可调式切割机的运动机构设计

王嬿舒，郝亚维

（北京理工大学，北京100081）

在施工工地、地震、车祸救援现场、木材的砍伐等特殊场合，由于现场情况往往比较复杂——操作空间、机器本身尺寸的限制，普通的切割机常常无法触及到被切割物体或者无法触及到较准确部位。而目前市面上切割机大致分为两类：链条锯和圆盘锯，它们大多把手较短，局限于有限的范围内进行切割，并且体积和重量相对较大，使用不够灵活。鉴于此，本文提出一种新的切割装置——可调式切割机，它的机身可以伸缩、工作长度可以调节并且可以在工作的过程中旋转锯片和调节切割角度，即拥有伸缩和转向两大创新功能。

该设计想法最初源于国家发展改革委员会向全国各装备制造企业发起征集大量破拆、撑顶、起重、洗消、侦查等挖掘施工用的器材的倡议书，在急需的救灾工具中有40%的工具是用来切割混凝土钢筋等破障工具。

1 基本工作原理

切割机由机械切割系统和控制系统组成。机械系统主要由伸缩部分、旋转部分、切割部分组成，控制系统主要解决协调两个电机：直流步进电机，主要用来控制机身和工作台的伸缩，控制转动平台的转向；交流电机主要带动锯片旋转进行切割；夹紧装置包括手动夹紧和夹紧套自动定心夹紧，而手动夹紧又分为伸缩夹紧、转向夹紧两部分。

1.1 伸缩功能

伸缩功能在保证机身强度、刚度可靠且满足稳定性要求的前提下，实现了切割机在工作时机身可以伸缩，工作长度可以调节。

目前具有伸缩功能的机器有很多。基于不同的工作原理，有很多类型的伸缩机构，常见的有：弹簧套筒式伸缩机构、螺纹式伸缩机构和转盘式伸缩构。

1.2 转向功能

转向功能在保证机器强度、刚度可靠且满足稳定性要求的前提下，实现切割机工作中自由旋转锯片和调节切割角度。

目前具有转向功能的机器有很多，基于不同的工作原理，有很多类型的转向机构，下面几类是具有代表性的转向机构：

（1）基于平行四边形不稳定性的转向机构，即四连杆机构。这类转向机构原理很简单，生活中也会经常遇到。

（2）电机锥轮式转向

电机转动实现扭矩输出，通过锥齿轮改变传递扭矩的方向并传递扭矩，将一个方向上的回转运动转化为另一未知方向上的回转运动。

（3）电机蜗轮蜗杆式转向

驱动电机输出动力，经过蜗轮蜗杆传动系统就可传递给执行机构。

特点：与电机锥齿轮式转向相似，易于实现自动控制，自锁性能好，传动比可以自由选择等。但是由于蜗轮蜗杆啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦磨损大，传动效率较低，易出现发热现象，常需要较贵的减磨耐磨材料来制造蜗轮，制造精度要求高，刀具费用昂贵，成本高。

2 关键机构的设计分析

2.1 可调式切割机的运动机构分析

该切割机构有一个转动平台，在转动平台上开有一条凹槽，利用滑块连杆机构，滑块可以在凹槽中滑动，如图1所示。当外力作用于连杆时，连杆的直线运动转化为转动平台的旋转运动。

图1 锯片旋转功能机构简图

其中构件1、2、3为运动构件，在平面内各有3个自由度，构件4为固定构件，含有2个转动副，2个滑动副，全是低副，它们各提供2个约束。利用机械原理基本知识计算机构的自由度：F=（3×n）-（2×PL）-PH =（3×3）-（2×4）-0=1，因此该机构运动唯一确定。

从旋转机构简图（图1）可以看出该机构为简化了曲柄的摆动导杆机构，简化曲柄为主动件，滑块、导杆为从动件，给曲柄一个力的作用，则动力通过滑块带动导杆转动。转动角度的两个极限位置可以根据需要在设计制造时预先设定。

图2 旋转机构结构示意图

给控制杆一个向前的作用力，控制杆就会推动滑块运动，同时给转动平台一个逆时针的转矩，在该转矩的作用下转动平台就以铰接螺栓所在直线为轴线进行转动，往复运动就转化为了回转运动。

该方案的优点：

（1）在一个电机以及人的作用下整个机器就可以运转，结构布局简单，易于制造，成本低。

（2）给控制杆一个作用力，通过滑块就可实现切割部分的转向，手动转向便于根据切割过程中的实际情况灵活操作。

（3）转动角度、转动时刻可以根据需要进行调节，可靠性高。

可调式切割机工作循环图，如图3所示。

图3 可调式切割机工作过程

2.2 总体布局设计

外套筒由套管和尼龙轴套两部分组成，套管与尼龙轴套过盈配合，套管与轴套焊接，可使得方向控制杆穿过轴套在外套筒旁根据需要前进后退，另外在套管上套两个喉箍，继而实现在喉箍内穿入背带方便携带此多动能切割机的功能。

考虑到加工难度，我们将原本设计的完整的内套筒改为由三部分组成，分别是套管、尼龙阶梯轴和与尼龙凸缘。这样的设计方便加工，又避免了材料的浪费。内套筒的套管与外套筒的尼龙轴套间隙配合，保证内套筒能前后运动的同时，有又切线方向的定位。

在尼龙阶梯轴中嵌入与电机1控制丝杠配合的螺母，这样，电机1控制丝杠转动的同时，带动螺母向前（或向后）移动，继而整个内套筒和与内套筒通过自制螺钉连接的转动平台以及电动机主体箱一同做伸缩运动。相比于其他的伸缩机构，该方案使用螺纹副实现了伸缩易于自锁，省去了弹簧、伸缩座等零部件，结构简单、工作稳定可靠，整体装配方便，有利于其推广应用。

电动机2主体箱由电动机套管与尼龙组成，两者由螺钉紧固连接，电动机2套入套管用螺钉固定，在电动机2主轴带动的使锯片转动的轴上安装适合的锯片，开动开关，即可使锯片转动。

转动平台与电动机2主体箱通过螺钉连接在一起，转动平台上开了一个T型槽。

方向控制杆由三部分组成：滑块，销钉，连杆。连杆的前后移动带动滑块在转动平台内的移动，继而实现电动机主体箱一定角度的方向转动。

3 结束语

这种小型便携可调式切割机在原有切割机基础上进行改进，整个机构结构简单，操作方便，适用范围广，大大提高了救援效率，为地震灾区、车祸现场、施工工地等复杂的救援场合提供了一定的设备保障。该机构若稍加改装还能应用在果木砍伐、树枝修剪等一般场合，质量轻便，制造简单，能够适应激烈的市场竞争对产品加工低成本的要求，具有良好的市场推广价值，对进一步研究全自动化的切割装置具有非常现实的意义。

我们的可调式切割机就是针对这一用途设计，它的“原型”是生活中经常见到的圆盘锯，通过增加其伸缩和转向功能使它更适合使用于抗震救灾、车祸等复杂环境现场使用，适用范围更广、效率更高。

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