可調(diào)式切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

王嬿舒，郝亞維

（北京理工大學(xué)，北京100081）

在施工工地、地震、車禍救援現(xiàn)場(chǎng)、木材的砍伐等特殊場(chǎng)合，由于現(xiàn)場(chǎng)情況往往比較復(fù)雜——操作空間、機(jī)器本身尺寸的限制，普通的切割機(jī)常常無(wú)法觸及到被切割物體或者無(wú)法觸及到較準(zhǔn)確部位。而目前市面上切割機(jī)大致分為兩類：鏈條鋸和圓盤鋸，它們大多把手較短，局限于有限的范圍內(nèi)進(jìn)行切割，并且體積和重量相對(duì)較大，使用不夠靈活。鑒于此，本文提出一種新的切割裝置——可調(diào)式切割機(jī)，它的機(jī)身可以伸縮、工作長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)并且可以在工作的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)鋸片和調(diào)節(jié)切割角度，即擁有伸縮和轉(zhuǎn)向兩大創(chuàng)新功能。

該設(shè)計(jì)想法最初源于國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)向全國(guó)各裝備制造企業(yè)發(fā)起征集大量破拆、撐頂、起重、洗消、偵查等挖掘施工用的器材的倡議書，在急需的救災(zāi)工具中有40%的工具是用來(lái)切割混凝土鋼筋等破障工具。

1 基本工作原理

切割機(jī)由機(jī)械切割系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)主要由伸縮部分、旋轉(zhuǎn)部分、切割部分組成，控制系統(tǒng)主要解決協(xié)調(diào)兩個(gè)電機(jī)：直流步進(jìn)電機(jī)，主要用來(lái)控制機(jī)身和工作臺(tái)的伸縮，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向；交流電機(jī)主要帶動(dòng)鋸片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割；夾緊裝置包括手動(dòng)夾緊和夾緊套自動(dòng)定心夾緊，而手動(dòng)夾緊又分為伸縮夾緊、轉(zhuǎn)向夾緊兩部分。

1.1 伸縮功能

伸縮功能在保證機(jī)身強(qiáng)度、剛度可靠且滿足穩(wěn)定性要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了切割機(jī)在工作時(shí)機(jī)身可以伸縮，工作長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)。

目前具有伸縮功能的機(jī)器有很多?；诓煌墓ぷ髟?，有很多類型的伸縮機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)的有：彈簧套筒式伸縮機(jī)構(gòu)、螺紋式伸縮機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)盤式伸縮構(gòu)。

1.2 轉(zhuǎn)向功能

轉(zhuǎn)向功能在保證機(jī)器強(qiáng)度、剛度可靠且滿足穩(wěn)定性要求的前提下，實(shí)現(xiàn)切割機(jī)工作中自由旋轉(zhuǎn)鋸片和調(diào)節(jié)切割角度。

目前具有轉(zhuǎn)向功能的機(jī)器有很多，基于不同的工作原理，有很多類型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，下面幾類是具有代表性的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：

（1）基于平行四邊形不穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，即四連桿機(jī)構(gòu)。這類轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理很簡(jiǎn)單，生活中也會(huì)經(jīng)常遇到。

（2）電機(jī)錐輪式轉(zhuǎn)向

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)扭矩輸出，通過(guò)錐齒輪改變傳遞扭矩的方向并傳遞扭矩，將一個(gè)方向上的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為另一未知方向上的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（3）電機(jī)蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)向

驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)就可傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

特點(diǎn)：與電機(jī)錐齒輪式轉(zhuǎn)向相似，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自鎖性能好，傳動(dòng)比可以自由選擇等。但是由于蝸輪蝸桿嚙合齒輪間的相對(duì)滑動(dòng)速度較大，摩擦磨損大，傳動(dòng)效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，常需要較貴的減磨耐磨材料來(lái)制造蝸輪，制造精度要求高，刀具費(fèi)用昂貴，成本高。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

2.1 可調(diào)式切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

該切割機(jī)構(gòu)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上開(kāi)有一條凹槽，利用滑塊連桿機(jī)構(gòu)，滑塊可以在凹槽中滑動(dòng)，如圖1所示。當(dāng)外力作用于連桿時(shí)，連桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 鋸片旋轉(zhuǎn)功能機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中構(gòu)件1、2、3為運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，在平面內(nèi)各有3個(gè)自由度，構(gòu)件4為固定構(gòu)件，含有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)滑動(dòng)副，全是低副，它們各提供2個(gè)約束。利用機(jī)械原理基本知識(shí)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度：F=（3×n）-（2×PL）-PH =（3×3）-（2×4）-0=1，因此該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)唯一確定。

