螺紋鋼樹(shù)脂錨桿批量化生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與研究

梁富偉 寇子明 高貴軍 史百鎖

(①太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；②山西省礦山流體控制工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；③礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；④太原市環(huán)宇液壓機(jī)械有限公司，山西 太原 030006 )

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)能源的需求仍然很大，煤炭不僅是化石燃料也是重要的工業(yè)原料[1]，煤礦的開(kāi)采對(duì)于我國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用[2]。隨著煤礦開(kāi)采深度逐年加深、地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，礦用樹(shù)脂錨桿成為錨桿支護(hù)中重要的組成部分[3]。國(guó)內(nèi)各大煤礦對(duì)于樹(shù)脂錨桿的需求量巨大，每年超過(guò)幾千萬(wàn)噸，且呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，已經(jīng)具備了大批量生產(chǎn)的特征和要求。然而目前樹(shù)脂錨桿生產(chǎn)工藝流程比較短，加工工序分散，工藝過(guò)程繁瑣，生產(chǎn)車間占地面積比較大，大部分工序均需要工人來(lái)完成，屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)[4]，生產(chǎn)效率普遍較低，產(chǎn)品的廢品率較高。為此，國(guó)內(nèi)某些研究人員就錨桿制造工藝和生產(chǎn)方式進(jìn)行了相關(guān)的研究，周思遠(yuǎn)[5]提出了一種單線錨桿生產(chǎn)組織形式，在一定程度上改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但工藝流程不完整，工序不集中且無(wú)法滿足大批量的生產(chǎn)要求。對(duì)此，本文首先分析了目前錨桿制造工藝過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀和客觀需求，制定出了合理的錨桿加工工藝規(guī)程，合理布局各道工序，然后設(shè)計(jì)了錨桿轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵設(shè)備，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)步進(jìn)擺料裝置進(jìn)行了建模和仿真。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 錨桿加工工藝流程分析與設(shè)計(jì)

1.1 螺紋鋼樹(shù)脂錨桿特點(diǎn)分析

礦用螺紋鋼樹(shù)脂錨桿桿體原材料是長(zhǎng)度為12 m的支護(hù)用高強(qiáng)度錨桿鋼，經(jīng)過(guò)一系列的工序，最后加工為長(zhǎng)度1.6～3.6 m，直徑一般16～25 mm，單根錨桿的質(zhì)量大約在3～12 kg，屬于典型的細(xì)長(zhǎng)桿，剛性較差。如圖1所示為加工后的螺紋鋼樹(shù)脂錨桿結(jié)構(gòu)示意圖。

錨桿的端部需要裝配螺母，一端切出45°的尖斷面，螺紋鋼樹(shù)脂錨桿表面具有沿長(zhǎng)度方向均勻布置的橫肋，所以在實(shí)際進(jìn)行加工過(guò)程中錨桿可能會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，且自身導(dǎo)向性比較差，需要解決錨桿平穩(wěn)轉(zhuǎn)運(yùn)和加工及錨桿的定位問(wèn)題。

1.2 樹(shù)脂錨桿加工工藝流程分析

樹(shù)脂錨桿桿體是錨桿支護(hù)中最重要的部分，錨桿桿體、錨固劑與螺栓裝配后實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的支護(hù)，錨桿桿體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是加工過(guò)程卻相對(duì)比較繁瑣，目前國(guó)內(nèi)采用的加工工藝流程如圖2所示。

傳統(tǒng)錨桿工藝流程主要包括上料、桿體壓圓和滾絲等工序，其中將錨桿的切斷工序和滾絲工序分離，上下料、滾絲和打捆等全部都是由工人來(lái)完成，各道工序布置比較分散，工人勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，工作環(huán)境比較惡劣，加工過(guò)程效率比較低，沒(méi)有形成系統(tǒng)化的工藝路線。

