蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西 桂林541000）

基于多工位高頻淬火的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案的研究

蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西 桂林541000）

提出了一種基于高頻淬火的多工位自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，并通過對(duì)該設(shè)計(jì)方案的各功能部件的分析與研究，確認(rèn)了方案的技術(shù)參數(shù)和可行性，也為該方案的實(shí)施提供了可靠的理論依據(jù)。

高頻淬火；自動(dòng)化；多工位

高頻淬火，是現(xiàn)代制造業(yè)中比較常用的零件表面熱處理方式，其原理是通過在零件表面產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，迅速加熱零件表面，從而達(dá)到對(duì)零件淬火處理的一種金屬熱處理方法。經(jīng)過淬火的處理可以提高零件的硬度和剛性，從而滿足零件的某種特殊用途[1－2]。多工位高頻淬火自動(dòng)化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)上下料工序和多工位自動(dòng)淬火工序，不僅極大地提升了工作效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)，也進(jìn)一步降低了企業(yè)的加工成本，本文主要針對(duì)該自動(dòng)化設(shè)備的多工位淬火工藝，零件自動(dòng)送料和機(jī)械手上下料等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的研究與確定。

該自動(dòng)化方案要求結(jié)構(gòu)布局合理，機(jī)械手上下料安全可靠，多工位淬火高效可靠，淬火節(jié)拍滿足崗位工藝要求。

自動(dòng)化方案的主要技術(shù)指標(biāo)：移動(dòng)速度為90 m/min；零件碼垛數(shù)量為300件/次；機(jī)械手抓取力為30 kg；淬火節(jié)拍為 15 s/件；淬火工位：上、中、下三工位；移動(dòng)定位精度為0.1 mm.

1 多工位淬火的設(shè)計(jì)與研究

1.1 多工位淬火的線圈設(shè)計(jì)

高頻淬火設(shè)備是通過加熱線圈來加熱零件表面的，毫無疑問，在設(shè)計(jì)加熱線圈的時(shí)候，一定要考慮待淬火零件與加熱線圈的位置關(guān)系，位置關(guān)系的準(zhǔn)確與否是實(shí)現(xiàn)零件淬火處理的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖1為待淬火零件的簡(jiǎn)易視圖，圖中深灰色區(qū)域就是工件需要淬火處理的區(qū)域，該零件屬于局部淬火處理零件，共需要淬火處理的位置有三處，如圖所示。

圖1 淬火零件

圖2 是為該零件設(shè)計(jì)的多工位淬火處理的高頻感應(yīng)線圈，該線圈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的三給位置的淬火處理。

圖2 淬火線圈

圖3 為零件即將進(jìn)入感應(yīng)線圈的待淬火狀態(tài)，通過視圖可以看出，只要對(duì)零件實(shí)現(xiàn)向上、向左，向右的三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該零件的三個(gè)淬火位置的熱處理工序。所以該高頻感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)是我們這個(gè)自動(dòng)化裝置的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，也是一個(gè)技術(shù)重點(diǎn)。

圖3 零件淬火工序

除了確認(rèn)感應(yīng)線圈的形狀，對(duì)感應(yīng)線圈與零件之間的間隔間隙也做了多組的數(shù)據(jù)測(cè)試，通過調(diào)整感應(yīng)線圈的通電時(shí)間，以及所獲得的零件淬火后的硬度數(shù)據(jù)，最終在加工效率和加工質(zhì)量上做了一個(gè)很好的平衡，在這些數(shù)據(jù)研究和測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)了以下參數(shù)與淬火零件的質(zhì)量息息相關(guān)：

（1）感應(yīng)線圈的形狀；

（2）感應(yīng)線圈與零件之間的間隙；

（3）感應(yīng)線圈的電流設(shè)置；

（4）感應(yīng)線圈的通電時(shí)間；

（5）感應(yīng)線圈的冷卻情況；

（6）零件運(yùn)動(dòng)的定位精度。

以上六個(gè)方面的技術(shù)參數(shù)直接決定了零件淬火的質(zhì)量，也決定了零件淬火效率的高低，因此在設(shè)計(jì)的過程中需要在這些參數(shù)里做不同的取舍和平衡，這也是在加工效率和加工成本上做平衡。

