肖文浩，陳慶堂，2，朱偉清

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.莆田學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，福建 莆田 351100；3.莆田天馬機(jī)械制造有限公司，福建 莆田 351100)

0 引言

鋼筋是基建工程中不可或缺的材料，常用的鋼筋按使用場(chǎng)合不同分為受壓鋼筋、架立鋼筋、受拉鋼筋、分布鋼筋、箍筋等，在使用前要根據(jù)不同要求對(duì)其進(jìn)行各種形式的成型加工，主要方法包括調(diào)直、剪切和彎曲成型等[1-3]。目前鋼筋調(diào)直和切斷加工技術(shù)相對(duì)較為成熟，但彎曲成型的技術(shù)和設(shè)備仍存在不少問(wèn)題，是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[3-5]。目前市場(chǎng)上有多種形式的鋼筋彎曲成型機(jī):小型箍圈機(jī)、板筋機(jī)、五機(jī)頭彎箍機(jī)等。小型箍圈機(jī)只能將鋼筋彎曲成弧形或圓形箍筋，彎箍機(jī)和板筋機(jī)主要完成單線鋼筋彎曲，板筋機(jī)只能完成板筋兩端彎曲加工，這些設(shè)備無(wú)法滿足鋼筋多線多角度彎曲成型的加工要求[6-7]。五機(jī)頭彎箍機(jī)是多線多形狀箍筋加工的主流機(jī)型。目前市場(chǎng)上的五機(jī)頭彎箍機(jī)存在以下不足:1)或采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備制造成本高，不適合中小型鋼筋加工場(chǎng)和建筑工地的需求；或采用液壓和氣動(dòng)混合動(dòng)力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制協(xié)調(diào)性差，導(dǎo)致設(shè)備故障率高。2)多線加工時(shí)由于載荷較大，鋼筋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，若機(jī)座剛性不夠，加工質(zhì)量不高，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較差。3)機(jī)頭的定位通常采用人工移動(dòng)機(jī)械式鎖緊裝置，操作難度較大，效果差，定位不方便。4)彎箍機(jī)的彎曲角度通過(guò)設(shè)置幾個(gè)固定點(diǎn)的定位觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制，角度值調(diào)整依靠人工完成，不易無(wú)級(jí)便捷調(diào)整與控制，無(wú)法滿足任意角度的彎曲形狀要求；部分采用內(nèi)置式編碼器進(jìn)行角度檢測(cè)，其安裝調(diào)試和維修維護(hù)不夠方便。[3，8-10]

基于以上現(xiàn)狀，圍繞箍筋加工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)入手，提出一種純液壓五機(jī)頭鋼筋彎箍機(jī)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)箍筋的多線高效優(yōu)質(zhì)加工。

1 設(shè)計(jì)彎箍機(jī)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1.1 加工效率問(wèn)題

箍筋加工的目的是將調(diào)直剪切后的鋼筋根據(jù)不同需要彎曲成各種形狀。箍筋通常為多邊形，在加工中需要進(jìn)行多次的彎曲成型，若進(jìn)行單線加工，則耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，加工效率低下，加工成本高，很難適應(yīng)市場(chǎng)的需要，所以實(shí)現(xiàn)多線同時(shí)彎曲成型加工，提高加工效率是箍筋加工所要解決的首要技術(shù)問(wèn)題。

1.2 加工形狀多樣化問(wèn)題

保證箍筋形狀多樣性是彎箍機(jī)結(jié)構(gòu)加工工藝設(shè)計(jì)的主要要求，一般箍筋為四邊形，需要進(jìn)行5個(gè)部位的彎曲成型，分別由5個(gè)機(jī)頭來(lái)完成，故準(zhǔn)確把握每個(gè)機(jī)頭的功能，并在設(shè)計(jì)中做好功能協(xié)調(diào)性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.3 彎曲角度可調(diào)性問(wèn)題

