螺紋鋼樹脂錨桿批量化生產工藝設計與研究

梁富偉 寇子明 高貴軍 史百鎖

(①太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；②山西省礦山流體控制工程實驗室，山西 太原 030024；③礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024；④太原市環宇液壓機械有限公司，山西 太原 030006 )

隨著經濟的快速發展，各行各業對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原料[1]，煤礦的開采對于我國的能源產業以及國民經濟發展具有十分重要的作用[2]。隨著煤礦開采深度逐年加深、地質條件越來越復雜，礦用樹脂錨桿成為錨桿支護中重要的組成部分[3]。國內各大煤礦對于樹脂錨桿的需求量巨大，每年超過幾千萬噸，且呈現出逐年增長的趨勢，已經具備了大批量生產的特征和要求。然而目前樹脂錨桿生產工藝流程比較短，加工工序分散，工藝過程繁瑣，生產車間占地面積比較大，大部分工序均需要工人來完成，屬于勞動密集型產業[4]，生產效率普遍較低，產品的廢品率較高。為此，國內某些研究人員就錨桿制造工藝和生產方式進行了相關的研究，周思遠[5]提出了一種單線錨桿生產組織形式，在一定程度上改善了工人的勞動強度，但工藝流程不完整，工序不集中且無法滿足大批量的生產要求。對此，本文首先分析了目前錨桿制造工藝過程中存在的問題，結合企業的生產現狀和客觀需求，制定出了合理的錨桿加工工藝規程，合理布局各道工序，然后設計了錨桿轉運關鍵設備，并利用虛擬樣機技術對步進擺料裝置進行了建模和仿真。通過系統調試和運行驗證了方案設計的合理性，取得了良好的應用效果。

1 錨桿加工工藝流程分析與設計

1.1 螺紋鋼樹脂錨桿特點分析

礦用螺紋鋼樹脂錨桿桿體原材料是長度為12 m的支護用高強度錨桿鋼，經過一系列的工序，最后加工為長度1.6～3.6 m，直徑一般16～25 mm，單根錨桿的質量大約在3～12 kg，屬于典型的細長桿，剛性較差。如圖1所示為加工后的螺紋鋼樹脂錨桿結構示意圖。

錨桿的端部需要裝配螺母，一端切出45°的尖斷面，螺紋鋼樹脂錨桿表面具有沿長度方向均勻布置的橫肋，所以在實際進行加工過程中錨桿可能會發生滾動，且自身導向性比較差，需要解決錨桿平穩轉運和加工及錨桿的定位問題。

1.2 樹脂錨桿加工工藝流程分析

樹脂錨桿桿體是錨桿支護中最重要的部分，錨桿桿體、錨固劑與螺栓裝配后實現對巷道圍巖的支護，錨桿桿體結構比較簡單，但是加工過程卻相對比較繁瑣，目前國內采用的加工工藝流程如圖2所示。

傳統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完成，各道工序布置比較分散，工人勞動強度比較大，工作環境比較惡劣，加工過程效率比較低，沒有形成系統化的工藝路線。

1.3 一拖二生產工藝設計

樹脂錨桿加工過程主要包括切斷環節和加工環節，切斷環節包括：定長切頭、90°正切、45°斜切。加工環節主要包括激光打標、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加工單元，配有對應的加工機床及設備，包括45°液壓鱷魚剪、倒角機、縮徑機、液壓滾絲機和旋裝螺母機等，成品還需要進行捆扎[6]，隨后由碼垛機器人將捆扎好的錨桿進行集中歸置。為了解決傳統錨桿工藝路線不規范、不完整和生產效率低的問題，提出了如圖4所示的一拖二生產工藝路線。

輸送加工工藝以工序集中，設備集中為原則，定尺斜剪之后完成打標工序，隨后依次進行的工序有倒角、縮徑、滾絲、上墊圈、旋裝螺母、捆扎和碼垛。對錨桿進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，實現錨桿上料、加工、裝配和碼垛工序的集中和連續。采用雙線并行加工的方式，實現了對空間資源的合理高效利用，節省材料切頭量，車間占地面積減小，工序組合更加靈活，生產效率更高。

2 車間布置方案設計

在傳統錨桿工藝路線上以工序集中、設備集中為原則，采用雙線輸送結構，減少人工搬運，提高生產效率。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、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行碼垛。在一定程度上節省了原材料，減少耗材成本，根據確定的錨桿雙線并行加工工藝流程對車間進行合理布置和設計，雙排輸送工藝車間布置圖如圖5所示。

整個生產工藝過程為：通過組合送料裝置將上料區的9根錨桿進行輸送，由布置于送料架上的傳感器檢測錨桿的位置，通過90°鱷魚剪進行正切，45°鱷魚剪進行斜切，之后進入到加工線，由于自動撥料裝置實現錨桿的橫向轉運，通過采用直線電機驅動自動進料裝置，將位于左右線的錨桿伸入對應加工機床及設備中完成加工，最后由碼垛機械手對錨桿進行碼垛。整個生產工藝方案實現了設備的集中布置，節省車間占地面積，節省企業生產成本，通過采用錨桿轉運關鍵設備實現錨桿的平穩轉運，需要解決錨桿轉運及加工過程關鍵技術，具體包括擺料輸送裝置，自動進料裝置和碼垛機械手裝置組成。

3 錨桿加工工藝關鍵環節與轉運設備

3.1 擺料輸送裝置

在錨桿橫向轉運過程中，要求錨桿不會發生偏斜和滾動，需解決錨桿精確定位關鍵技術。為此，設計了自動撥料裝置，如圖6所示為撥料裝置結構組成圖。

擺料輸送裝置主要由驅動電機、活動擺料架板、固定擺料架板和鏈條等組成。活動擺料架和固定擺料架板上均開有等距布置的梯形定位槽，錨桿每移動一個位置將會落入到導向槽中，避免錨桿發生滾動和滑落，實現錨桿的精確定位。