1.3 一拖二生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

樹(shù)脂錨桿加工過(guò)程主要包括切斷環(huán)節(jié)和加工環(huán)節(jié)，切斷環(huán)節(jié)包括：定長(zhǎng)切頭、90°正切、45°斜切。加工環(huán)節(jié)主要包括激光打標(biāo)、倒角、縮徑、滾絲、上墊圈、裝螺母、捆扎和碼垛等工序。完整工藝與裝配流程圖如圖3所示。

每一道工序都是一個(gè)加工單元，配有對(duì)應(yīng)的加工機(jī)床及設(shè)備，包括45°液壓鱷魚(yú)剪、倒角機(jī)、縮徑機(jī)、液壓滾絲機(jī)和旋裝螺母機(jī)等，成品還需要進(jìn)行捆扎[6]，隨后由碼垛機(jī)器人將捆扎好的錨桿進(jìn)行集中歸置。為了解決傳統(tǒng)錨桿工藝路線不規(guī)范、不完整和生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，提出了如圖4所示的一拖二生產(chǎn)工藝路線。

輸送加工工藝以工序集中，設(shè)備集中為原則，定尺斜剪之后完成打標(biāo)工序，隨后依次進(jìn)行的工序有倒角、縮徑、滾絲、上墊圈、旋裝螺母、捆扎和碼垛。對(duì)錨桿進(jìn)行倒角工藝的目的是為了更好地旋裝螺母，將錨桿的切料放在第一位，切削加工放在第二位，裝配零件放在第三位，捆扎和碼垛放在第四位，實(shí)現(xiàn)錨桿上料、加工、裝配和碼垛工序的集中和連續(xù)。采用雙線并行加工的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間資源的合理高效利用，節(jié)省材料切頭量，車間占地面積減小，工序組合更加靈活，生產(chǎn)效率更高。

2 車間布置方案設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)錨桿工藝路線上以工序集中、設(shè)備集中為原則，采用雙線輸送結(jié)構(gòu)，減少人工搬運(yùn)，提高生產(chǎn)效率。也就是將錨桿完成定尺斜剪之后分為兩條線，分別完成錨桿端部的打標(biāo)、倒角、縮徑、滾絲、上墊圈、旋裝螺母和捆扎，最后將捆扎好的錨桿進(jìn)行碼垛。在一定程度上節(jié)省了原材料，減少耗材成本，根據(jù)確定的錨桿雙線并行加工工藝流程對(duì)車間進(jìn)行合理布置和設(shè)計(jì)，雙排輸送工藝車間布置圖如圖5所示。

整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程為：通過(guò)組合送料裝置將上料區(qū)的9根錨桿進(jìn)行輸送，由布置于送料架上的傳感器檢測(cè)錨桿的位置，通過(guò)90°鱷魚(yú)剪進(jìn)行正切，45°鱷魚(yú)剪進(jìn)行斜切，之后進(jìn)入到加工線，由于自動(dòng)撥料裝置實(shí)現(xiàn)錨桿的橫向轉(zhuǎn)運(yùn)，通過(guò)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)進(jìn)料裝置，將位于左右線的錨桿伸入對(duì)應(yīng)加工機(jī)床及設(shè)備中完成加工，最后由碼垛機(jī)械手對(duì)錨桿進(jìn)行碼垛。整個(gè)生產(chǎn)工藝方案實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集中布置，節(jié)省車間占地面積，節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本，通過(guò)采用錨桿轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)錨桿的平穩(wěn)轉(zhuǎn)運(yùn)，需要解決錨桿轉(zhuǎn)運(yùn)及加工過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)，具體包括擺料輸送裝置，自動(dòng)進(jìn)料裝置和碼垛機(jī)械手裝置組成。

3 錨桿加工工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備

3.1 擺料輸送裝置

在錨桿橫向轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，要求錨桿不會(huì)發(fā)生偏斜和滾動(dòng)，需解決錨桿精確定位關(guān)鍵技術(shù)。為此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)撥料裝置，如圖6所示為撥料裝置結(jié)構(gòu)組成圖。

