新型管材自动切割机的设计

尚子超 赵 云 王海燕 彭文利

（1.嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.嘉兴威诺五金制造有限公司，浙江 嘉兴 314001）

0 引言

管材在各行业被大量使用，而下料工序是管材后续加工工序的基础，下料工序精度、效率的高低直接影响到产品质量的好坏及成本的高低。管子定长切割加工，主要是将管子切割成要求的长度。目前的管件切割方式如果还处在手工送料、手工取件的方式，将远远满足不了当今高速发展的机械、造船、军工、石油化工、能源、车辆制造、航空航天等工业需要。因此，实现切割送料自动化显的十分重要。通过机械传动或电气控制，按一定的规律自行完成人们所要求一系列动作，既可改善劳动条件、减轻工人劳动强度，确保生产安全，提高生产效率和产品质量，而且还能降低原材料消耗，节省设备投资，降低生产成本。实现管件切割的自动化，是提升管件切割效率 、提高切割精度和保证切割安全的根本途径和措施。

1 设计要求

1.1 总体布置设计要求

工作过程连续和流程；切割效率高；切割精读高，稳定性强；适用于多种不同尺寸、外形的管件切割；结构紧凑，层次分明；操作、维修、调整方便；寿命长，外形美观。

1.2 总体主要参数的确定

被切割管件的原长不大于12m；圆管直径范围15～50mm；矩形管高≤200mm，宽≤35mm；管件最大切割长度为2m；工作台主轴离地面高度为0.8m。

2 总体设计及各部分工作原理

2.1 总体设计

图1 总体结构简图

总体结构简图如图1所示。该机器总体结构主要由机架、步进电机、滚珠丝杠传动副、一个移动气动夹具、两个固定气动夹具、切割砂轮装置和控制系统等组成。

2.2 自动送料装置工作原理

切割管件前，先依靠固定起动夹具上的定位板，将多根待切管件一起放进夹具内并对齐。确认放好管件后，通过控制按钮起动装置进行自动切割工作。切管操作时，移动气动夹具先将管件夹紧，然后步进电机通过联轴器带动丝杠转动，从而使移动气动夹具在机架轨道上进行一定的轴向运动，带动待切管件的移动。然后，两个固定气动夹具夹紧管件，进行切割工作，与此同时，移动气动夹具松开并回到原有位置，以待下一次进给。由控制系统控制步进电机的转动，实现了管件各种长度的精确切割，精读误差为±0.1mm。

2.3 夹紧装置工作原理

通过预先的编程，由控制系统进行自动控制，在进给阶段的移动气动夹具与在切割阶段的固定气动夹具，以压缩空气将管件定位并夹紧。

2.4 切割装置工作原理

采用高速旋转的砂轮切割管材。砂轮片是用纤维、树脂或橡胶将磨料粘合制成的。在熟练的操作中，砂轮可进行快速、准确地切割，而且切割得整齐、无毛刺。

2.5 控制系统工作原理

通过预先编程，从而完成预订的控制要求，以实现机器全程自动化。这是整机的核心所在，通过PLC控制系统，完成了步进电机的供给与回程，完成了移动气动夹具与固定气动夹具的夹紧和放松，完成了砂轮片的切割，并且在完成上述动作的同时，也达到了每项工序所需要达到的指标与要求。

将管件放置到夹具后，先用定位板进行零点校准，然后利用PLC控制系统对步进电机的转角和夹具的夹紧、放松进行控制，以及定长切割。自动送料装置工作过程中的每个环节，都需要相应信号的输入、输出，从而顺利的完成整个工作过程。

3 主要组成部分的设计计算

3.1 驱动的设计和计算

驱动方式多种多样，可以选择直线电动机驱动、使用电动机的机械式驱动、往复磁铁驱动、液压驱动、气动等。自动送料装置的驱动有两个部分：一是，管件送料轴向运动的驱动；二是，夹具夹紧和放松运动驱动。由于管件轴向运动需要停靠多个位置并且要求精度较高，所以选用直线步进电机驱动，而夹具的夹紧、放松驱动采用气动方式。

3.2 轴向运动的传动机构设计

本次课题主要针对家具使用管材，管材的原长为10m，最大切断长度为2m，精度要求为±0.1mm，所以自动送料装置中轴向传动方式采用滚珠丝杆传动。它可以保证高精度、微进给、效率高、发热小、高速进给。从而极大的提高了管材切割的品质与效率。

3.3 夹具的设计

所涉及的夹紧保持机构是针对多种外形、尺寸的管形材料，如何夹持取决于要求的力、被夹好取对象的几何形状和表面特性，选择机械式夹紧原理的夹具较为合理。夹具包括一个移动气动夹具和两个固定气动夹具。其中，移动气动夹具往复的轴向运动进行进给，当移动气动夹具夹紧时，固定气动夹具松开，处于进给过程；当移动气动夹具松开时，固定气动夹具夹紧，处于切割过程。

这种夹具结构简单、夹紧原理明确、制造加工方便、制造成本低廉、应用尺度广泛、装夹数量多，适用于中、小夹紧力的工作过程。同时该夹具的底部采用滚轴来支撑管件，这样当夹具松开时，就可以实现管件与夹具轴向的相对移动了。

3.4 控制系统的选择

自动送料装置的控制分为两部分：一是，步进电机的控制；二是，气缸的控制。在工作过程中需设置多点停靠和反复启动、停止，选择PLC控制系统可以满足工作要求。控制系统中还包括继电器、行程开关等电器元件。

3.5 机架的设计

机架的设计有两种：一是，工作台支撑架的设计；二是，移动管件支撑架的设计。工作台支撑架的作用是支撑自动切管装置工作台，需根据工作台和管件的重量，同时考虑工作人员的操作简便性。移动管件支撑架的作用是支撑管件伸出工作台的部分，防止管件弯曲变形，影响切割精度。通过工作台尺寸和额定负载要求，并根据常用钢铁材料手册GB/T3094-2000，选择常用的钢管型号。确定工作台支撑架材料为矩形钢管，移动管件支撑架采用角钢。

3.6 其他装置的设计

自动送料装置除了轴向驱动的设计和夹紧装置的设计外，还需要根据管材的尺寸、外形等因素对定位装置、导轨、滑块和管件辅助支撑装置等进行合理选择和设计，同时还需要对气动元器件，如气源、系统压力、各种气阀和气缸等进行合理选择。

4 小结

新型管材自动切割机通过机械传动和自动控制，按一定的规律自行完成人们所要求一系列动作，包括自动送料、可调夹紧、砂轮切割及自动控制系统等。该设备既可改善劳动条件、减轻工人劳动强度，确保生产安全，提高生产效率和产品质量，而且还能降低原材料消耗，节省设备投资，降低生产成本。实现管件切割的自动化，是提升管件切割效率、提高切割精度和保证切割安全的根本途径和措施。

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［2］尚子超，蒙帅甫，吴海云，等.切管自动送料装置的设计[J].科技信息，2012（31）：74，83.

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