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?，F(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)定長度的彈簧條，最后通過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，加熱產(chǎn)生的煙氣造成空氣污染等。

在此背景下，人們提出了無膠袋裝彈簧床網(wǎng)（以下簡稱無膠床網(wǎng)），即不使用熱熔膠，而通過超聲波焊接或熱熔焊接的方式將多排袋裝彈簧串的無紡布袋連接到一起，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，通過焊頭傳遞到焊接材料的接合部。振動(dòng)能量通過摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，從而將材料局部熔化，再通過焊頭和焊刀對(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］。熱熔焊接即通過加熱的方式使材料熔融，進(jìn)而通過對(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)嵩磥砑訜岵牧希?－9］。

無膠床網(wǎng)為交叉焊接式結(jié)構(gòu)，具體來說，把一條連續(xù)的袋裝彈簧串按照S 形路線重復(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 無膠床網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前這種無膠床網(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紡布袋進(jìn)行焊接，因此把焊接時(shí)焊刀所處的位置稱為焊接位置。

圖4 兩組焊刀交替焊接過程演示

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)用來輸送連續(xù)的彈簧串，并通過沿左右方向運(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，通過兩次焊接即可滿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

熱熔膠是使用時(shí)需要加熱熔融的一類膠粘劑的總稱。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，提高了無膠床網(wǎng)的質(zhì)量。經(jīng)過技術(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)際問題提供了參考。可以預(yù)見的是，未來無膠床網(wǎng)將會(huì)越來越受到廠商和消費(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。