擺料輸送裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、活動(dòng)擺料架板、固定擺料架板和鏈條等組成?；顒?dòng)擺料架和固定擺料架板上均開(kāi)有等距布置的梯形定位槽，錨桿每移動(dòng)一個(gè)位置將會(huì)落入到導(dǎo)向槽中，避免錨桿發(fā)生滾動(dòng)和滑落，實(shí)現(xiàn)錨桿的精確定位。

具體動(dòng)作機(jī)理為在固定架板內(nèi)側(cè)布置有傳感器檢測(cè)裝置，可以感應(yīng)曲柄的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)時(shí)捕捉曲柄的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)擺料架的精確控制。曲柄每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，活動(dòng)擺料架上的一排錨桿向前精確移動(dòng)一個(gè)位置，通過(guò)多個(gè)擺料輸送裝置緊密布置，活動(dòng)擺料架相互交疊，從而完成錨桿在不同加工設(shè)備之間的輸送。

3.2 自動(dòng)進(jìn)料裝置

通過(guò)擺料輸送裝置將剪切完成的錨桿從集料區(qū)撥至加工設(shè)備前，由自動(dòng)進(jìn)料裝置將錨桿夾持并送入加工設(shè)備完成加工，隨后將錨桿退出并由撥料裝置繼續(xù)運(yùn)輸至下一臺(tái)加工設(shè)備。

為了提高加工效率和控制加工精度，采用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)采用無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的無(wú)摩擦驅(qū)動(dòng)方式，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、振動(dòng)和噪聲小、控制和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)床、交通運(yùn)輸和自動(dòng)化加工等領(lǐng)域。如圖7所示為本文設(shè)計(jì)的雙軌直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)組成圖。

自動(dòng)進(jìn)料裝置主要由直線電機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)和電磁鐵等組成，由電磁鐵將錨桿固定，經(jīng)直線電機(jī)帶動(dòng)錨桿進(jìn)入機(jī)床完成加工，隨后退出加工設(shè)備。文獻(xiàn)[8]提出了在不改變直線電機(jī)原有結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)，結(jié)果表明：當(dāng)錨桿縮徑或滾絲長(zhǎng)度在150 mm范圍內(nèi)時(shí)，直線電機(jī)的定位誤差在-47.2～19.6 μm，分辨率為0.15 μm，定位精度高，誤差小。故采用直驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)料能夠滿足錨桿加工和定位精度的要求。

3.3 碼垛機(jī)械手裝置

錨桿生產(chǎn)工藝的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是將捆扎好的錨桿進(jìn)行碼垛，便于集中搬運(yùn)，設(shè)計(jì)了如圖8所示的碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)。

碼垛機(jī)械手主要由支撐結(jié)構(gòu)、氣缸和機(jī)械手部件組成，其中的夾緊氣缸3控制夾料手爪的開(kāi)閉，上下氣缸2控制機(jī)械手的上下移動(dòng)，導(dǎo)軌9作為碼垛機(jī)械手的導(dǎo)向裝置，控制實(shí)現(xiàn)水平方向的運(yùn)動(dòng)。由接近開(kāi)關(guān)8感應(yīng)機(jī)械手部件的移動(dòng)位置，通過(guò)采用控制程序，檢測(cè)到5根錨桿到位后，機(jī)械手下降進(jìn)行抓取物料，隨后進(jìn)行水平移動(dòng)，到達(dá)位置后釋放。通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿的抓取和轉(zhuǎn)運(yùn)。如圖9所示為碼垛機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖。

4 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的仿真與驗(yàn)證

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，通過(guò)仿真分析，可視化機(jī)械裝置的運(yùn)行狀況和特性[9]。