1.2 多工位淬火的運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

從上面的零件淬火工位和線圈的設(shè)計(jì)來分析，可以清晰的知道，要實(shí)現(xiàn)該零件的三個(gè)工位的高頻淬火處理，必須為該裝置設(shè)計(jì)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 淬火運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

從圖4的局部方案圖可以看出，采用了一個(gè)升降模組來實(shí)現(xiàn)零件的向上和向下淬火處理的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用了兩級(jí)推進(jìn)氣缸來實(shí)現(xiàn)零件的向左運(yùn)動(dòng)，第一級(jí)推進(jìn)氣缸將零件推進(jìn)到向上和向下運(yùn)動(dòng)的位置處，先進(jìn)行上下兩個(gè)工位的淬火熱處理，第二級(jí)推進(jìn)氣缸實(shí)現(xiàn)零件的端頭淬火熱處理，同時(shí)還設(shè)計(jì)了一個(gè)夾緊氣缸來實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)裝夾和一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)零件從自動(dòng)送料平臺(tái)經(jīng)過機(jī)械手的抓取后與淬火運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的零件對(duì)接。

本方案的設(shè)計(jì)，主要從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行考慮：

（1）方案的實(shí)施成本，采用了一個(gè)直線模組和多個(gè)運(yùn)動(dòng)氣缸的組合設(shè)計(jì)模式，這樣的模式不僅充分的實(shí)現(xiàn)了該運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)要求，也在一定程度上降低了制造成本。

（2）方案的精度保證，在選用這些執(zhí)行元件的時(shí)候，就充分考慮各個(gè)動(dòng)作所需的運(yùn)動(dòng)和定位精度，并對(duì)這些運(yùn)動(dòng)和定位精度的可靠性和持續(xù)性做了充分的分析和調(diào)研，具有非常高的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）方案的維護(hù)成本，在進(jìn)行該方案設(shè)計(jì)的時(shí)候就充分考慮了該裝置的使用和維護(hù)問題，力求以最簡(jiǎn)便和低廉的維護(hù)工序和成本來實(shí)現(xiàn)該裝置的常年可靠性運(yùn)行。

2 零件自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)

2.1 零件自動(dòng)送料裝置的技術(shù)要求

針對(duì)該高頻淬火自動(dòng)化裝置的具體要求，以及車間場(chǎng)地的大小限制等問題，做了一個(gè)充分的分析和調(diào)研，確定了該自動(dòng)化裝置的具體技術(shù)參數(shù)：

（1）零件碼垛總數(shù)量為300件/次；

（2）零件一次可以分為6垛碼堆，則每垛需要碼堆零件50件；

（3）零件的傳輸速度為20 m/min；（4）零件的定位精度為±0.2 mm；

（5）送料裝置設(shè)置空料感應(yīng)報(bào)警功能。

2.2 零件自動(dòng)送料裝置的方案設(shè)計(jì)說明

根據(jù)該自動(dòng)化裝置的技術(shù)參數(shù)要求，我們對(duì)該裝置確立了一個(gè)基本的技術(shù)方案如圖5，該方案共包含了6垛待淬火零件，因?yàn)槭且粋€(gè)全自動(dòng)的送料機(jī)構(gòu)，該裝置必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)和智能感應(yīng)方案，我們具體的設(shè)計(jì)如下：

（1）傳輸機(jī)構(gòu)采用通過伺服電機(jī)、減速機(jī)、直線導(dǎo)軌、齒輪和齒條的傳動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)，其中為了平衡和伺服電機(jī)的扭矩大小和速度的關(guān)系，加入了減速機(jī)的應(yīng)用，這樣的好處的是：在選擇伺服電機(jī)盡量小、傳輸速度滿足要求的的情況下，可以通過減速機(jī)的減速來提升該傳輸裝置的輸出扭矩，從而達(dá)到節(jié)約成本和減小運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)慣量對(duì)伺服電機(jī)的沖擊[3]。

（2）碼垛料位分為6組，這樣做的目的是：在前面的料位完成零件的傳輸后，操作者可以選擇的對(duì)該自動(dòng)化淬火裝置進(jìn)行零件的補(bǔ)充，以便于實(shí)現(xiàn)該自動(dòng)化裝置的可持續(xù)工作。