從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖1）可以看出該機(jī)構(gòu)為簡(jiǎn)化了曲柄的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化曲柄為主動(dòng)件，滑塊、導(dǎo)桿為從動(dòng)件，給曲柄一個(gè)力的作用，則動(dòng)力通過(guò)滑塊帶動(dòng)導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)角度的兩個(gè)極限位置可以根據(jù)需要在設(shè)計(jì)制造時(shí)預(yù)先設(shè)定。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

給控制桿一個(gè)向前的作用力，控制桿就會(huì)推動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)一個(gè)逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)就以鉸接螺栓所在直線為軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

（1）在一個(gè)電機(jī)以及人的作用下整個(gè)機(jī)器就可以運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)單，易于制造，成本低。

（2）給控制桿一個(gè)作用力，通過(guò)滑塊就可實(shí)現(xiàn)切割部分的轉(zhuǎn)向，手動(dòng)轉(zhuǎn)向便于根據(jù)切割過(guò)程中的實(shí)際情況靈活操作。

（3）轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可靠性高。

可調(diào)式切割機(jī)工作循環(huán)圖，如圖3所示。

圖3 可調(diào)式切割機(jī)工作過(guò)程

2.2 總體布局設(shè)計(jì)

外套筒由套管和尼龍軸套兩部分組成，套管與尼龍軸套過(guò)盈配合，套管與軸套焊接，可使得方向控制桿穿過(guò)軸套在外套筒旁根據(jù)需要前進(jìn)后退，另外在套管上套兩個(gè)喉箍，繼而實(shí)現(xiàn)在喉箍?jī)?nèi)穿入背帶方便攜帶此多動(dòng)能切割機(jī)的功能。

考慮到加工難度，我們將原本設(shè)計(jì)的完整的內(nèi)套筒改為由三部分組成，分別是套管、尼龍階梯軸和與尼龍凸緣。這樣的設(shè)計(jì)方便加工，又避免了材料的浪費(fèi)。內(nèi)套筒的套管與外套筒的尼龍軸套間隙配合，保證內(nèi)套筒能前后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，有又切線方向的定位。

在尼龍階梯軸中嵌入與電機(jī)1控制絲杠配合的螺母，這樣，電機(jī)1控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)螺母向前（或向后）移動(dòng)，繼而整個(gè)內(nèi)套筒和與內(nèi)套筒通過(guò)自制螺釘連接的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)以及電動(dòng)機(jī)主體箱一同做伸縮運(yùn)動(dòng)。相比于其他的伸縮機(jī)構(gòu)，該方案使用螺紋副實(shí)現(xiàn)了伸縮易于自鎖，省去了彈簧、伸縮座等零部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，整體裝配方便，有利于其推廣應(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)2主體箱由電動(dòng)機(jī)套管與尼龍組成，兩者由螺釘緊固連接，電動(dòng)機(jī)2套入套管用螺釘固定，在電動(dòng)機(jī)2主軸帶動(dòng)的使鋸片轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上安裝適合的鋸片，開(kāi)動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可使鋸片轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)與電動(dòng)機(jī)2主體箱通過(guò)螺釘連接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上開(kāi)了一個(gè)T型槽。

方向控制桿由三部分組成：滑塊，銷釘，連桿。連桿的前后移動(dòng)帶動(dòng)滑塊在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)的移動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)主體箱一定角度的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

這種小型便攜可調(diào)式切割機(jī)在原有切割機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用范圍廣，大大提高了救援效率，為地震災(zāi)區(qū)、車禍現(xiàn)場(chǎng)、施工工地等復(fù)雜的救援場(chǎng)合提供了一定的設(shè)備保障。該機(jī)構(gòu)若稍加改裝還能應(yīng)用在果木砍伐、樹(shù)枝修剪等一般場(chǎng)合，質(zhì)量輕便，制造簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)產(chǎn)品加工低成本的要求，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步研究全自動(dòng)化的切割裝置具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

我們的可調(diào)式切割機(jī)就是針對(duì)這一用途設(shè)計(jì)，它的“原型”是生活中經(jīng)常見(jiàn)到的圓盤鋸，通過(guò)增加其伸縮和轉(zhuǎn)向功能使它更適合使用于抗震救災(zāi)、車禍等復(fù)雜環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)使用，適用范圍更廣、效率更高。

[1]榮 輝，付 鐵，楊夢(mèng)辰.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006．

[2]張 彤，樊紅麗，焦永和.機(jī)械制圖[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006．

[3]溫照方.電機(jī)與控制[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[4]孔凌嘉，王曉力.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[5]李大磊，趙玉奇，張 志.SolidWorks高級(jí)功能與工程應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009．

[6]胡仁喜，康士廷，路純紅.SolidWorks2008中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．