為了分析擺料輸送結(jié)構(gòu)各個(gè)桿件設(shè)計(jì)的合理性，減少機(jī)械振動(dòng)和沖擊，避免發(fā)生機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在Adams中構(gòu)建出自動(dòng)撥料裝置的1∶1數(shù)學(xué)分析計(jì)算模型，兩組平行邊桿長(zhǎng)分別按設(shè)計(jì)尺寸900 mm和200 mm建立分析模型，在端部添加相應(yīng)的約束、運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)力矩，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的仿真分析模型如圖10所示。

為保證仿真精度和求解速度，設(shè)置仿真參數(shù)步長(zhǎng)為0.05，迭代次數(shù)為5 996次，在連桿質(zhì)心位置、桿件連接點(diǎn)及曲柄質(zhì)心位置設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)。通過(guò)求解仿真，得到如圖11所示的連桿質(zhì)心位置處位移、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線，圖12所示為活動(dòng)擺料架運(yùn)動(dòng)副扭矩變化分析曲線。

從圖12 可以看出在擺料輸送裝置運(yùn)動(dòng)初期，扭矩波動(dòng)比較大，隨著時(shí)間的推移，幅值逐漸減小，扭矩變化趨于平穩(wěn)。根據(jù)扭矩、功率與角速度三者之間的關(guān)系可以計(jì)算出總扭矩隨時(shí)間變化的規(guī)律，通過(guò)將分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真窗口可以得到如圖13所示的活動(dòng)擺料架總扭矩隨時(shí)間變化曲線。可以得出：計(jì)算結(jié)果與實(shí)際仿真結(jié)果非常接近，仿真結(jié)果能夠代表實(shí)際變化規(guī)律，設(shè)計(jì)的擺料輸送裝置在周期性運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)桿件不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，速度波動(dòng)小，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用實(shí)例

本套一拖二螺紋鋼樹(shù)脂錨桿生產(chǎn)工藝方案提出后，首次應(yīng)用于長(zhǎng)治市某錨桿制造公司，按照生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布置和系統(tǒng)調(diào)試，應(yīng)用結(jié)果表明：整個(gè)生產(chǎn)車間設(shè)備布置緊湊，總占地面積減小，工作環(huán)境得到改善，每小時(shí)可生產(chǎn)成品樹(shù)脂錨桿約700多套，生產(chǎn)效率得到提高，年產(chǎn)量超過(guò)200萬(wàn)套，錨桿質(zhì)量滿足MT146.2-2001標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率高達(dá)98%，整個(gè)生產(chǎn)線僅需要2～3人，企業(yè)人力成本降低，取得良好的應(yīng)用效果。該套生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)特征如表1所示。圖14所示為車間拍攝的現(xiàn)場(chǎng)圖。

表1 技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)特征

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前螺紋鋼樹(shù)脂錨桿生產(chǎn)過(guò)程中存在的生產(chǎn)工藝不完整、工序分散、生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)成本較高等問(wèn)題，在研究了螺紋鋼樹(shù)脂錨桿完整加工工藝路線之后，提出了一種雙線并行加工的一拖二螺紋鋼樹(shù)脂錨桿生產(chǎn)工藝路線，并設(shè)計(jì)研發(fā)了錨桿轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵設(shè)備，包括錨桿轉(zhuǎn)運(yùn)輸送裝置、自動(dòng)進(jìn)料裝置和碼垛機(jī)械手裝置。應(yīng)用表明整個(gè)生產(chǎn)工藝路線完整，設(shè)備布置緊湊，實(shí)現(xiàn)了從原材料進(jìn)廠到成品錨桿出廠的連續(xù)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大幅度提高，所需的工人數(shù)量減少，成品錨桿基本不需要進(jìn)行二次加工，質(zhì)量滿足要求，節(jié)省企業(yè)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)也為后續(xù)其他零部件的批量化生產(chǎn)，柔性化加工和制造等的相關(guān)研究提供了一定的案例參考。