（3）該裝置設(shè)計(jì)了空料感應(yīng)裝置，當(dāng)6組零件全部輸送完畢，而操作者沒有及時(shí)補(bǔ)料的情況下，該自動(dòng)化裝置會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，從而提示操作者對(duì)該自動(dòng)化裝置進(jìn)行補(bǔ)料處理，同時(shí)相應(yīng)的機(jī)械手抓取動(dòng)作和淬火動(dòng)作也會(huì)停止下來，等待操作者補(bǔ)料完成后再進(jìn)行下一步的正常工作。

圖5 自動(dòng)送料裝置

3 機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置的技術(shù)參數(shù)要求

根據(jù)該自動(dòng)化裝置的淬火節(jié)拍和移動(dòng)要求，對(duì)該裝置設(shè)置了如下的技術(shù)參數(shù)：

（1）最大移動(dòng)速度：90 m/min；

（2）機(jī)械手移動(dòng)定位精度：±0.1 mm；

（3）機(jī)械手抓取力：30 kg；

（4）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的移動(dòng)。

3.2 機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置的方案設(shè)計(jì)說明

根據(jù)機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置的技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了如圖6的技術(shù)方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)待淬火零件從自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)向淬火機(jī)構(gòu)的自動(dòng)抓取，并保證將淬火好的零件放置在完工區(qū)域，該方案的具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）該機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，分別由伺服電機(jī)、減速機(jī)、直線導(dǎo)軌、齒條和齒輪等機(jī)構(gòu)組合而成，同樣在對(duì)伺服電機(jī)選型的時(shí)候，為了平衡輸出扭矩和運(yùn)行速度的要求，以及整個(gè)生產(chǎn)成本的需要，加入減速機(jī)裝置，以期達(dá)到一個(gè)更好的性價(jià)比和實(shí)用性能，最重要的是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向必須滿足最大速度90 m/min的要求和機(jī)械手抓取力30 kg的需要。

（2）同時(shí)還選用了氣動(dòng)手指的夾緊方式來實(shí)現(xiàn)零件的抓取動(dòng)作，在氣動(dòng)手指的選用上，在質(zhì)量和成本上做了一個(gè)最有力的平衡，選擇了性價(jià)比較高的SMC品牌，同時(shí)也兼顧了交貨期的考慮，這樣便于以后的維護(hù)的維修。

（3）整個(gè)自動(dòng)化裝置的結(jié)構(gòu)，采用了龍門式支撐結(jié)構(gòu)，這樣做的好處是既保證了該自動(dòng)化裝置的支撐剛性要求，也極大地節(jié)約了設(shè)備的占地空間，同時(shí)在生產(chǎn)成本上也有所優(yōu)化。

（4）同時(shí)鑒于橫向移動(dòng)的速度最高要求達(dá)到90 m/min的快速移動(dòng)，在拖鏈的選擇上做了特殊的要求，專門選擇了高速移動(dòng)拖鏈，最大限度的保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和持久性。

圖6 機(jī)械手上下料裝置

4 結(jié)論

通過高頻設(shè)備、淬火線圈，淬火運(yùn)動(dòng)裝置，零件傳輸裝置和機(jī)械手上下料自動(dòng)化裝置等多個(gè)功能部件的有機(jī)組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以較好地滿足預(yù)期的各種淬火技術(shù)參數(shù)要求，并實(shí)現(xiàn)了零件高頻淬火工序的全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，既提升了零件的加工效率，還最大限度的解放了工人的雙手，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約了資源，降低了成本。同時(shí)該方案的設(shè)計(jì)具有廣泛的推廣價(jià)值和意義，可以針對(duì)不同行業(yè)的不同零件進(jìn)行自動(dòng)化的改造和升降。

[1]吳宗澤，羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]孟憲鐸.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[3]幸宗生，魏國(guó)豐.自動(dòng)化制造系統(tǒng)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

The Research of Automation Design Proposal is Based on Multi Station High-frequency

JIANG Gui-ping
（Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541000，China）

This paper present a proposal of automation design is based on multi station high-frequency quenching，and through the analysis and research of functional components of the design proposal，the technical parameters and feasibility of he design proposal are confirmed.it also provides a reliable theoretical basis for the implementation of the design proposal.

high-frequency；quenching；automation；multi station

TG659

A

1672-545X（2017）08-0030-04

2017-05-12

蔣桂平（1981－），男，廣西桂林灌陽人，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：數(shù)控機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù)。