彈性支承塊套靴組裝生產線及設備研究

尚明乾

摘? 要：文章通過對彈性支撐塊套鞋組裝生產線的工序組織、組裝生產線裝卸機械手、旋轉輸送輥道裝置、2軸彈性支承塊數控噴膠裝置等設備的研究，實現彈性支承塊套靴流水線組裝生產，實現工序自動化生產，解決彈性支承塊套靴組裝效率低、質量不穩定、投入成本高的技術難題。

關鍵詞：彈性支撐塊套鞋組裝生產線;設備研究;自動化流水線生產

中圖分類號：U213? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0082-03

Abstract： In this paper， by studying the process organization of the elastic support block overshoe assembly production line， assembly line loading and unloading manipulators， rotary conveying roller table device， 2-axis elastic support block numerical control glue spraying device and other equipment， the assembly and production of the elastic support block overshoe assembly line is realized， and the procedures are realized. The automatic production solves the technical problems of low assembly efficiency， unstable quality and high input cost of the elastic support block boot.

Keywords： assembly line of elastic support block overshoes; equipment research; automated assembly line production

1 概述

近年來，為了適應鐵路運輸高速、重載兩大發展方向的要求，彈性支承塊整體道床在我國鐵路長大隧道中得到了較為廣泛的應用[1]。彈性支承塊作為整體道床結構的關鍵構件，由兩大部分組成：第一部分為混凝土支承塊，第二部分為橡膠套靴及墊板，混凝土支承塊部分為軌道提供剛性，橡膠套靴部分則提供應力回彈。混凝土支承塊和橡膠套靴的組裝質量關乎著整體道床抗沖擊、抗疲勞能力的大小[2]。

玉磨鐵路蒙河線，全長142km，我公司承建的玉磨鐵路蒙河線段約25萬余塊的彈性支承塊預制工程。為滿足公司彈性支承塊組裝生產的需要，需要研究一種組裝效率更高、組裝質量可控、組裝成本低、自動化程度更高的彈性支承塊套靴組裝生產線。從組裝生產線布置、工序組織、生產線機械部件、自動化控制技術系統等方面開展研究工作。

2 彈性支撐塊套鞋組裝生產線布置方式及設計總成

2.1 生產線設備布置方式

彈性支承塊套靴組裝工序設計分為彈性支承塊裝卸、打磨、除塵、噴膠、烘干、組裝、碾壓、打包、堆碼等，橡膠套靴同步進行噴膠、烘干作業，并且每道工序完成后，方可進行后續工序，整條組裝生產線工序組織是以半成品彈性支承塊為工序起點[3]。整條生產線設備圍繞流水線輸送輥道裝置進行布置，從半成品區作為布置基準。根據工序要求依次安裝各套設備，輥道通過PLC變頻電機驅動不同工序工位的運轉，實現各個工位之間的良好銜接，高效的實現自動化生產[4]。

2.2 組裝生產線設計總成

整條組裝生產線主要由混凝土支承塊前、后端裝卸機械手、輥道輸送裝置、彈性支承塊數控噴膠裝置、套靴數控噴膠裝置、橡膠套靴傳送裝置、打磨裝置、端部旋轉裝置、自動打包裝置等組成。組裝生產線布置形式：將輥道輸送裝置布置于靠近廠房墻體1m處，兩臺裝卸機械手以及端部旋轉裝置分別布置于輥道兩端，套靴噴膠裝置與彈性支承塊噴膠裝置相對布置，其余部件均布置于輥道相應工位處，整條線布置清晰合理，作業銜接流暢，提高生產效率，減少生產線場地占用率。

3 彈性支撐塊套鞋組裝生產線設備研究

3.1 組裝生產線裝卸機械手研究

在傳統的混凝土彈性支承塊與橡膠套靴組裝作業過程中，需要使用人工將彈性支承塊翻轉至底面朝上再進行后續操作。單個彈性支承塊重達140kg，人工翻轉效率低下，并存在很大的安全隱患[3]。