箍筋彎曲角度的多變性，要求彎曲角度具有連續(xù)可調(diào)性，通過(guò)機(jī)械方式來(lái)限位是目前市場(chǎng)上最常用的彎曲角度調(diào)整方法，這種方法只能通過(guò)幾個(gè)固定插孔來(lái)限位，可調(diào)性較差，彎曲角度數(shù)值相對(duì)固定，不利于任意彎曲角度的成型要求。

1.4 結(jié)構(gòu)剛性問(wèn)題

由于鋼筋彎曲成型前一般較長(zhǎng)，導(dǎo)致兩端彎曲機(jī)頭間距較大。而且多線箍筋彎曲成型加工本身又需要較大的載荷，大跨距大載荷增大了機(jī)座的變形量，彎曲成型中容易產(chǎn)生角度缺陷、加工質(zhì)量差、設(shè)備故障率高等問(wèn)題，故提高機(jī)座結(jié)構(gòu)的剛性是機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的技術(shù)問(wèn)題。

1.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性問(wèn)題

鋼筋彎曲成型需要多機(jī)構(gòu)多機(jī)頭協(xié)作完成，在加工過(guò)程中每個(gè)機(jī)頭需要按一定的先后順序完成彎曲、夾緊和卸料，故應(yīng)根據(jù)加工工藝要求做好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并確保相互協(xié)調(diào)性，盡量避免多種驅(qū)動(dòng)方式的混合應(yīng)用。

1.6 機(jī)頭定位便捷可靠性問(wèn)題

由于箍筋的尺寸和形狀不一，在成型過(guò)程中，每條邊的長(zhǎng)尺寸需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如何便捷準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)頭的位置并做到定位可靠是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

1.7 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題

由于箍筋結(jié)構(gòu)差異性大，加工工藝較為復(fù)雜，需要開(kāi)發(fā)一系列加工工藝庫(kù)，而且控制點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量較大，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，故選擇合適的處理與控制系統(tǒng)，是彎箍機(jī)控制系統(tǒng)乃至整機(jī)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

2 純液壓五機(jī)頭彎箍機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件及原理

本設(shè)計(jì)基于以下條件:材料為螺紋鋼筋，單次彎曲鋼筋根數(shù)n=10，彎曲最大直徑dmax=12 mm，最大跨距為4.8m，鋼筋的屈服強(qiáng)度為σs=400Mpa，最大彎曲角度αmax=120°。鋼筋彎曲成型原理如圖1所示，鋼筋截面在彎矩作用下產(chǎn)生外側(cè)拉伸、內(nèi)側(cè)壓縮的變形。

圖1 鋼筋彎曲成型原理圖

圖2 彎曲成型機(jī)構(gòu)

鋼筋彎曲變形截面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為σmax=M/Wz，其中M為截面彎矩，Wz=πd3/16為截面抗彎系數(shù)(模量)，d為鋼筋直徑(mm)。按照鋼筋彎曲變形條件σmax≥σs，在設(shè)計(jì)中每根鋼筋彎曲所需的最小彎矩根據(jù)式(1)來(lái)計(jì)算:

2.2 彎曲成型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋的彎矩由轉(zhuǎn)動(dòng)力矩提供，為了降低設(shè)備的成本，也考慮到驅(qū)動(dòng)的平穩(wěn)性，本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，由液壓驅(qū)動(dòng)活塞桿及齒條產(chǎn)生直線推力，利用齒條齒輪傳動(dòng)原理將直線推力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，結(jié)構(gòu)如圖2所示?；钊麠U的最大行程L和彎曲液壓力P1是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

活塞桿的最大行程根據(jù)式(2)計(jì)算:

式(2)中:Z為齒輪齒數(shù)，m為齒輪模數(shù)。

彎曲最小液壓力根據(jù)式(3)計(jì)算:

式(3)中:n為鋼筋彎曲條數(shù)，A1為彎曲活塞桿橫截面積，Le為齒輪接觸點(diǎn)到中心軸距離。

2.3 五機(jī)頭整體設(shè)計(jì)

