气焊焊丝矫直切断机切断部分结构的研究与设计

柯世金，谈 毅，何润滔，陈一杰

（华南理工大学广州学院，广东 广州 510800）

在气焊的实践教学中，需要焊丝与焊枪有一定的配合，市面上卷售捆状弯曲的焊丝在操作时都会给操作者带来不便。而且即便是较细的焊丝，也具有一定的硬度韧性，经过矫直后，如果人工进行切断，也比较费时费劲。此项设计能简单便捷地得到长度方便使用的焊丝，剪切下来等长度的短焊丝也便于封存和取用。本文设计一种能配合矫直机构，等长度切断焊丝的自动切断装置。

1 切断机构传动方案的选择与设计

1.1 切断机构传动方案的选择

经过分析，传动方式采用凸轮传动，凸轮与电机连接，杆上连接刀。传动机构可以使刀具进行上下往复运动，上下锲合的切断方式进行切断。切断的方式使用锲合形式，由上刀与端面相互之间的无缝运动形成切断方式。凸轮的传动机构选用带轮传动，因为凸轮存在刚性冲击，并且为了传动精确和平稳，选择同步带传动。

1.2 切断机构传动凸轮的设计

本次设计的凸轮为盘型凸轮，作为传动机构，机构紧凑，传动可靠，运动路线的确定不变性[1]符合本次设计的要求。本次设计的凸轮的基本参数如表1.

表1 凸轮规格

整个切断过程用时2 s，刀进行一次切断所走的总行程H=40 mm，因为凸轮作匀速运动，根据路程与速度的关系式：

将 H=40mm，S=2 s代入式（1），得 V=20mm/s，则基于Solidworks凸轮设计，对凸轮的运动路径进行设计，分4个有阶段设置，上升阶段的匀速位移的运动类型，远休止角阶段的停顿运动类型，下降阶段的匀速位移类型和近休止角阶段的停顿运动类型。具体设计见图1.

2 切断力的计算

本次设计需要矫直的焊丝为一般的气焊焊丝，选定的规格为ER50-6，其结构形状为圆柱体，属于碳钢类焊丝，本次设计的矫直焊丝的直径范围为1.0 mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm.其力学性能，如表2[2].

表2 E R50-6力学性能

要使切断机构能够适应本次设计，能够切断1.0 mm～2.0mm的焊丝，需要能够切断2.0 mm焊丝的切断力，因此，符合本次设计的最小切断力为对应焊丝直径为2.0 mm的切断力。设计采用的切断机构是利用上刀与工作台无缝上下运动产生剪切力对焊丝进行切断。要使焊丝切断，切断力应大于2 mm焊丝的许用剪切力τ.根据条件可以写成公式[2]：

式中：Q为切断力；A为焊丝的截面积＝πr2＝π

根据式（2）可以得出公式：

因为ER50-6为属于碳钢类焊丝，为塑形材料。

根据机械手册查得，许用剪应力τ＝（0.5～0.7）×许用拉应力。

将算得的许用剪应力τ，代入式（3），得需要的切断力Q值。

3 电机的选择与其他关键零件的设计

3.1 电机的选择

本次设计采用的电机有两个，分别是提供旋转殼动力和牵引动力的电机1和提供切断机构动力的电机2，根据设计要求计算得电机1采用小型三相异步电机，电机2采用步进电机。具体图样见图2、图3.

图2 电机1

图3 电机2

3.2 其他关键零件的设计

（1）电机架的设计

其尺寸（长×宽×高）为170mm×90mm×140 mm.对电机架进行选材，选取材料为铸铁，具有良好的强度、韧性、抗震性和耐磨性。具体形状见图4.

图4 步进电机架

（2）切断固定器的设计

固定器分为上下两个部分，中心直径为4.2 mm，留取0.2 mm作为预留量，固定器随焊丝规格变换。具体详情见图5.

图5 切断固定器

（3）切断机的三维装配图

切断机的三维装配图外围尺寸为（长 ×宽×高）398mm×350 mm×298mm，如图6所示。

图6 切断机三维装配图

4 主要控制程序过程设计

本次设计控制方法采用PLC控制，通过数控系统的精准控制实现自动化工作。根据本次电控设计，主要依靠红外线传感器进行对焊丝是否要切断和焊丝是否有落下的判断，主要控制流程见图7.

图7 控制流程图

具体工作过程：

（1）按下启动按钮，观察末端的红外线传感器检测托丝架上是否有焊丝和其它杂物，若有信号接收，则机器不做运动，若无信号，则PLC中的计数器清零，用户输入需要焊丝的数量，焊丝矫直机开始工作，电机1开始启动。

（2）当托架上末端上的红外线传感器接收到信号，电机1停止的同时电机2启动，计时器开始计时。当电机2在进行焊丝切断的过程中，切断台下方的红外线传感器接收到刀具经过的信号，数量计数器加1.

（3）程序对末端传感器的信号进行判断，若有信号，则说明托丝架上有焊丝没有落下，或者有杂物存在。若无信号，程序判断没达到数量要求，程序返回开始的电机1启动，若达到数量要求，停止工作，程序结束。

5 结束语

本文详细介绍了焊丝切断机构设计，采用凸轮传动的方案，凸轮传动具有传动可靠，机构紧凑等优点，适合本次设计。之后本文对切断机构的切断力进行了科学的计算，阐述了电机的选择和采用PLC控制的控制流程。通过计算选出电机1为三相异步电机，电机2为步进电机，并且阐述了PLC如何通过传感器和计算器来达到用户的需求。相信本切断装置设计能够达到预期的焊丝切断效果。