焊接封閉箍筋自動(dòng)化加工技術(shù)研究及工程應(yīng)用

紀(jì)恩龍，朱云超，蘇 偉，張 佳

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

1 概述

焊接封閉箍筋自動(dòng)化加工是指鋼筋由原材直接加工成焊接封閉箍筋成品，其順應(yīng)了建筑工業(yè)化和綠色建筑持續(xù)發(fā)展的潮流，是混凝土預(yù)制構(gòu)件工廠(chǎng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化制造的核心內(nèi)容，其制造工藝水平及成型質(zhì)量將直接影響PC 構(gòu)件生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。PC 構(gòu)件工廠(chǎng)化加工主要包括疊合樓板、內(nèi)外墻板、梁柱、樓梯、陽(yáng)臺(tái)板、空調(diào)板及女兒墻等，其中內(nèi)外墻板、梁、柱等構(gòu)件需要使用大量的焊接封閉箍筋。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)15G365-1《預(yù)制混凝土剪力墻外墻板》、GB5066-2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、GB50204-2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ18-2018 《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》中均有優(yōu)先采用焊接封閉環(huán)式箍筋的含義。為了指導(dǎo)規(guī)范封閉箍筋在建筑施工中的應(yīng)用，貴州、陜西、重慶等地相繼出臺(tái)了有關(guān)焊接封閉箍筋的地方標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)建筑施工中優(yōu)先采用焊接封閉箍筋。

目前，人工焊接封閉箍筋的生產(chǎn)過(guò)程存在質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、成本高、工序分散、工藝繁瑣等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了焊接封閉箍筋在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑機(jī)械化研究分院和廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司共同研發(fā)出了一條封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)，整條生產(chǎn)線(xiàn)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水作業(yè)生產(chǎn)，過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，鋼筋可由盤(pán)條原材直接加工成焊接封閉箍筋成品。該生產(chǎn)線(xiàn)解決了封閉箍筋加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及成本。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工生產(chǎn)，從上料、矯直，到彎曲、剪切，再到夾持、焊接一氣呵成。其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1 所示，主要包括放線(xiàn)架、牽引矯直機(jī)構(gòu)、彎曲剪切機(jī)構(gòu)、定位焊接機(jī)構(gòu)和成品收集機(jī)構(gòu)等5 部分。

1）牽引矯直機(jī)構(gòu) 由外矯直機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和內(nèi)矯直機(jī)構(gòu)組成，牽引機(jī)構(gòu)由牽引輪、計(jì)數(shù)輪、牽引箱體、牽引減速機(jī)和牽引伺服電機(jī)組成，內(nèi)外矯直機(jī)構(gòu)都由導(dǎo)線(xiàn)口、矯直輪和安裝板組成。牽引電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)牽引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得鋼筋依次經(jīng)過(guò)外矯直機(jī)構(gòu)和內(nèi)矯直機(jī)構(gòu)，內(nèi)外矯直機(jī)構(gòu)安裝成90°夾角，能在保證鋼筋直線(xiàn)度的前提下，減少對(duì)鋼筋表面的損傷。

圖1 結(jié)構(gòu)組成示意圖

2）彎曲剪切機(jī)構(gòu) 彎曲機(jī)構(gòu)的彎曲主機(jī)由彎曲軸、彎曲伸縮機(jī)構(gòu)、彎曲減速機(jī)、伺服電機(jī)組成，剪切機(jī)構(gòu)由固定刀座、固定刀片、切刀刀片、動(dòng)刀臂、連接臂、減速機(jī)、電機(jī)、固定座組成。矯直完成的鋼筋進(jìn)入到彎曲機(jī)構(gòu)，根據(jù)要求的箍筋邊長(zhǎng)尺寸進(jìn)行彎曲，隨后電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)動(dòng)刀臂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行剪切。

3）定位焊接機(jī)構(gòu) 定位焊接機(jī)構(gòu)由對(duì)開(kāi)式滾珠絲杠滑臺(tái)、氣動(dòng)滑座、整形氣缸、定位氣缸、定位滑塊、定位滑座組成，焊接機(jī)構(gòu)由焊接主機(jī)、直線(xiàn)滑軌、升降氣缸、夾持氣缸和頂推氣缸組成。剪切完成的待焊箍筋通過(guò)定位夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行整形定位，隨后送入焊接機(jī)構(gòu)進(jìn)行焊接。

4）成品收集機(jī)構(gòu) 成品收集機(jī)構(gòu)由機(jī)架、伸縮氣缸、滑動(dòng)導(dǎo)軌和氣動(dòng)夾爪組成。焊接完成的封閉箍筋成品通過(guò)氣動(dòng)夾爪的夾持被轉(zhuǎn)移到焊接機(jī)構(gòu)的外部，并擺放至成品儲(chǔ)存區(qū)。

