摘要：针对传统风管切割机在风管切割加工过程中存在操作不够便捷、无法同时切割多根风管，以及无法及时收集切割废料等问题，设计了一种具备快速切割和废料收集功能的风管切割机，可对多根风管同时进行切割，提高了风管的切割加工效率。切割后的废料自动落入废料收集箱内，便于后续的集中处理，提高了风管废料的处理效率。为验证该风管切割机设计方法的可行性，在SolidWorks三维软件中对该风管切割机进行三维建模和虚拟装配。根据该风管切割机的三维设计方案，利用激光切割机、数控冲床、数控折弯机和焊机等设备，进行风管切割机各零部件的机加工制造，最后进行风管切割机的组装调试。试验结果表明，优化后的风管切割机采用同时切割多根风管处理方式，有效解决了传统风管切割机的上述弊端问题，提高了风管切割加工效率和废料处理效率，为传统风管切割机的优化设计提供了参考依据。
关键词：风管,风管切割机,废料收集,虚拟装配,优化设计
0引言
风管是用于空气输送和分布的管道系统，风管系列产品适用于工业、建筑的空调通风工程安装，在食品加工、机械制造、药业制品、电子工业、以及航空航天制造等领域有着广泛的应用。风管按截面形状可分为圆形风管、矩形风管、扁圆风管等；风管按材质分类可分为金属风管、复合风管等。部分研究学者对风管的常规制作及技术改进、风管的自动化加工方法、安装施工和施工工艺等进行了相关研究，并取得了一定的研究成果[1-5]。在风管安装过程中需要根据实际情况对风管进行裁剪切割，将长度过长的风管切除一部分，使风管符合使用规定和安装要求。对于风管的切割作业，虽然传统的风管切割机等相关设备可以进行操作处理，但占用
面积较大、价格昂贵，限制了风管切割机的大范围使用，所以现有的风管切割主要由操作工人通过手持式切割机或落地式切割机将单根风管放在地面上进行切割操作，待风管切割完成后，再分别将加工好的风管和剩下的风管废料进行分类堆放存储，由于风管切割机每次操作只能单次切割一根风管，大大降低了风管切割加工的效率。
此外，风管安装过程中涉及到风管切割的工作量较大，急需研制一种可快速切割的风管切割机，可一次性切割多根风管，同时还可以将切割的风管废料进行自动收集，免于人工操作，既可节省风管废料处理时间，也可提高风管切割效率。
针对传统风管切割机在风管切割加工过程中存在操作不够便捷、无法同时切割处理多根风管，以及无法及时收集切割废料的问题，本文设计了一种具有废料收集功能的风管切割机，可对多根风管同时进行切割，切割后的废料可自动落入废料收集箱内。首先，为了验证该风管切割机设计方法的合理性和可行性，在SolidWorks三维软件中对该风管切割机进行三维建模、虚拟装配和干涉检验。其次，根据该风管切割机的三维设计方案，利用激光切割机、数控冲床、数控折弯机和焊机等设备，进行风管切割机各零件和部件的机加工制造，最后进行风管切割机的组装调试。试验结果表明：优化后的风管切割机采用同时切割多根风管处理方式，有效解决了传统风管切割机的上述弊端问题，提高了风管切割加工效率和废料处理效率，为传统风管切割机的优化设计提供了参考依据。
1三维建模和虚拟装配
1.1设计分析
传统的风管切割方式主要是操作工人通过手持式或落地式切割机将单根风管放在地面上进行切割操作，切割操作开始前，操作工人需要提前用尺子测量保留风管的长度尺寸，并做好刻度标记，然后再将其放到手持式切割机或落地式切割机上进行切割作业。切割操作完成后，需要分别将切割好的风管和剩下的风管废料进行分类堆放存储。待第一根风管的切割及后处理工序完成后，再重复进行第二根风管的切割作业，如此往复。由于此类风管切割机每次操作只能单次切割一根风管，使得风管的切割加工效率较低。此外，在整个操作过程中，操作工人需要多次弯腰进行风管切割机、风管和废料操作处理，当风管切割的工作量较大时，长时间的重复操作，无疑给操作工人带来了操作上的不便。单次单根风管切割示意图如图1所示。
为了解决上述问题，本文设计了单次多根风管切割机，同时具备以下功能：为了便于人工操作，风管的切割作业在操作台上进行，操作台距离地面保持合适高度。
操作台面上有刻度标识，无需用尺子测量每根风管的保留长度，即可便于确认风管的切割长度。开启后的旋转切割刀盘可以沿圆形风管的截面方向来回移动，从而可以单次实现多根风管的切割作业。设计了尺寸合适的风管废料收集箱，切割后的风管废料自动落入废料收集箱内，便于废料的集中处理。在后续的圆形风管切割过程中，对于同批次的较长圆形风管，无需移动定位板的位置进行重新定位，降低了用于圆形风管定位耗费的时间。
上述设计方案理论上可以提高圆形风管的切割加工和废料处理效率。单次多根风管切割示意图如图2所示。
本文设计具有废料收集功能的风管切割机，主要包括支撑柱、加工机台、导向滑块、定位机构、操作台面板、圆形风管、固定夹块、夹紧机构、旋柄、固定块、滑动支架、驱动气缸、螺纹杆、侧立板、导向杆、切割机构、刀盘防护架、切割刀盘、电机支撑板、驱动电机、废料收集箱、托杆、伺服电机、轴承、连接轴、刚性联轴器、支撑筋板、活动夹块、不锈钢垫片等。风管切割机中的定位机构用于圆形风管端部的定位，从而保证切割后风管的长度尺寸相同。两个托杆相对称固定在加工机台的尾端端面，废料收集箱搭设在两个托杆上。多组夹紧机构沿着纵横方向等间隔安装在加工机台的台面上，用于固定和夹紧圆形风管，并且可同时夹紧多根风管。
风管切割机的切割机构可同时对多根风管进行切割操作，可大幅度提高切割加工效率。切割后的风管废料自动落入废料收集箱内，便于后续的集中处理，有利于提高废料处理效率。
1.2三维建模
为了便于人工操作，风管切割机的切割作业在操作台上进行，操作台距离地面高度约75 cm。在三维软件中建立风管切割机各零件和部件的三维结构模型，风管切割机涉及的零部件较多，在此仅展示支撑柱框架、操作台面板、风管夹紧机构、废料收集箱的三维建模示意图，其他零部件不一一展示。支撑柱框架、操作台面板、风管夹紧机构和废料收集箱的三维建模示意图分别如图3~6所示。
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