摘要 介绍了利用杠杆仿型技术，气割火头自动沿钢管上的圆孔相关线轨迹切割圆孔，并能倒坡口设备的设计。
关键词 钢管 杠杆仿型 气割
分类号 TH122
在圆钢管上气割加工的圆孔是两圆柱形成的相关线轨迹，如图1所示。本文讨论用杠杆仿型，气割火头沿圆孔轨迹线自动气割，不同直径的钢管和两钢管不同的夹角形成圆孔轨迹，只需调整仿型机构有关机构，就能达到加工要求。
图1 钢管上加工径向圆孔和倾斜向圆孔
1 杠杆仿型的工作原理
在钢管上加工相关线轨迹的圆孔，根据杠杆仿型来实现。设立一根杠杆，仿型加工的比例为1:2,如图2所示，杠杆与支点的联接采用万向铰链，左边为仿型机构，右边为装气割火头。在圆支点上设置机械机构，能使两边杠杆可以伸缩，伸缩的规律是由仿型机构的杠杆以1:2的比例带动火头杠杆运动，假设仿型杠杆伸长长度为a,由于圆支点设置的机械机构，火头杠杆应伸长2a,仿型杠杆的长为L+a,火头杠杆的长为2L+2a,所以仿型杠杆长与火头杠杆长的比值为1:2。
图2 仿型原理
在气割火头切割钢管的圆孔时，火头运行的轨迹如图3所示，在主视图中，D为工件的直径，D＇为仿型结构的摆杆长度，D=2D＇,仿型杠杆与摆杆连接点随摆杆转动，通过杠杆使火头沿工件表面的圆弧移动；在俯视图中，d为工件所需加工孔的直径，d＇为仿型机构的转盘直径，d=2d＇,同时仿型杠杆与摆杆（转盘）连接点随转盘转动，通过圆支点和杠杆使火头沿圆孔的圆周转动。切割钢管上的圆孔火头运行轨迹是由以上两种运动轨迹组合而成。
图3 设备结构示意图
D-工件直径 d-加工孔直径
D＇-仿型结构摆杆距离 d＇-转盘直径
我们用几何数学可以证明，仿型杠杆端点在水平方向旋转，在垂直方向摆动，通过伸缩杠杆，使火头杠杆的端点必将沿钢管上的圆孔相关线移动，这样就能实现气割火头自动在钢管上加工出圆孔。
2 机械机构的设计
设备加工范围，钢管的直径180～900,在钢管上加工孔直径的尺寸范围为140～750,设备仿型结构和工件加工尺寸比例为1:2,其总体设计如下：
2.1 支撑点和伸缩杠杆的设计
从上面分析，支撑点应多自由度运动，如图4所1999.1示，支点可绕垂直轴转动，同时可以绕水平轴上下摆动，来满足伸缩杠杆的运动要求。
图4 自动气割圆孔设备的整体布局图
1.仿型机构的摆杆 2.仿型机构的转盘 3.步进电机（带减速器）
4.仿型机构的伸缩杠杆 5.杠杆支撑点 6.控制台
7.气割火头的伸缩杠杆 8.被加工工件 9.气割火头
10.工件支撑架（可调节工件高度） 11.仿型机构的支架12设备的底板
杠杆的设计，仿型的伸缩杠杆带动火头伸缩杠杆的运动，并且两者伸缩比为1:2,仿型杠杆通过齿条带动齿轮转动，同轴上有另一个齿轮，齿数是仿型杠杆带动的齿轮2倍，由这个齿轮带动火头杠杆上齿条移动，这样火头杠杆移动距离是仿型杠杆移动距离的2倍。
2.2 仿型机构和主传动的设计
要实现气割火头自动沿钢管上的圆孔轨迹线切割，必须使仿型杠杆端点沿同样的轨迹运动，如图4所示，仿型杠杆端点随转盘转动，同时端点随仿型机构的摆杆摆动，其运动通过伸缩杠杆带动火头运动，转盘上的轴与转盘转动中心距离可调，尺寸为所需加工孔尺寸的1/2,摆杆的长度也可调，其尺寸为钢管直径的1/2。
由于加工孔的尺寸不同，钢管壁厚的不同，气割火头沿圆孔转一圈所需时间也不同，所以主传动由带减速器的步进电机来调速。
2.3 开坡口机构的设计
钢管上加工圆孔孔口需倒坡口时。如图5所示，气割火头喷出的火焰应与圆孔中心线成夹角（为所倒坡口的角），当火头伸缩杆沿圆孔的轨迹移动时，同时火头也沿固定支架旋转，实现倒坡口。
图5 开坡口装置
1.固定支架 2.火头伸缩杠杆 3.火头 4.需加工钢管
2.4 调整设备加工倾斜相交孔
本设备不仅能切割垂直相交的孔，而且能切割一定夹角相交的孔（椭圆孔），调整仿型机构，把仿型机构的转盘支撑轴转动一个角度（相对于摆杆支撑轴），使转盘轴和摆杆轴夹角与两钢管夹角相同，就能实现气割椭圆孔。
3 结束语
我们设计的圆钢管上自动气割圆孔的设备，能实现气割两钢管垂直和倾斜相交孔的相关线，并且能倒坡口，人工上料后，根据钢管直径和所加工孔直径的尺寸，调整设备仿型机构的有关参数和气割速度，加工过程就能实现自动。