2.2 工作原理

封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)工作時(shí)，將盤(pán)條鋼筋放在放線(xiàn)架上，牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋼筋先后進(jìn)入外矯直機(jī)構(gòu)和內(nèi)矯直機(jī)構(gòu)，分別進(jìn)行粗矯直與精矯直；隨后鋼筋被送入彎曲剪切機(jī)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行彎曲成型和定尺剪切；定位夾持機(jī)構(gòu)抓取待焊箍筋并確保鋼筋端頭中心線(xiàn)對(duì)齊；對(duì)齊之后成品收集機(jī)構(gòu)對(duì)箍筋上部工位進(jìn)行夾持，隨后對(duì)待焊箍筋進(jìn)行頂鍛焊接，焊接完成后，成品收集機(jī)構(gòu)將成品封閉箍筋轉(zhuǎn)移至焊接機(jī)構(gòu)外部，并擺放到成品儲(chǔ)存區(qū)。其工作流程圖如圖2 所示。

圖2 封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)工作流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 高效穩(wěn)定牽引轎直技術(shù)

作為整條生產(chǎn)線(xiàn)的第一道工序，牽引矯直機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的效率及成品質(zhì)量均有較大的影響，高效穩(wěn)定的牽引矯直技術(shù)對(duì)后續(xù)的定位、焊接等工序起到至關(guān)重要的作用。

3.1.1 牽引技術(shù)

牽引機(jī)構(gòu)由牽引輪、計(jì)數(shù)輪、牽引箱體、牽引減速機(jī)和牽引伺服電機(jī)組成。其中，牽引輪采用氣動(dòng)壓緊方式，該方式可根據(jù)鋼筋直徑的變化無(wú)級(jí)調(diào)整氣壓，既能保證牽引過(guò)程不打滑，又能減小鋼筋表面的損傷程度；另外，牽引輪還具有計(jì)數(shù)功能，將牽引輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)反饋至PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)牽引輪直徑和圈數(shù)來(lái)計(jì)量鋼筋前進(jìn)的距離，為后續(xù)的定尺彎曲及定尺剪切機(jī)構(gòu)提供指令，確保箍筋的尺寸精度。圖3 為牽引機(jī)構(gòu)的牽引輪部分。牽引伺服電機(jī)功率大、響應(yīng)速度快、響應(yīng)精度高。

圖3 牽引輪部分

3.1.2 矯直技術(shù)

鋼筋矯直有多種方式，主要可分為調(diào)直模式矯直、曲線(xiàn)輥式、壓輪式和復(fù)合式等4 種，其中，調(diào)直模式矯直直線(xiàn)度較好，但是對(duì)鋼筋表面的損傷較大且剪切過(guò)程無(wú)法停機(jī)；曲線(xiàn)輥式矯直在剪切過(guò)程也無(wú)法停機(jī)；壓輪式矯直（圖4）利用多組矯直輪對(duì)鋼筋進(jìn)行反復(fù)彎曲，消除內(nèi)應(yīng)力，最終達(dá)到矯直效果，在高速剪切過(guò)程中可隨時(shí)停機(jī)，且不影響尺寸精度。所以，在封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)上選用壓輪式矯直技術(shù)。

圖4 壓輪式矯直示意圖

在矯直過(guò)程中，壓輪式矯直機(jī)構(gòu)的矯直輪壓下量會(huì)直接影響鋼筋矯直質(zhì)量和效率。當(dāng)壓下量合適時(shí)，鋼筋與矯直輪逐個(gè)接觸進(jìn)行反復(fù)彎曲，改變鋼筋的原始曲率，殘余曲率逐漸滿(mǎn)足直線(xiàn)度要求；當(dāng)壓下量過(guò)大時(shí)，所需牽引力會(huì)加大，使得牽引電機(jī)的負(fù)載增加，另外對(duì)鋼筋表面的損傷程度會(huì)加大；當(dāng)壓下量過(guò)小時(shí)，鋼筋無(wú)法達(dá)到足夠的彎曲狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力消除不完全，很難達(dá)到符合要求的直線(xiàn)度。

為了提高矯直精度和穩(wěn)定性，該生產(chǎn)線(xiàn)采用十字雙向壓輪式矯直技術(shù)，內(nèi)外兩組矯直機(jī)構(gòu)垂直交叉布置，如圖5 所示，可以從2 個(gè)方向消除鋼筋內(nèi)應(yīng)力，避免當(dāng)壓下量過(guò)下時(shí)造成的內(nèi)應(yīng)力消除不完全的現(xiàn)象，同時(shí)也可減小鋼筋表面的損傷。該方式可適用多種規(guī)格鋼筋的快速矯直，具有穩(wěn)定高效、矯直效果好等特點(diǎn)。

