙 云 王海燕 彭文利

（1.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(zhǎng)切割加工，主要是將管子切割成要求的長(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)今高速發(fā)展的機(jī)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(shí)現(xiàn)切割送料自動(dòng)化顯的十分重要。通過機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)作，既可改善勞動(dòng)條件、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)管件切割的自動(dòng)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(jì)要求

1.1 總體布置設(shè)計(jì)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(qiáng)；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(zhǎng)，外形美觀。

1.2 總體主要參數(shù)的確定

被切割管件的原長(zhǎng)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(zhǎng)度為2m；工作臺(tái)主軸離地面高度為0.8m。

2 總體設(shè)計(jì)及各部分工作原理

2.1 總體設(shè)計(jì)

圖1 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該機(jī)器總體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)氣動(dòng)夾具、兩個(gè)固定氣動(dòng)夾具、切割砂輪裝置和控制系統(tǒng)等組成。

2.2 自動(dòng)送料裝置工作原理

切割管件前，先依靠固定起動(dòng)夾具上的定位板，將多根待切管件一起放進(jìn)夾具內(nèi)并對(duì)齊。確認(rèn)放好管件后，通過控制按鈕起動(dòng)裝置進(jìn)行自動(dòng)切割工作。切管操作時(shí)，移動(dòng)氣動(dòng)夾具先將管件夾緊，然后步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使移動(dòng)氣動(dòng)夾具在機(jī)架軌道上進(jìn)行一定的軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)待切管件的移動(dòng)。然后，兩個(gè)固定氣動(dòng)夾具夾緊管件，進(jìn)行切割工作，與此同時(shí)，移動(dòng)氣動(dòng)夾具松開并回到原有位置，以待下一次進(jìn)給。由控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了管件各種長(zhǎng)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(jìn)行自動(dòng)控制，在進(jìn)給階段的移動(dòng)氣動(dòng)夾具與在切割階段的固定氣動(dòng)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(jìn)行快速、準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)機(jī)器全程自動(dòng)化。這是整機(jī)的核心所在，通過PLC控制系統(tǒng)，完成了步進(jìn)電機(jī)的供給與回程，完成了移動(dòng)氣動(dòng)夾具與固定氣動(dòng)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(dòng)作的同時(shí)，也達(dá)到了每項(xiàng)工序所需要達(dá)到的指標(biāo)與要求。

將管件放置到夾具后，先用定位板進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，然后利用PLC控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和夾具的夾緊、放松進(jìn)行控制，以及定長(zhǎng)切割。自動(dòng)送料裝置工作過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，都需要相應(yīng)信號(hào)的輸入、輸出，從而順利的完成整個(gè)工作過程。

3 主要組成部分的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算

驅(qū)動(dòng)方式多種多樣，可以選擇直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、使用電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式驅(qū)動(dòng)、往復(fù)磁鐵驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)等。自動(dòng)送料裝置的驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)部分：一是，管件送料軸向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)；二是，夾具夾緊和放松運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。由于管件軸向運(yùn)動(dòng)需要停靠多個(gè)位置并且要求精度較高，所以選用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而夾具的夾緊、放松驅(qū)動(dòng)采用氣動(dòng)方式。

3.2 軸向運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次課題主要針對(duì)家具使用管材，管材的原長(zhǎng)為10m，最大切斷長(zhǎng)度為2m，精度要求為±0.1mm，所以自動(dòng)送料裝置中軸向傳動(dòng)方式采用滾珠絲桿傳動(dòng)。它可以保證高精度、微進(jìn)給、效率高、發(fā)熱小、高速進(jìn)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(jì)

所涉及的夾緊保持機(jī)構(gòu)是針對(duì)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(duì)象的幾何形狀和表面特性，選擇機(jī)械式夾緊原理的夾具較為合理。夾具包括一個(gè)移動(dòng)氣動(dòng)夾具和兩個(gè)固定氣動(dòng)夾具。其中，移動(dòng)氣動(dòng)夾具往復(fù)的軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給，當(dāng)移動(dòng)氣動(dòng)夾具夾緊時(shí)，固定氣動(dòng)夾具松開，處于進(jìn)給過程；當(dāng)移動(dòng)氣動(dòng)夾具松開時(shí)，固定氣動(dòng)夾具夾緊，處于切割過程。

這種夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)該夾具的底部采用滾軸來支撐管件，這樣當(dāng)夾具松開時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)管件與夾具軸向的相對(duì)移動(dòng)了。

3.4 控制系統(tǒng)的選擇

自動(dòng)送料裝置的控制分為兩部分：一是，步進(jìn)電機(jī)的控制；二是，氣缸的控制。在工作過程中需設(shè)置多點(diǎn)停靠和反復(fù)啟動(dòng)、停止，選擇PLC控制系統(tǒng)可以滿足工作要求?？刂葡到y(tǒng)中還包括繼電器、行程開關(guān)等電器元件。

3.5 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架的設(shè)計(jì)有兩種：一是，工作臺(tái)支撐架的設(shè)計(jì)；二是，移動(dòng)管件支撐架的設(shè)計(jì)。工作臺(tái)支撐架的作用是支撐自動(dòng)切管裝置工作臺(tái)，需根據(jù)工作臺(tái)和管件的重量，同時(shí)考慮工作人員的操作簡(jiǎn)便性。移動(dòng)管件支撐架的作用是支撐管件伸出工作臺(tái)的部分，防止管件彎曲變形，影響切割精度。通過工作臺(tái)尺寸和額定負(fù)載要求，并根據(jù)常用鋼鐵材料手冊(cè)GB/T3094-2000，選擇常用的鋼管型號(hào)。確定工作臺(tái)支撐架材料為矩形鋼管，移動(dòng)管件支撐架采用角鋼。

3.6 其他裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)送料裝置除了軸向驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和夾緊裝置的設(shè)計(jì)外，還需要根據(jù)管材的尺寸、外形等因素對(duì)定位裝置、導(dǎo)軌、滑塊和管件輔助支撐裝置等進(jìn)行合理選擇和設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要對(duì)氣動(dòng)元器件，如氣源、系統(tǒng)壓力、各種氣閥和氣缸等進(jìn)行合理選擇。

4 小結(jié)

新型管材自動(dòng)切割機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)和自動(dòng)控制，按一定的規(guī)律自行完成人們所要求一系列動(dòng)作，包括自動(dòng)送料、可調(diào)夾緊、砂輪切割及自動(dòng)控制系統(tǒng)等。該設(shè)備既可改善勞動(dòng)條件、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)管件切割的自動(dòng)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］王潤(rùn)孝.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

［2］尚子超，蒙帥甫，吳海云，等.切管自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)[J].科技信息，2012（31）：74，83.

［3］全國(guó)焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編:焊接與切割卷[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［4］李亞江，主編.切割技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］張應(yīng)立，羅建祥，張梅.金屬切割實(shí)用技術(shù)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2005.