為了滿足箍筋的加工需要，采用五工位程序化彎曲成型，5個(gè)機(jī)頭分布式安裝在工字鋼機(jī)座上，每個(gè)機(jī)頭分別完成一處彎曲成型，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中第一機(jī)頭位置固定不動(dòng)，其他4個(gè)機(jī)頭通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條在工字鋼機(jī)座上進(jìn)行滑行調(diào)整，調(diào)整后液壓驅(qū)動(dòng)壓緊定位。當(dāng)箍筋在兩端機(jī)頭同時(shí)彎曲時(shí)，其跨距最大，多線加工時(shí)載荷較大，對(duì)機(jī)座的剛性要求較高，若機(jī)座剛性不足，彎曲成型時(shí)彎曲角度一致性差，箍筋的加工質(zhì)量難以保障。本設(shè)計(jì)通過(guò)提高工字鋼厚度和增設(shè)筋板來(lái)提高機(jī)座的整體抗彎剛度，同時(shí)增設(shè)機(jī)座與地面的固定聯(lián)接，以確保鋼筋加工過(guò)程的穩(wěn)定性，提高鋼筋加工質(zhì)量。

圖3 五機(jī)頭彎曲成型機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.4 機(jī)頭定位與卸料

5個(gè)機(jī)頭中有4個(gè)機(jī)頭需要根據(jù)所加工的箍筋尺寸進(jìn)行位置調(diào)整和固定，為了確保機(jī)頭移動(dòng)和定位的便捷性，本設(shè)計(jì)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)頭上的齒輪和工字鋼機(jī)座上齒條嚙合來(lái)調(diào)整機(jī)頭位置，且齒條與齒輪的齒槽方向垂直于地面，有利于減少粉塵附著或雨水直接脫落。在機(jī)頭調(diào)整到位后，采用油缸夾緊定位裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭固定，并由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊定位。結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4，結(jié)構(gòu)實(shí)物圖見(jiàn)圖5。

圖4 機(jī)頭定位結(jié)構(gòu)原理圖

圖5 機(jī)頭定位結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

當(dāng)油缸進(jìn)油時(shí)，活塞桿下移推動(dòng)下壓板壓緊機(jī)座上表面，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭整體固定，下壓板壓緊時(shí)缸體相對(duì)上移使上壓板向上彎曲變形，且油缸內(nèi)部的彈簧墊圈受壓變形；當(dāng)油缸由供油變?yōu)樾队蜁r(shí)，上壓板和彈簧墊圈的彈性恢復(fù)使活塞桿向上移動(dòng)，油缸內(nèi)的油排出，機(jī)頭整體在機(jī)座上的位置處于可調(diào)狀態(tài)。

每個(gè)彎曲機(jī)頭的彎曲盤中心孔均有支撐芯軸，在彎曲鋼筋時(shí)需伸出支撐，在彎曲成型復(fù)位后需要縮回，以便卸料，取出已成型的鋼筋。各彎曲機(jī)頭支撐軸伸縮需要直線動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，由液壓裝置來(lái)完成。

2.5 彎曲角度控制

市場(chǎng)上的五機(jī)頭彎箍機(jī)的彎曲角度控制大多采用插銷式定位開(kāi)關(guān)，所彎曲角度為固定值且依靠人工操作完成角度變化，難以獲得任意彎曲角度。為了使彎曲角度無(wú)級(jí)自動(dòng)可調(diào)，彎曲機(jī)構(gòu)中油缸驅(qū)動(dòng)的齒條帶動(dòng)齒輪軸，齒輪軸帶動(dòng)同軸上的另一齒輪，在各機(jī)頭后側(cè)安裝編碼器與齒輪同軸相連同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由編碼器旋轉(zhuǎn)來(lái)檢測(cè)各彎曲機(jī)頭實(shí)時(shí)彎曲角度，通過(guò)改變液壓活塞桿的行程來(lái)控制彎曲角度，機(jī)頭整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)計(jì)中，齒條、齒輪軸、齒輪全部由箱體封閉潤(rùn)滑，能有效防塵、防水，并保持檢測(cè)角度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時(shí)外置式編碼器有利結(jié)構(gòu)安裝調(diào)試與維修維護(hù)。

