超聲波焊接組合床網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁 杰，廖善梅，譚治良

（廣州市聯(lián)柔機(jī)械設(shè)備有限公司，廣州 510530）

0 引言

袋裝彈簧床網(wǎng)是袋裝彈簧床墊的主要組成部分。現(xiàn)在主流的袋裝彈簧床網(wǎng)制造工藝是先由袋裝彈簧機(jī)生產(chǎn)出連續(xù)的袋裝彈簧串，再連續(xù)的袋裝彈簧串裁切成預(yù)定長(zhǎng)度的彈簧條，最后通過(guò)噴涂熱熔膠和擠壓固定的方式將多個(gè)彈簧條并列粘接到一起，形成床網(wǎng)［1－2］。這種工藝和相應(yīng)的自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率都很高。但也存在一些問(wèn)題，比如，耗費(fèi)大量的熱熔膠導(dǎo)致成本高，熱熔膠預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，加熱產(chǎn)生的煙氣造成空氣污染等。

在此背景下，人們提出了無(wú)膠袋裝彈簧床網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)膠床網(wǎng)），即不使用熱熔膠，而通過(guò)超聲波焊接或熱熔焊接的方式將多排袋裝彈簧串的無(wú)紡布袋連接到一起，形成床網(wǎng)。超聲波焊接是指將超聲波頻率（大于16 kHz）的機(jī)械振動(dòng)能量，通過(guò)焊頭傳遞到焊接材料的接合部。振動(dòng)能量通過(guò)摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，從而將材料局部熔化，再通過(guò)焊頭和焊刀對(duì)材料進(jìn)行擠壓，使多層材料瞬間粘接在一起。超聲波焊接不需要將高溫?zé)嵩匆氩牧希?－7］。熱熔焊接即通過(guò)加熱的方式使材料熔融，進(jìn)而通過(guò)對(duì)多層材料施加壓力使之粘合在一起。熱熔焊接需要引入高溫?zé)嵩磥?lái)加熱材料［8－9］。

無(wú)膠床網(wǎng)為交叉焊接式結(jié)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，把一條連續(xù)的袋裝彈簧串按照S 形路線(xiàn)重復(fù)排列，假設(shè)把每一排彈簧串上彈簧個(gè)體之間的分隔縫按照1、2、3、4……編號(hào)。先將第一排彈簧串與第二排彈簧串的奇數(shù)位置（1、3、5……）焊接在一起；再將第二排彈簧串與第三排彈簧串的偶數(shù)位置（2、4、6……）焊接在一起；然后將第三排彈簧串和第四排彈簧串的奇數(shù)位置（1、3、5……）焊接在一起，依此類(lèi)推，奇數(shù)位和偶數(shù)位交叉焊接，直到形成預(yù)定尺寸的床網(wǎng)。焊接后的床網(wǎng)示意圖如圖1 所示。

圖1 無(wú)膠床網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前這種無(wú)膠床網(wǎng)主要采用手動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行加工。兩種加工方式的共同特點(diǎn)是，需要將同一組焊刀交替地插入相鄰彈簧串的奇數(shù)位置或偶數(shù)位置之間，以與彈簧串外側(cè)的超聲波焊頭配合完成焊接，焊接方式如圖2 所示。

圖2 焊刀插入一排和二排之間的偶數(shù)位

或者，先通過(guò)超聲波焊接把兩條彈簧串的奇數(shù)位焊接在一起形成復(fù)合彈簧串，然后將復(fù)合彈簧串裁切成一定長(zhǎng)度的復(fù)合彈簧條，再將兩排熱熔焊刀分別插入兩個(gè)復(fù)合彈簧條的偶數(shù)位，使兩排焊刀夾緊從而將兩條復(fù)合彈簧條焊接到一起，如圖3 所示。

圖3 國(guó)外采用的復(fù)合焊接工藝

由于焊接后的兩排彈簧串之間空隙變狹小，加上無(wú)紡布本身的彈性使得各個(gè)彈簧個(gè)體之間的縫隙不規(guī)則。因此，使固定間距設(shè)置的多個(gè)焊刀同時(shí)插入彈簧串間隙的準(zhǔn)確性較小，極容易出現(xiàn)焊刀位置不對(duì)，彈簧串布袋被扎爛的情況，使得床網(wǎng)合格率低，生產(chǎn)效率也不高［10－11］。

下面介紹一種超聲波焊接床網(wǎng)的制造設(shè)備，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 工作原理