具體動作機理為在固定架板內側布置有傳感器檢測裝置，可以感應曲柄的運動情況，實時捕捉曲柄的運動信號，通過PLC控制系統控制變頻電機實現對活動擺料架的精確控制。曲柄每轉動一周，活動擺料架上的一排錨桿向前精確移動一個位置，通過多個擺料輸送裝置緊密布置，活動擺料架相互交疊，從而完成錨桿在不同加工設備之間的輸送。

3.2 自動進料裝置

通過擺料輸送裝置將剪切完成的錨桿從集料區撥至加工設備前，由自動進料裝置將錨桿夾持并送入加工設備完成加工，隨后將錨桿退出并由撥料裝置繼續運輸至下一臺加工設備。

為了提高加工效率和控制加工精度，采用直線電機進行驅動。直線電機采用無機械傳動的無摩擦驅動方式，有結構簡單、響應速度快、振動和噪聲小、控制和定位精度高等優點[7]，廣泛應用于現代機床、交通運輸和自動化加工等領域。如圖7所示為本文設計的雙軌直線電機驅動自動進料裝置結構組成圖。

自動進料裝置主要由直線電機、支撐結構和電磁鐵等組成，由電磁鐵將錨桿固定，經直線電機帶動錨桿進入機床完成加工，隨后退出加工設備。文獻[8]提出了在不改變直線電機原有結構和特性的基礎上對位移進行檢測的技術，結果表明：當錨桿縮徑或滾絲長度在150 mm范圍內時，直線電機的定位誤差在-47.2～19.6 μm，分辨率為0.15 μm，定位精度高，誤差小。故采用直驅系統進行進料能夠滿足錨桿加工和定位精度的要求。

3.3 碼垛機械手裝置

錨桿生產工藝的最后一個環節是將捆扎好的錨桿進行碼垛，便于集中搬運，設計了如圖8所示的碼垛機械手結構。

碼垛機械手主要由支撐結構、氣缸和機械手部件組成，其中的夾緊氣缸3控制夾料手爪的開閉，上下氣缸2控制機械手的上下移動，導軌9作為碼垛機械手的導向裝置，控制實現水平方向的運動。由接近開關8感應機械手部件的移動位置，通過采用控制程序，檢測到5根錨桿到位后，機械手下降進行抓取物料，隨后進行水平移動，到達位置后釋放。通過控制電磁閥的開啟與關閉，實現對錨桿的抓取和轉運。如圖9所示為碼垛機械手現場應用圖。

4 基于虛擬樣機技術的仿真與驗證

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬樣機技術廣泛應用于機械制造業，通過仿真分析，可視化機械裝置的運行狀況和特性[9]。

為了分析擺料輸送結構各個桿件設計的合理性，減少機械振動和沖擊，避免發生機構的運動干涉。采用虛擬樣機技術，在Adams中構建出自動撥料裝置的1∶1數學分析計算模型，兩組平行邊桿長分別按設計尺寸900 mm和200 mm建立分析模型，在端部添加相應的約束、運動副和驅動力矩，虛擬實驗平臺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，設置仿真參數步長為0.05，迭代次數為5 996次，在連桿質心位置、桿件連接點及曲柄質心位置設置標記點。通過求解仿真，得到如圖11所示的連桿質心位置處位移、速度和加速度隨時間變化曲線，圖12所示為活動擺料架運動副扭矩變化分析曲線。

從圖12 可以看出在擺料輸送裝置運動初期，扭矩波動比較大，隨著時間的推移，幅值逐漸減小，扭矩變化趨于平穩。根據扭矩、功率與角速度三者之間的關系可以計算出總扭矩隨時間變化的規律，通過將分析數據導入到仿真窗口可以得到如圖13所示的活動擺料架總扭矩隨時間變化曲線。可以得出：計算結果與實際仿真結果非常接近，仿真結果能夠代表實際變化規律，設計的擺料輸送裝置在周期性運動過程中各個桿件不會發生運動干涉，速度波動小，機構設計合理。

5 現場調試與應用實例

本套一拖二螺紋鋼樹脂錨桿生產工藝方案提出后，首次應用于長治市某錨桿制造公司，按照生產工藝流程進行現場布置和系統調試，應用結果表明：整個生產車間設備布置緊湊，總占地面積減小，工作環境得到改善，每小時可生產成品樹脂錨桿約700多套，生產效率得到提高，年產量超過200萬套，錨桿質量滿足MT146.2-2001標準要求，合格率高達98%，整個生產線僅需要2～3人，企業人力成本降低，取得良好的應用效果。該套生產系統應用技術指標與參數特征如表1所示。圖14所示為車間拍攝的現場圖。

表1 技術指標與參數特征

6 結語

針對目前螺紋鋼樹脂錨桿生產過程中存在的生產工藝不完整、工序分散、生產效率低、工人勞動強度大，生產成本較高等問題，在研究了螺紋鋼樹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脂錨桿生產工藝路線，并設計研發了錨桿轉運關鍵設備，包括錨桿轉運輸送裝置、自動進料裝置和碼垛機械手裝置。應用表明整個生產工藝路線完整，設備布置緊湊，實現了從原材料進廠到成品錨桿出廠的連續批量化生產，生產效率大幅度提高，所需的工人數量減少，成品錨桿基本不需要進行二次加工，質量滿足要求，節省企業成本，取得了良好的經濟效益，具有廣闊的市場前景。同時也為后續其他零部件的批量化生產，柔性化加工和制造等的相關研究提供了一定的案例參考。