手自一體化火焰切割機(jī)設(shè)計(jì)

劉東衍 張國(guó)華 梁瑞汀 袁廣成 談毅

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)火焰切割機(jī)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易拆卸、攜帶便捷、操作簡(jiǎn)單、精度較高、運(yùn)行速度平穩(wěn)、走行穩(wěn)固準(zhǔn)確及切割粗糙度低（切割線光滑）的手自一體化火焰切割機(jī)。

關(guān)鍵詞：火焰切割機(jī);數(shù)控;手自一體

中圖分類號(hào)：TG48文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0032-03

Abstract： In view of the problems existing in the traditional flame cutting machine， this paper designed a kind of manual self integrated flame cutting machine with simple structure， easy disassembly， convenient carrying， simple operation， high accuracy， stable running speed， stable and accurate running and low cutting roughness （smooth cutting line）.

Keywords： flame cutting machine;numerical control;hand-in-one

對(duì)特殊板材（5～20 mm）的加工和對(duì)精度要較高的加工作業(yè)，通常需要數(shù)控技術(shù)對(duì)操作加以輔助。傳統(tǒng)的數(shù)控火焰切割機(jī)體積較大，移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)切割精度造成影響。由此，本文設(shè)計(jì)了一款手自一體化火焰切割機(jī)。該手自一體化火焰切割機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了重要部件的模塊化設(shè)計(jì)，易于拆卸與組裝，且進(jìn)行維護(hù)時(shí)便于更換部件與耗材;第二，走行部運(yùn)行速度穩(wěn)定，走行精度高，不易傾覆，且火焰切割質(zhì)量高;第三，能在不同角度的平面上實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)，且能實(shí)現(xiàn)不同工況條件下的作業(yè)[1-3]。

1 手自一體化火焰切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的手自一體化火焰切割機(jī)（見圖1）主要由基座、夾具機(jī)構(gòu)、絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、割炬、數(shù)控系統(tǒng)及外部供電供氣裝置組成。其中，基座為可移動(dòng)和調(diào)節(jié)高度的平臺(tái)，其底部安裝有萬向輪以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，支撐框架可通過調(diào)整旋鈕松緊來調(diào)節(jié)基座高度。夾具機(jī)構(gòu)由臂梁、可調(diào)節(jié)連接件及割炬連接件組成，其固定放置于導(dǎo)軌移動(dòng)平臺(tái)板上，可通過更換連接件與不同型號(hào)割炬搭配使用。使用T7鋼材料的臂梁可定制不同規(guī)格，通過模塊化設(shè)計(jì)來進(jìn)行更換以滿足不同切割工作需求，材料選材可靠，長(zhǎng)時(shí)間使用不易變形，布置在臂梁末端連接夾持部分的旋轉(zhuǎn)軸可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)夾持部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以切割出不同的圖案。絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌臺(tái)架、傳動(dòng)軸（絲杠）、伺服電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器及傳動(dòng)平臺(tái)板組成，由電機(jī)傳動(dòng)提供走行動(dòng)力。通過定制不同規(guī)格導(dǎo)軌臺(tái)架及傳動(dòng)軸（絲杠）可實(shí)現(xiàn)不同距離的走行，從而調(diào)整切割范圍。割炬可選用既有型號(hào)火焰割炬，由外部氣瓶（見圖2）通過管路對(duì)割炬進(jìn)行供氣。整個(gè)手自一體化火焰切割機(jī)由外部電源控制箱（見圖2）供電，根據(jù)使用需求可輸入AC380V或AC220V電力。

2 絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

手自一體火焰切割機(jī)絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌臺(tái)架、傳動(dòng)軸（絲杠）、伺服電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器及傳動(dòng)平臺(tái)板裝置組成。導(dǎo)軌臺(tái)架采用模塊化設(shè)計(jì)，易于攜帶、拼裝。根據(jù)作業(yè)所需移動(dòng)距離，靈活組裝導(dǎo)軌臺(tái)架，以實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度移動(dòng)距離。該導(dǎo)軌選擇采用非傳統(tǒng)的輪軌式。根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際觀察，輪軌式導(dǎo)軌在高精度切割作業(yè)條件下對(duì)電機(jī)要求較高，同時(shí)可能發(fā)生空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致切割無法達(dá)到所要求的精度。因此，本手自一體火焰切割機(jī)在走行部分利用螺紋桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。該移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于避免了空轉(zhuǎn)等導(dǎo)致移動(dòng)不精準(zhǔn)、切割不精準(zhǔn)的精度問題，同時(shí)更加有利于切割平臺(tái)在傾斜平面的加工，避免了輪軌式可能發(fā)生設(shè)備傾覆的情況，進(jìn)一步提高了設(shè)備可靠性及其精度。絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造型號(hào)為p24，軌道寬度為139.3 mm，軌道高度為65.5 mm，軌道非電機(jī)端踏板寬度為150 mm，軌道非電機(jī)端厚度為10 mm，軌道非電機(jī)端高度為85 mm，軌距為100 mm，絲杠長(zhǎng)度為300.5 mm，絲杠外徑為28 mm，技術(shù)參數(shù)具體如表1所示。絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.2 絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平臺(tái)板部分