如圖4 所示，超聲波焊接床網(wǎng)組合設(shè)備設(shè)置有兩組焊刀，其中第1 組焊刀對(duì)應(yīng)每排彈簧串的奇數(shù)位置，第2 組焊刀對(duì)應(yīng)每排彈簧串的偶數(shù)位置，兩組焊刀外側(cè)設(shè)有與之配合的超聲波焊頭，送料機(jī)構(gòu)在焊刀和超聲波焊頭之間來(lái)回鋪設(shè)彈簧串。由于焊接時(shí)焊刀位置固定不變，超聲波焊頭靠近焊刀并與焊刀共同擠壓無(wú)紡布袋進(jìn)行焊接，因此把焊接時(shí)焊刀所處的位置稱(chēng)為焊接位置。

圖4 兩組焊刀交替焊接過(guò)程演示

初始時(shí)，第1 組焊刀位于焊接位置，送料機(jī)構(gòu)在第一焊刀的外側(cè)（靠近超聲波焊頭的1 側(cè)）鋪設(shè)第一條彈簧串。然后，第2 組焊刀運(yùn)動(dòng)到彈簧串外側(cè)，也回到焊接位置，此時(shí)兩組焊刀分別位于彈簧串的內(nèi)外兩側(cè)。之后，送料機(jī)構(gòu)在第2 組焊刀外側(cè)鋪設(shè)第二條彈簧串，超聲波焊頭運(yùn)動(dòng)到焊接位置，與第1 組焊刀配合，完成第一排彈簧串和第二排彈簧串奇數(shù)位置的焊接。完成焊接的第1 組焊刀從彈簧串中抽出，運(yùn)動(dòng)到第二排彈簧串外側(cè)，再回到焊接位置。送料機(jī)構(gòu)在第1 組焊刀的外側(cè)鋪設(shè)第三條彈簧串，超聲波焊頭運(yùn)動(dòng)到焊接位置，與第2組焊刀配合，完成第二排和第三排彈簧串偶數(shù)位置的焊接。兩組焊刀重復(fù)地交替切換和焊接，直到形成預(yù)定尺寸的床網(wǎng)。

微通道熱沉參考材料為硅，冷卻流體為去離子水。流體物性為常物性，不可壓縮、連續(xù)流體，無(wú)內(nèi)熱源，流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，忽略熱輻射、浮升力及重力的影響。通道壁面處為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)滑移邊界條件，入口為質(zhì)量流率入口條件，出口為壓力出口條件。

工作過(guò)程中，兩組焊刀始終位于同一排彈簧串的兩側(cè)，而且焊接時(shí)兩組焊刀都處于焊接位置。在焊刀切換到彈簧串外側(cè)再回到焊接位置的過(guò)程中，已焊接的那部分彈簧串被推向焊刀后方。由于每組焊刀都是經(jīng)由彈簧串外側(cè)回到焊接位置的，因此解決了現(xiàn)有技術(shù)中將焊刀插入彈簧串縫隙進(jìn)行焊接產(chǎn)生的問(wèn)題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備的工作原理，先后提出了兩種設(shè)計(jì)方案，方案1 如圖5 所示，方案2 如圖6 所示。

圖5 設(shè)備方案1

圖6 設(shè)備方案2

方案1 和方案2 均包括焊刀組件、上料機(jī)構(gòu)、焊頭組件和承接組件。其中，上料機(jī)構(gòu)用來(lái)輸送連續(xù)的彈簧串，并通過(guò)沿左右方向運(yùn)動(dòng)，將彈簧串鋪設(shè)到焊刀組件和與之相對(duì)的焊頭組件之間。焊刀組件包含兩組焊刀。兩組焊刀交替地切換到彈簧串外側(cè)，與焊頭組件配合將相鄰兩排相鄰彈簧串的奇數(shù)位置或偶數(shù)位置焊接到一起。兩組焊刀分別切換到彈簧串外側(cè)再回到焊接位置的過(guò)程中，將彈簧串推向焊刀組件后面的承接組件上。焊接完成的床網(wǎng)經(jīng)過(guò)承接組件形成的下料通道被送往下一工位。方案1 與方案2 的主要區(qū)別在于焊頭組件，后面將分別介紹兩種焊頭組件的具體結(jié)構(gòu)。

2.1 上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)對(duì)立設(shè)置的限位板，限位板之間形成彈簧串的輸送通道，后端包含一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的撥輪，兩個(gè)撥輪同時(shí)撥動(dòng)彈簧串進(jìn)行輸送。上料機(jī)構(gòu)在輸送彈簧串的同時(shí)沿左右方向運(yùn)動(dòng)，每向左或向右運(yùn)動(dòng)一次，完成一排彈簧串的鋪設(shè)。

