一種軌枕自動(dòng)焊簧機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

歐陽軍

（汝州鄭鐵三佳水泥制品有限公司，河南 汝州 467500）

1 背景

自預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕在我國(guó)鐵路上應(yīng)用至今，其中IIIa、XII型等軌枕內(nèi)在彈簧筋外側(cè)等距焊有三根立筋的螺旋筋，其制作過程基本上都是，先用繞簧機(jī)按照?qǐng)D紙要求制作完成彈簧筋，然后人工再使用點(diǎn)焊機(jī)將三根下好料的立筋一根一根點(diǎn)焊在彈簧筋外側(cè)。按軌枕廠一個(gè)班次生產(chǎn)100套2*4的IIIa型軌枕鋼模型計(jì)算，每班就需要3200個(gè)螺旋筋成品。由于數(shù)量較多，又沒有專用的工裝加以控制，全靠工人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，所以其焊接的螺旋筋極易出現(xiàn)開焊、立筋長(zhǎng)短不一等問題，導(dǎo)致在使用過程中，安裝后的螺旋筋與套管或橡膠軸周邊尺寸相差較大，甚至出現(xiàn)了部分螺旋筋直接靠在套管或橡膠軸上的現(xiàn)象，使螺旋筋的作用大大降低。后來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種半自動(dòng)化的焊簧設(shè)備，這種半自動(dòng)的焊簧機(jī)可有效解決立筋長(zhǎng)短不一的問題，但由于是一根一根焊接，所以生產(chǎn)效率較低。如果單從生產(chǎn)快慢來說，還不如一個(gè)熟練工人焊的快，最主要的問題在于其不能滿足圖紙中立筋兩端彎鉤的要求。所以研發(fā)一種全自動(dòng)無人值守或一人可操作多臺(tái)的自動(dòng)化焊簧機(jī)成了各個(gè)軌枕廠設(shè)備管理人員和軌枕設(shè)備制造廠商最求的目標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)思路

經(jīng)過公司研發(fā)人員和車間焊簧技工，共同對(duì)以上兩個(gè)專利的研究，和對(duì)現(xiàn)有焊接工序的分析，經(jīng)過討論，確定了以下的設(shè)計(jì)思路和工作步驟：

（1）設(shè)計(jì)可以從簡(jiǎn)單到復(fù)雜分步實(shí)施，先攻克技術(shù)難點(diǎn)，然后再做整體設(shè)計(jì)，但最終應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求。

（2）設(shè)備力求簡(jiǎn)單實(shí)用，為減少投入和研發(fā)難度，最好利用現(xiàn)有的繞簧機(jī)和定長(zhǎng)切斷機(jī)，利用電氣將三者關(guān)聯(lián)起來，協(xié)同動(dòng)作，成為一臺(tái)模塊化的設(shè)備。

（3）三根立筋應(yīng)同時(shí)焊接，提高生產(chǎn)效率，使其每分鐘產(chǎn)量大于人工焊接的7個(gè)。

（4）立筋凸出彈簧筋長(zhǎng)度誤差應(yīng)控制在1mm以內(nèi)。

（5）設(shè)備各點(diǎn)設(shè)檢測(cè)傳感器，如發(fā)生故障，應(yīng)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)停止工作并報(bào)警，便于人工干預(yù)。

（6）采用PLC加觸摸屏控制，設(shè)自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。

3 關(guān)鍵點(diǎn)試驗(yàn)

此機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)在于，如何將立筋高效準(zhǔn)確的送到彈簧筋外側(cè)實(shí)施焊接，圍繞這個(gè)問題，我們依次進(jìn)行以下方案的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

3.1 方案一

方案為一如下圖所示：由機(jī)架1、焊接氣缸2、焊棒3、焊棒座4、外筒5、齒輪6、頂針組7、頂推氣缸8、步進(jìn)電機(jī)9、內(nèi)筒10、下料斗11等主要部件組成。

方案一 主視圖

方案一 內(nèi)外筒剖面圖

此方案模仿頂桿槍的原理，先將彈簧筋套入焊棒，立筋放入下料斗。然后在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的過程中，下料斗中的立筋落入內(nèi)筒的三個(gè)橫槽內(nèi)，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)一周后要停在設(shè)定位置，橫槽必須與焊棒座上的三個(gè)孔對(duì)齊，檢測(cè)傳感器檢測(cè)到各項(xiàng)動(dòng)作到位，后邊頂推氣缸帶動(dòng)頂針組向前推進(jìn)，將三根立筋推入彈簧筋外表面。焊接氣缸動(dòng)作進(jìn)行焊接。

此方案較為復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)一周，橫槽內(nèi)有空槽的現(xiàn)象，需要再旋轉(zhuǎn)一周進(jìn)行補(bǔ)充。還有就是由于加工和控制精度不足的原因，內(nèi)筒上的橫槽與焊棒座上三個(gè)孔不在一條直線上，導(dǎo)致立筋不能到達(dá)彈簧筋外表面，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)等意想不到的諸多問題。所以在試驗(yàn)過程中，大家集思廣益，又提出了更為簡(jiǎn)單、也更準(zhǔn)確的如下方案。

3.2 方案二

此方案利用立筋在重力作用下，能自動(dòng)下落的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。即在方案一的基礎(chǔ)上，將步進(jìn)電機(jī)、內(nèi)外筒等旋轉(zhuǎn)部分更換為如下圖所示的“山”字型結(jié)構(gòu)，將鋼筋放在“山”字形下料斗內(nèi)，下料斗的底部“U”型槽與焊棒座上的槽在一條直線上，當(dāng)頂針退回初始位置后，立筋自動(dòng)落入“U”型槽內(nèi)，等待下次頂推。