為了支撐夾具機(jī)構(gòu)的重量，在傳動(dòng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)兩個(gè)螺紋孔，可在螺紋孔上安裝對(duì)應(yīng)的夾具，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌工作時(shí)的平穩(wěn)性。傳動(dòng)平臺(tái)板的形狀如圖4所示，長(zhǎng)為139 mm、寬為135 mm。其主要適合用于割炬教學(xué)實(shí)驗(yàn)課上，方便教師教學(xué)。

2.3 電機(jī)的選擇

手自一體火焰切割機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)采用印制繞組直流伺服電機(jī)。其具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、低速運(yùn)行性能好的優(yōu)點(diǎn)，為絲桿滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供牽引力。滑塊上所承受的力來自滑塊自身、夾具機(jī)構(gòu)和割炬。為了保持較好的穩(wěn)定性和操控性，采用的電機(jī)型號(hào)為128SN12SB（見圖5）。

3 夾具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具機(jī)構(gòu)將導(dǎo)軌與割炬連接，具有臂梁的作用;材料使用T7鋼，使得夾具架構(gòu)穩(wěn)固不易變形，能長(zhǎng)時(shí)間使用而不影響精度。此款?yuàn)A具能將割炬的安裝、連接導(dǎo)軌形成半自動(dòng)化切割，又能將割據(jù)拆卸下來進(jìn)行人工切割，操作簡(jiǎn)單。同時(shí)，夾具本身也實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，結(jié)合該手自一體化火焰切割機(jī)穩(wěn)固的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，換裝不同長(zhǎng)度的絲桿，滿足不同作業(yè)情況的需求，同時(shí)不會(huì)因過長(zhǎng)的絲桿導(dǎo)致器材傾覆。夾具機(jī)構(gòu)如圖6所示。夾具的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

4 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該基座具有可伸縮性，連接處采用螺栓連接，將鋁管連接在一起形成可調(diào)節(jié)支撐架。該支撐架具有支撐的作用且方便調(diào)節(jié)，同時(shí)具有穩(wěn)定、輕便的特點(diǎn)。在支撐架四個(gè)底角安裝四個(gè)萬向輪，可隨時(shí)調(diào)整割炬切割的方向，方便教學(xué)使用。在其他工況條件下，可根據(jù)實(shí)際工況，在作業(yè)場(chǎng)地采用其他平面用于放置切割器材。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。基座主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

5 主要控制流程

圖8為手自一體化火焰氣割機(jī)的控制流程圖。系統(tǒng)初始化后，按下開關(guān)按鈕，系統(tǒng)判斷滑塊是否在原點(diǎn)位置，若不在原點(diǎn)位置，滑塊復(fù)位回到原點(diǎn);滑塊回到原點(diǎn)后，按下啟動(dòng)開關(guān)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊前移，滑塊進(jìn)入工作區(qū)域的初始位置（即限位1）后，電機(jī)停止，滑塊停止在工作區(qū)域的初始位置1 s后噴槍槍頭噴火，再1 s后，電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，滑塊前移，直到工作區(qū)域的結(jié)束位置（即限位2），電機(jī)停止，噴槍熄火;工作結(jié)束后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊快退至原點(diǎn)，等待第二次工作。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的手自一體化火焰切割機(jī)加工精度高，切割尺寸統(tǒng)一，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，能切割出各種圖形，切割粗糙度低，剩余余料少，材料利用率高，加工過程平穩(wěn)，方便平移，為業(yè)界提供了一種新的數(shù)控手自一體化火焰切割機(jī)發(fā)展思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖學(xué)勇.超厚板數(shù)控火焰切割[J].金屬加工（熱加工），2015（6）：64-66.

[2]王洪光，趙冰巖，洪偉.氣焊與氣割[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]宇永福.焊接結(jié)構(gòu)制造[M].北京：機(jī)械工程出版社，1995.