2.2 焊刀組件

焊刀組件包含第1 組焊刀和第2 組焊刀。兩組焊刀分別包含多個(gè)沿左右方向均勻排列的焊刀，各焊刀之間間距可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格彈簧串的彈簧間距。間距確定后各焊刀在左右方向的位置固定不變。第1 組焊刀對(duì)應(yīng)每排彈簧串的奇數(shù)位置，第2 組焊刀對(duì)應(yīng)每排彈簧串的偶數(shù)位置，即兩組焊刀一一交叉排列。第1 組焊刀和第2 組焊刀分別可沿上下、前后方向運(yùn)動(dòng)。

兩組焊刀交替運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為：（1）向上（或向下）運(yùn)動(dòng)，將焊刀從相鄰兩排彈簧串抽出；（2）向前運(yùn)動(dòng)至彈簧串的外側(cè)；（3）向下（或向上）運(yùn)動(dòng)至原高度；（4）向后運(yùn)動(dòng)至焊接位置。

焊刀組件回到焊接位置后，焊頭組件靠近焊刀，與焊刀共同擠壓相鄰兩排彈簧串的奇數(shù)位置或偶數(shù)位置，進(jìn)行焊接。

2.3 焊頭組件

方案1，焊頭組件有兩個(gè)，分別設(shè)置在上料機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)，與上料機(jī)構(gòu)固定連接，跟隨上料機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上料機(jī)構(gòu)向左移動(dòng)鋪設(shè)彈簧串時(shí)，位于上料機(jī)構(gòu)右側(cè)的焊頭組件依次與第1 焊刀組件的每個(gè)焊刀配合焊接；當(dāng)上料機(jī)構(gòu)向右移動(dòng)鋪設(shè)彈簧串時(shí)，位于上料機(jī)構(gòu)左側(cè)的焊頭組件依次與第2 焊刀組件的每個(gè)焊刀配合焊接。

方案2，焊頭組件有多個(gè)，沿左右方向均勻排列。各焊頭組件分別與第1 組焊刀或第2 組焊刀的位置相對(duì)應(yīng)，并且同時(shí)沿兩條平行的導(dǎo)軌左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)對(duì)彈簧串的奇數(shù)位置進(jìn)行焊接時(shí)，多個(gè)焊頭組件首先對(duì)1、5、9、13……處進(jìn)行焊接，焊接完成后，焊頭組件向左或向右移動(dòng)至3、7、11、15……處進(jìn)行焊接；同樣地，對(duì)彈簧串偶數(shù)位置進(jìn)行焊接時(shí)，多個(gè)焊頭組件首先對(duì)2、6、10、14……處進(jìn)行焊接，焊接完成后，焊頭組件向左或向右移動(dòng)至4、8、12、16……處進(jìn)行焊接，即每次對(duì)奇數(shù)位置或偶數(shù)位置的焊接都分兩步完成。焊頭組件這樣布置的原因，一方面是受空間限制，很難在每個(gè)焊接位置都設(shè)置焊頭組件；另一方面是由于超聲波焊頭價(jià)格昂貴，出于控制成本的需要。上料機(jī)構(gòu)向左或向右鋪設(shè)彈簧串時(shí)，焊頭組件同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行避讓。上料完畢后，上料機(jī)構(gòu)停在設(shè)備的左端或右端，焊頭組件向上運(yùn)動(dòng)至設(shè)定高度，進(jìn)行焊接。

2.4 承接組件

如圖7 所示，承接組件設(shè)置在焊刀后面，包括頂梁、承接件和導(dǎo)向板。兩個(gè)頂梁上下設(shè)置在焊刀背面，用來(lái)支撐焊刀。導(dǎo)向板沿左右方向均勻分布有多個(gè)缺口，用來(lái)避讓焊刀。兩個(gè)導(dǎo)向板分別與兩個(gè)頂梁固定連接，并且在焊刀前方形成喇叭口，對(duì)鋪設(shè)的彈簧串起到引導(dǎo)和支持的作用。承接件為光滑平整的平臺(tái)，用來(lái)承接床網(wǎng)。承接組件的結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)供床網(wǎng)通過(guò)的下料通道。

圖7 承接組件

2.5 動(dòng)力組件

設(shè)備還包括多個(gè)動(dòng)力組件，用來(lái)驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。常用的動(dòng)力形式有氣缸、電機(jī)配合鏈條傳動(dòng)、電機(jī)配合同步帶傳動(dòng)或皮帶傳動(dòng)，以及電機(jī)配合絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)或齒輪齒條傳動(dòng)等。

3 應(yīng)用分析與改進(jìn)

先根據(jù)方案1 的設(shè)計(jì)，制造了一臺(tái)樣機(jī)，以生產(chǎn)1 800 mm×2 000 mm規(guī)格的床網(wǎng)為例，一臺(tái)設(shè)備每天（8 h）的產(chǎn)能約為80張，對(duì)比現(xiàn)有焊接床網(wǎng)工藝，生產(chǎn)效率得到了很大的提高。但是對(duì)比傳統(tǒng)膠粘工藝，生產(chǎn)效率仍有很大的提升空間。方案1 樣機(jī)生產(chǎn)如圖8 所示。