新研發的裝卸機械手主要由機械手主體旋轉結構、氣動升降裝置、氣動夾持裝置、氣動旋轉裝置、操作引導手柄等輔助措施組成，升降氣缸采用SC200-600，設計升降高度可達氣缸行程3倍，實現堆碼高度1.8m，夾緊氣缸采用SC100-150，最大加持力為10000N，旋轉氣缸采用QGK100-180，實現彈性支承塊夾持旋轉180°，主體結構采用多軸承驅動，保證旋轉過程流暢，同時，在主臂兩個關節位置處，分別設計氣動剎車系統，對主臂的旋轉起限制作業。人工引導裝卸機械手實現360°旋轉，旋轉半徑可達2.5m，輕松完成產品的裝卸、堆碼作業;在引導手柄上設置操作按鈕，操作人員通過手動操作對應按鈕，完成升降、正反旋轉、夾持松開動作。

該設計相比較于市面上已知的彈性支承塊裝機械手臂，具有結構更加合理、造型更加美觀、操作更加方便的特點，可大幅度降低工人的勞動強度。

3.2 旋轉輸送輥道裝置研究

根據生產工藝要求及工位工序布置，彈性支承塊打磨、除塵、噴膠、烘干、組裝、打包等工序均在一條滾動流水線上完成。輥道架設計總長15m，單節輥道長度1m，總數15個，兩頭分別設置端部旋轉裝置1個，前3節輥道作為打磨除塵工位，并設置一個變頻驅動電機，彈性支承塊數控噴膠工位設計3節輥道并設置一個驅動電機，烘干、組裝、碾壓工位設置3節輥道單獨驅動，封口、打包工位設置4節輥道單獨驅動，成品輸出端設置2節輥道單獨驅動。輥道采用鏈條驅動方式，單個變頻電機驅動多節輥道，保證傳動速度均勻可控。輥道架上設計兩排鏈驅動橡膠輥輪，中間設計彈性支承塊預埋鐵座導向槽，保持流水線上彈性支承塊呈直線輸送，提高輸送輥道安全性。

組裝工序中最大時長50s，平均時長為30s，故輥道設計走行速度為1m/min，相鄰工位之間的輸送時間均為30s的整數倍，并通過單獨驅動的輥道架之間組合方式，實現組裝生產線各工位工序之間的良好銜接。采用感應光學傳感器，在輥道流水線相應工位設計光電檢測開關，實現工件達到操作工位時自動停止、自動輸送，實現自動化流水作業。

首尾工位方向自動旋轉技術設計。根據工序要求，端部首先布置為端部旋轉裝置，用于保證后續的噴膠工位的工藝要求，保證高側在前、低側在后，當彈性支承塊通過裝卸機械手放置于旋轉架上完成旋轉后，通過變頻電機將產品輸送到流水線下一節輥道上;端架同樣設計雙排橡膠輥輪及導向槽，底部采用QGK系列旋轉氣缸配合軸承完成端架的旋轉，實現彈性支承塊180°旋轉，滿足后續工藝要求。

3.3 彈性支承塊數控噴膠裝置研究

在整個彈性支承塊套靴組裝生產工藝中，彈性支承塊與橡膠套靴、橡膠套靴與墊板之間均需使用萬能膠水進行粘連[5]。該工序由人工完成涂膠作業，其涂刷不均勻，膠線歪曲導致粘連效果差，無法保證涂膠質量，且作業人員長時間與膠水接觸，會極大的影響身體健康。現目前已經出現的一種彈性支承塊數控噴膠設備，其采用X、Y、Z三軸并配備Z軸旋轉的結構形式，結合數控系統控制技術，其在提高涂膠質量和改善工人作業環境有一定的效果，但其在自動噴膠以及噴膠效率、時間等方面均未完全達到現目前彈性支承塊套靴組裝生產的技術要求[6]。

我部自主創新研發多角度數控噴膠機采用2軸定距控制技術以及伺服驅動控制技術，采用直線排列多噴頭裝置，實現彈性支承塊及橡膠套靴噴涂膠水一次到位，旋轉螺桿安裝結構，可實現多角度噴射作業，其通過伺服驅動實現噴膠的精準控制，保證噴膠質量和效率。

2軸編程定距控制方式，X、Y方向的走行滑臺空間交叉布置，以平行于彈性支承塊長度方向的為X軸，平行于寬度方向的為Y軸，將X滑臺安裝于支撐架上。彈性支承塊噴膠平行于X軸有5條膠線，分別是底面3條和長側面2條，平行于Y軸2條短側面膠線，根據膠線數量及位置，安裝對應數量的噴槍，在平行于X軸方向設置5條噴槍，在Y軸滑臺底面通過螺栓安裝噴槍架，5支噴槍分別固定于噴槍架上設計位置，通過調節噴槍角度和位置，使槍嘴噴射角度對準膠線位置;平行于Y軸設置2條噴槍，噴槍架固定在Y軸滑臺滑塊上，2支槍固定于噴槍架相應位置處，調節角度和位置，保證槍嘴角度對準膠線位置。