方案二經(jīng)過試驗(yàn)，實(shí)際上是行不通的，其主要原因在于立筋在定長(zhǎng)切斷機(jī)下料過程中，出現(xiàn)有少許的彎曲，切斷毛刺導(dǎo)致的端部直徑大小不一等現(xiàn)象，致使要不立筋下不來，要不

方案二 主視圖

方案二 山字板放大圖

頂針一次推兩根等諸多現(xiàn)象，另外頂針缺少了一面的約束，在運(yùn)行過程中，下部阻力如果增大，頂針就會(huì)上翹，宣告此方案的失敗。

通過幾次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題如下：

（1）立筋下料不能連續(xù)進(jìn)行。

（2）頂推機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)內(nèi)筒橫槽與焊棒孔稍有偏差便頂不進(jìn)去。

（3）氣缸速度過快，立筋向前竄出焊棒座，造成立筋凸出彈簧筋端面尺寸偏差大。

（4）立筋頂出時(shí)與彈簧筋干涉，將彈簧筋頂離初始位置。

3.3 方案三

方案三 主視圖

方案三 頂彎部分放大圖

為解決前幾次試驗(yàn)所發(fā)生的問題，加入立筋彎鉤功能，設(shè)計(jì)了方案三。方案三由機(jī)架1、頂彎氣缸2、下料斗3、旋轉(zhuǎn)喂料滾筒4、儲(chǔ)料斗5、頂彎?rùn)C(jī)構(gòu)6、滑道7、焊棒8和焊接氣缸9等主要部件組成，頂彎?rùn)C(jī)構(gòu)主要由沖板10、成形板11和上蓋板組成。

實(shí)驗(yàn)時(shí)先把彈簧筋手工套在焊棒上，立筋放在料斗內(nèi)，旋轉(zhuǎn)喂料器通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，將立筋通過喂料器上的四條橫槽旋轉(zhuǎn)依次進(jìn)入儲(chǔ)料斗，儲(chǔ)料斗內(nèi)存儲(chǔ)10根左右立筋，過多時(shí)則步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。頂彎板的厚度3mm，每次只允許有一根立筋掉入頂彎?rùn)C(jī)構(gòu)的托板上，氣缸帶動(dòng)沖板向前，在成形板上將立筋彎折成圖紙要求形狀，兩端帶鉤的立筋順滑道落入焊接氣缸上部的U型槽內(nèi)，焊接氣缸動(dòng)作向上將彎鉤后的立筋推向焊棒與彈簧筋焊接，一次焊接后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)焊棒旋轉(zhuǎn) 120度，焊接第二根立筋，直到三根立筋全部焊接完畢，焊棒向回反方向旋轉(zhuǎn)，回到初始位置，一個(gè)螺旋勁焊接完畢。

此方案經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案可行，設(shè)備運(yùn)行基本正常，唯一不足之處在于喂料器因?yàn)榱⒔疃瞬棵獭⒉恢痹斐煽D，使設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 方案四

為了解決方案三所存在的問題，我們?cè)谙铝蠙C(jī)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，如上圖所示，改用頂升結(jié)構(gòu)，由下料斗1、頂升板2、氣缸3和儲(chǔ)料筒4組成。其工作原理為，料斗內(nèi)盛放上立筋，氣缸上向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)頂板，而頂板為一貼近儲(chǔ)料筒向儲(chǔ)料筒方向有向下斜度的4mm板，故而氣缸每向上運(yùn)動(dòng)一次，就有一根立筋進(jìn)入儲(chǔ)料筒，經(jīng)過試驗(yàn)，運(yùn)行十分順暢。至此焊簧機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)試驗(yàn)完畢，證明方案可行，可進(jìn)入下步整體設(shè)計(jì)階段。

4 整體方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

整體方案需要解決的問題是如何將彈簧筋套在焊棒上面和將焊好的螺旋勁取下的問題，經(jīng)過討論，采用了無桿氣缸帶動(dòng)托料盤的機(jī)構(gòu)，效果圖如上。工作原理為，人工將彈簧筋放到U型托料盤上，設(shè)備自動(dòng)將彈簧筋套入焊棒，由于彈簧筋有一定彈性，且托料盤向上的傾角，所以保證套好后的彈簧筋不會(huì)脫落，立筋焊好后，另一無桿氣缸帶動(dòng)焊棒根部的環(huán)形推板，將螺旋筋推離焊棒，落入成品存料框。

設(shè)備經(jīng)過試制，在PLC程序的控制下，運(yùn)行順暢，所焊接的產(chǎn)品完全符合圖紙要求。由于采用了傳感器加延時(shí)開關(guān)，工人只需將彈簧筋放在U型托料盤上即可，設(shè)備在自動(dòng)狀態(tài)下，感應(yīng)到有彈簧筋存在，在 5秒后自動(dòng)進(jìn)行焊接程序。所以每人可同時(shí)操作3臺(tái)設(shè)備。每臺(tái)設(shè)備每分鐘可生產(chǎn)5個(gè)螺旋筋，3臺(tái)設(shè)備也就15個(gè)，相當(dāng)于兩個(gè)熟練技工的焊接速度。最主要的是，使用此設(shè)備后，可以大大減小新上崗工人的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

5 總結(jié)

此設(shè)備的研發(fā)，經(jīng)歷了一年半的時(shí)間，多次失敗終獲成功。雖然所生產(chǎn)的產(chǎn)品可滿足圖紙要求，提高了生產(chǎn)效率，也降低了對(duì)工人的技能要求，但是終究還是一個(gè)半自動(dòng)化的設(shè)備，還須進(jìn)行更深入的研究實(shí)踐，將其自動(dòng)化水平提高，真正的實(shí)現(xiàn)無人值守。