圖8 方案1 樣機(jī)生產(chǎn)

根據(jù)方案2 的設(shè)計(jì)，制造了另一臺(tái)樣機(jī)。由于床網(wǎng)一排有31 個(gè)彈簧，每一排至少需要焊接15 刀，方案2的樣機(jī)設(shè)置了8 個(gè)可以升降和橫移的超聲波焊頭，以及前后排各16 把焊刀，共計(jì)32 把，通過(guò)兩次焊接即可滿(mǎn)足一排彈簧的組合動(dòng)作，大大提高了焊接效率。但是在對(duì)床網(wǎng)成品檢驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)同時(shí)焊接的一組焊縫存在焊接強(qiáng)度不均勻的現(xiàn)象。分析其原因，是用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)超聲波焊頭的氣缸使用同一氣源，在氣缸瞬間反復(fù)動(dòng)作時(shí)管道和閥體氣體流量不能滿(mǎn)足氣缸實(shí)際所需的氣體容量，引起氣壓分布不均勻，導(dǎo)致各超聲波焊頭向焊刀施加的壓力不均勻［12－13］。方案2 樣機(jī)和床網(wǎng)如圖9 所示。

圖9 方案2 樣機(jī)和床網(wǎng)

針對(duì)以上分析判斷，對(duì)方案2 的焊頭組件進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖10 所示。超聲波焊頭由氣缸驅(qū)動(dòng)改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)一個(gè)0.75 kW 的伺服電機(jī)連接一個(gè)速比7.5 的減速機(jī)，帶動(dòng)兩側(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)和連桿將動(dòng)力傳遞給滑塊，使滑塊和超聲波焊頭沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)。并且每條連桿上裝有矩形彈簧，一方面可以消除同一個(gè)焊頭與不同焊刀配合動(dòng)作時(shí)的位置誤差，另一個(gè)方面也可以通過(guò)調(diào)整彈簧力的大小調(diào)節(jié)焊接時(shí)的壓力。另外為了進(jìn)一步提高焊接效率，承載8 個(gè)超聲波焊頭升降的橫梁也做了輕量化改良，采用了鋁合金梁，并在梁的兩側(cè)增加了齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)，有效提高了超聲波焊頭升降速度和穩(wěn)定性。

圖10 改進(jìn)后的焊頭組件

改進(jìn)后的設(shè)備解決了床網(wǎng)焊縫強(qiáng)度不均勻的問(wèn)題，提高了床網(wǎng)質(zhì)量。同樣以生產(chǎn)1 800 mm×2 000 mm規(guī)格的床網(wǎng)為例，這臺(tái)設(shè)備每小時(shí)約能制作15 張床網(wǎng)，每天（8 h）的產(chǎn)能約為120 張，生產(chǎn)效率得到了很大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱熔膠是使用時(shí)需要加熱熔融的一類(lèi)膠粘劑的總稱(chēng)。以1 800 mm×2 000 mm床墊使用的獨(dú)立袋裝彈簧床網(wǎng)為例，采用傳統(tǒng)膠粘工藝生產(chǎn)時(shí)，每張床網(wǎng)的熱熔膠用量約為2.5 kg。一個(gè)中等規(guī)模廠家一年的熱熔膠成本約為1 500萬(wàn)元，加上電費(fèi)和膠箱維護(hù)等費(fèi)用，一年大約需要1 650 萬(wàn)元左右。超聲波焊接床網(wǎng)組合設(shè)備的應(yīng)用能夠在床網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)程中避免熱熔膠的使用，有利于企業(yè)降低成本［14－15］。

本文提出了超聲波焊接組合床網(wǎng)設(shè)備的兩種方案。方案1 和方案2 的設(shè)備可以和袋裝彈簧生產(chǎn)設(shè)備同步聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)，不需要中間的剪裁、整理、存放、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，極大地簡(jiǎn)化了工作流程，提高了生產(chǎn)效率。該設(shè)備獨(dú)有的兩組焊刀交替切換的焊接方式，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提高了無(wú)膠床網(wǎng)的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用表明，與方案1 相比，方案2 的設(shè)備雖然制造成本較高，但生產(chǎn)效率更高，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。

超聲波焊接床網(wǎng)組合設(shè)備提高了床墊制造設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了本行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，為企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題提供了參考?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)無(wú)膠床網(wǎng)將會(huì)越來(lái)越受到廠商和消費(fèi)者的歡迎，超聲波焊接床網(wǎng)組合設(shè)備有著廣闊的應(yīng)用前景。