數控噴膠裝置的噴膠利用高壓氣體對高濃稠度的萬能膠水產生擠壓，實現膠水的液態顆粒化并通過高壓氣流從噴槍噴頭位置處噴射出來，此種方式噴射出來的膠線質量美觀，膠水均勻，膠水粘接效果優良。該數控噴膠裝置采用精密絲桿滑臺作為定距控制執行元件，并采用高精密度的交流伺服電機作為動力源件，可達到距離控制精度0-0.2mm范圍以內，實現氣動噴槍的精準定位。數控噴膠裝置采用PLC可編程控制器實現自動噴膠功能[7]，其通過PLC程序配合光學檢測開關，當檢測開關檢測到彈性支承塊輸送到噴膠位置后，噴膠機自動運行完成噴膠作業，并在噴膠完成后，將彈性支承塊輸送至下一個工位。同時為防止噴膠機出現撞槍的情況，X、Y滑臺上設置光電檢測零位及最大行程限位開關，并在噴膠架上設置急停、復位、手動噴膠、自動噴膠等操作按鈕盒，以實現自動、準確噴膠作業。

該2軸數控噴膠機相對于3軸數控噴膠機，結構及控制程序簡單，制作成本較低，噴膠效率高。

3.4 橡膠套靴及墊板數控噴膠裝置研究

橡膠套靴及墊板數控噴膠機同彈性支承塊數控噴膠機結構形式以及控制執行元件類似。其在彈性支承塊數控噴膠機的基礎上增加了3支噴槍，同樣以平行于套靴長度方向的為X軸，平行于寬度方向的為Y軸，此時噴膠數量平行于X軸有8條膠線，分為套靴內部底面3條和長側面2條，墊板底面3條;平行于Y軸2條膠線，屬于套靴內部短側面膠線。此時平行于Y軸方向設置8條噴槍，平行于X軸設置2條噴槍，套靴數控噴膠裝置、皮帶輸送裝置配套以及靜置烘干裝置等形成生產線輔線，在套靴噴膠完成后，由皮帶輸送裝置將套靴依次輸送至烘干工序、組裝工序。同時，為實現橡膠套靴和墊板的快速準確定位，提高生產效率，在輸送皮帶裝置上方噴膠位置處設計套靴及墊板定位裝置，實現快速準確定位，進行噴膠作業，噴膠完成后，皮帶機啟動，帶走噴完膠的套靴和墊板進入烘干區。

3.5 自動打包裝置研究

傳統的人工打包采用手持小型打包機對其進行打包，打包效率慢、膠帶松緊度不滿足要求，增加工人勞動強度。

采用自動打包機作業，其打包速度快、有效保證打包質量，可減少操作人員，提高生產效率。

根據設計使用要求，彈性支承塊采用側臥式打包方式，以輥道架彈性支承塊運輸高度作為基準面，設計打包機框架外形尺寸及打包位置高度，設計配套工裝同輥道架進行配合使用，實現彈性支承塊產品流水線自動打包作業。當光電檢測開關檢測到彈性支承塊時，輸送輥道停止輸送，打包機自動完成產品第一次打包，之后輸送輥道啟動，當彈性支承塊達到第二次打包位置處時，自動進行第二次打包，保證了打包效率和質量，滿足生產要求[8]。

4 結束語

通過對彈性支承塊套靴組裝生產線工序組織、主要構造、自動化控制系統等關鍵技術的研究，并圍繞裝卸機械手技術、數控噴膠技術、首尾工位方向自動旋轉技術、光學檢測技術等重點技術及其設備全面研究，實現彈性支承塊套靴流水線組裝生產，實現工序自動化生產，解決彈性支承塊套靴組裝效率低、質量不穩定、投入成本高的技術難題。該生產線自動化生產組裝效率高，設備操作簡單，產品外觀漂亮、質量滿足工藝要求，用具有較高的推廣價值。

參考文獻：

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[8]林立新.國內新型中棒線自動化控制系統設計[D].青島理工大學，2019.