圖5 十字雙向壓輪式矯直

3.2 精準(zhǔn)定位夾緊焊接技術(shù)

3.2.1 定位技術(shù)

待焊箍筋在進(jìn)行焊接之前形狀差異較大，需要對(duì)鋼筋端頭進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使鋼筋端頭的軸心對(duì)齊，保證箍筋焊接的準(zhǔn)確性，否則焊后會(huì)出現(xiàn)軸心偏移、焊接不牢固、未焊透等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響封閉箍筋的接頭質(zhì)量，所以，精準(zhǔn)的定位技術(shù)是封閉箍筋自動(dòng)焊接過(guò)程中必不可少的一道工序。

該生產(chǎn)線(xiàn)采用對(duì)開(kāi)式箍筋整形機(jī)構(gòu)和擠推式定位機(jī)構(gòu)對(duì)待焊箍筋進(jìn)行精準(zhǔn)定位，整形機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，準(zhǔn)確限制待焊箍筋3 個(gè)方向的位置及作用力，使端頭對(duì)齊并固定，隨后便送入焊接機(jī)構(gòu)。

3.2.2 焊接技術(shù)

待焊箍筋在進(jìn)行定位整形之后被送入焊接機(jī)構(gòu)，該生產(chǎn)線(xiàn)采用閃光對(duì)焊方式。閃光對(duì)焊是將待焊箍筋?yuàn)A緊在電極塊中，在電極壓力的作用下，箍筋與電極塊緊密接觸，待通電之后，待焊箍筋的端頭金屬達(dá)到塑性狀態(tài)，切斷電源并迅速對(duì)箍筋兩端施加頂鍛壓力，隨后箍筋經(jīng)受力變形和冷卻結(jié)晶階段形成牢固焊接接頭的一個(gè)過(guò)程。

傳統(tǒng)的封閉箍筋焊接，定位夾持和頂鍛焊接過(guò)程均由人工掌握，廢品率高、穩(wěn)定性差，嚴(yán)重阻礙了焊接封閉箍筋的批量生產(chǎn)；該生產(chǎn)線(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，傳統(tǒng)的需要人工輔助的過(guò)程均由控制器自動(dòng)控制，焊接過(guò)程穩(wěn)定高效，質(zhì)量可靠。

3.3 穩(wěn)定出料技術(shù)

穩(wěn)定高效的出料過(guò)程，可以有效地保證整條生產(chǎn)線(xiàn)不間斷有規(guī)律的作業(yè)生產(chǎn)。該機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、滑動(dòng)導(dǎo)軌、伸縮氣缸及氣動(dòng)夾爪組成。封閉箍筋焊接完成后，氣動(dòng)夾爪通過(guò)伸縮氣缸和滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)至封閉箍筋兩條豎邊所在位置，氣動(dòng)夾爪動(dòng)作，夾住封閉箍筋后，再行走至焊接機(jī)構(gòu)的外部的成品儲(chǔ)存區(qū)，松開(kāi)夾爪，至此一次完整的出料過(guò)程完成，夾爪復(fù)位并進(jìn)行下一次的工作。

4 工程應(yīng)用

隨著建筑工業(yè)化的推進(jìn)與發(fā)展，無(wú)論是對(duì)箍筋焊接質(zhì)量還是性能工藝，都提出了更高的要求，如節(jié)省鋼材、方便施工、加工效率高等。本文中封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)成功應(yīng)用于中冶·城邦國(guó)際項(xiàng)目，完全符合工廠(chǎng)化加工和商品化配送的要求：①更換工序時(shí)，無(wú)須進(jìn)行鋼筋的轉(zhuǎn)移，大大減少工廠(chǎng)內(nèi)占地面積；②全程無(wú)須人工干預(yù)，大大減少了用工數(shù)量；③參數(shù)化的焊接過(guò)程，使得焊接質(zhì)量和產(chǎn)品一致性均有較大提高；④生產(chǎn)效率與人工焊接相比，提高了近10 倍，適合進(jìn)行大批量生產(chǎn)；⑤節(jié)省了鋼材，降低了成本。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，建筑行業(yè)的規(guī)模日益壯大，封閉箍筋自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)解決了傳統(tǒng)封閉箍筋加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及成本；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)封閉箍筋自動(dòng)焊接技術(shù)的空白，為鋼筋產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)化加工和商品化配送提供技術(shù)支撐；促進(jìn)了我國(guó)建筑施工領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展及設(shè)備的更新，提高了我國(guó)裝備制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。