圖6 彎曲機(jī)頭及角度測(cè)量裝置

2.6 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

五機(jī)頭彎箍機(jī)的每個(gè)機(jī)頭需要完成3個(gè)基本動(dòng)作:彎曲、支撐芯軸伸縮、機(jī)頭壓緊定位。本設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)氣動(dòng)支撐芯軸伸縮驅(qū)動(dòng)方式，整機(jī)采用純液壓驅(qū)動(dòng)，每個(gè)機(jī)頭分別設(shè)置彎曲、支撐芯軸伸縮、機(jī)頭壓緊定位3個(gè)液壓油缸，5個(gè)機(jī)頭共設(shè)計(jì)了15個(gè)液壓油缸，分別與不同的電磁控制閥連接，各機(jī)頭液壓控制原理如圖7所示。其中壓緊油缸采用單向閥控制，其他油缸采用電磁換向閥控制。

整機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)力由彎曲液壓力、支撐芯軸伸縮液壓力和機(jī)頭壓緊液壓力三大部分組成，其中彎曲液壓力P1和機(jī)頭壓緊液壓力P2是主要的動(dòng)力選擇依據(jù)。由于5個(gè)機(jī)頭箍筋彎曲加工負(fù)荷較大，故5個(gè)機(jī)頭的液壓動(dòng)力分別由兩個(gè)液壓油泵提供。

2.7 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7 液壓控制示意圖

由于箍筋形狀、尺寸要求各異，需要不同的加工工藝，完整的工藝庫(kù)是發(fā)揮彎箍機(jī)功能的重要因素，而且在加工過(guò)程中五機(jī)頭彎箍機(jī)的控制點(diǎn)較多，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算量較大，需要配置較高的顯示與運(yùn)算處理系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)研發(fā)了基于ARMDSP雙處理器的箍筋數(shù)字化控制系統(tǒng)，分別由ARM處理器、DSP處理器、觸摸式顯示器、液壓控制閥、編碼器、通訊模塊、電機(jī)、操作系統(tǒng)等組成。該控制系統(tǒng)功耗較低、運(yùn)算速度快，用戶交互界面友好，操作方便，可通過(guò)選擇相關(guān)箍筋類別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)控編程加工，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，而且控制系統(tǒng)可開(kāi)發(fā)性好，可滿足不同加工結(jié)構(gòu)對(duì)工藝庫(kù)的要求。

3 結(jié)果分析

基于以上設(shè)計(jì)的純液壓五機(jī)頭彎箍機(jī)整機(jī)經(jīng)組裝、調(diào)試并應(yīng)用于螺紋鋼筋的彎曲成型加工，取得了良好的應(yīng)用效果。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，加工效率高，箍筋成品質(zhì)量好，平面度誤差較小，尺寸和角度精度高。純液壓五機(jī)頭彎箍機(jī)可同時(shí)彎曲成型10根直徑12 mm的螺紋鋼筋，尺寸和形狀一致性好，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的四邊形箍筋成型加工，箍筋成品單邊長(zhǎng)最大可達(dá)1.2 m。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，每10根直徑為12 mm、單邊長(zhǎng)為1.2 m的箍筋彎曲成型需要時(shí)間約6 s，每小時(shí)可彎曲成型約13 t鋼筋，每天生產(chǎn)8 h，可生產(chǎn)箍筋約100 t，其加工效率是傳統(tǒng)臺(tái)式彎箍機(jī)的5～8倍。五機(jī)頭彎箍機(jī)可與鋼筋調(diào)直切斷一體集成，設(shè)備投入使用后大幅度地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件，可廣泛應(yīng)用于各種鋼筋加工場(chǎng)和基建工地。