張淑紅，陶自春，周明龍

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.歐司朗（無(wú)錫）有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

在機(jī)械行業(yè)中，金屬磷化是常用的前處理技術(shù)，原理上應(yīng)屬于化學(xué)轉(zhuǎn)換膜處理，主要應(yīng)用于鋼鐵表面磷化、有色金屬磷化等。磷化的目的主要是：給基體金屬提供保護(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕，用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力，在金屬冷加工工藝中起到減少摩擦和增加潤(rùn)滑作用。磷化處理工藝應(yīng)用最早的記載是由英國(guó)的Charles Ross在1869 年獲得專利。自此，磷化處理這一工藝主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著智能化水平的不斷提高，磷化處理技術(shù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有了許多重大的發(fā)現(xiàn)。在一戰(zhàn)期間，磷化技術(shù)的發(fā)展中心由英國(guó)轉(zhuǎn)移至美國(guó)。在20 世紀(jì)初期磷化技術(shù)得到迅速的發(fā)展，磷化技術(shù)廣泛應(yīng)用時(shí)期是二戰(zhàn)結(jié)束以后，現(xiàn)在磷化技術(shù)很少有突破性的進(jìn)展，只是穩(wěn)步的發(fā)展和完善[1，2]。

磷化處理分為不同的種類。按照溫度來(lái)區(qū)分可分為四種：高溫型、中溫型、低溫型、常溫型。按照磷化液的成分來(lái)分可分為五種：鋅系磷化、鋅鈣系磷化、錳系磷化、鐵系磷化和復(fù)合磷化。自動(dòng)磷化生產(chǎn)線可分為三部分：輔助線和磷化線、輔助線和磷化線共同協(xié)作、相互配合組成全自動(dòng)磷化生產(chǎn)線。

基于錳系磷化生產(chǎn)線展開分析，該全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線分為磷化線和輔助線，根據(jù)生產(chǎn)要求該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了11 個(gè)主槽和3 個(gè)附槽，為了降低磷化生產(chǎn)對(duì)工作人員的傷害，該生產(chǎn)線采用全自動(dòng)化智能控制生產(chǎn)，采用上位機(jī)對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，同時(shí)技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，大大提高了生產(chǎn)的可靠性和安全性。

1 全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線的總體結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線主要分為兩部分：輔助線和磷化線，如圖1 為全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線三維圖。

圖1 全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線

輔助線包含：上料輥道輸送、下料輥道烘干、上下料升降、底部輥道輸送。上料輥道輸送由輥道輸送、傳感器、防護(hù)罩、阻擋氣缸等組成。輥道烘干線由輥道輸送、傳感器、防護(hù)罩、烘干段、阻擋氣缸等組成。上下料升降機(jī)由升降機(jī)為上下料鏡像布局，由提升系統(tǒng)、傳感器、機(jī)架、臺(tái)面滾動(dòng)軸等組成，升降機(jī)設(shè)有上中下三個(gè)信號(hào)點(diǎn)位：上部限位開關(guān)與磷化線對(duì)接、中位傳感器用來(lái)裝卸料、下部限位開關(guān)與輸送輥道對(duì)接。輔助輸送線把空框從下料端輸送到上料端裝料進(jìn)入磷化線，從而形成全自動(dòng)循環(huán)使用。

磷化線主體結(jié)構(gòu)包含：槽體、導(dǎo)軌機(jī)架、龍門行車、吊框、導(dǎo)線機(jī)架、工作走臺(tái)、管路系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)，廢氣吸風(fēng)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、槽底接液盤等組成。各組成部分的主要功能如下：

（1）槽體：生產(chǎn)線共計(jì)11 個(gè)主槽，3 個(gè)附槽，磷化槽內(nèi)部?jī)舫叽纾?300 mm × 1200 mm × 1000 mm（長(zhǎng)×寬× 高），其他槽內(nèi)部?jī)舫叽纾?300 mm × 600 mm ×700 mm（長(zhǎng)× 寬× 高）。

（2）導(dǎo)軌機(jī)架：整條產(chǎn)線的骨架，也是各部件的載體，頂部橫梁是行車導(dǎo)軌。

（3）龍門行車：由ZDL 型高軌龍門單吊鉤機(jī)械手，行車具有單車雙鉤，車進(jìn)、車退、鉤升、鉤降等功能，行車完成料框從上料至烘干上料各工序槽的換位、行走和升降，通過(guò)PLC 程序控制其運(yùn)作。吊臂升降的上限或下限有無(wú)觸點(diǎn)接近開關(guān)及行程開關(guān)雙級(jí)定位聯(lián)鎖防護(hù)越位控制。

（4）導(dǎo)線機(jī)架：是橫梁外側(cè)C 型槽鋼，行車電纜在里面采用坦克鏈的形式隨車運(yùn)動(dòng)。吊具配合行車將物料框提升，移動(dòng)的連接件。

（5）工作走臺(tái)：便于工人操作，設(shè)有操作走臺(tái)和防護(hù)攔[3]。

輔助系統(tǒng)主要是藥劑添加系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)。藥劑添加系統(tǒng)在表調(diào)槽和磷化槽各有一套。加熱系統(tǒng)的加熱方式為單槽獨(dú)立加熱電阻和熱水方式，溫度設(shè)定自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中磷化槽使用模溫機(jī)單獨(dú)加熱。除渣系統(tǒng)主要是輔助磷化，防止磷化槽內(nèi)沉渣太多，影響磷化效果。

2 自動(dòng)磷化線生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

磷化這一工序不單單只是將金屬工件浸泡在磷化液中就完成了工件的磷化。在對(duì)工件進(jìn)行磷化之前，還要做一些預(yù)處理和磷化后保護(hù)處理。磷化的具體流程是脫脂、水洗、表調(diào)、磷化、噴淋水洗、純化、脫水、烘干。

第一項(xiàng)脫脂處理，這一目的是為了將金屬工件表面的油污除去；然后進(jìn)行水洗，將工件表面的脫脂液清洗掉；再進(jìn)行表調(diào)處理，這是為了調(diào)整工件表面的狀態(tài)以進(jìn)行磷化；然后就進(jìn)入磷化環(huán)節(jié)，將工件浸入磷化液中經(jīng)過(guò)高溫及震蕩使工件表面產(chǎn)生一層均勻細(xì)致的磷化膜；再進(jìn)行噴淋水洗，將工件表面殘留的磷化液和沉渣除去；還要進(jìn)行純化處理，這是對(duì)磷化后的工件表面進(jìn)行進(jìn)一步的防銹處理；結(jié)束后用風(fēng)機(jī)將工件表面迅速吹干，還要將工件放進(jìn)烘箱進(jìn)行烘干處理，這一整套流程結(jié)束才是完整的磷化生產(chǎn)線。其中很多環(huán)節(jié)是要將工件表面進(jìn)行充分的處理，所以不單單是將工件放進(jìn)槽里就可以了，有的需要震蕩處理，有的槽內(nèi)需要浪涌裝置。工藝流程如圖2 所示。其中3# 水洗槽補(bǔ)水往2# 水洗槽溢流，7# 水洗槽補(bǔ)水往6#噴淋槽溢流的形式節(jié)約用水。

圖2 自動(dòng)磷化線生產(chǎn)工藝流程

自動(dòng)磷化線生產(chǎn)前，在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行前，要對(duì)整條線進(jìn)行檢查，并做一些準(zhǔn)備工作，具體步驟如下：

（1）檢查電源相序、氣源壓力是否正常；

（2）檢查各槽內(nèi)溶液是否到生產(chǎn)水位并進(jìn)行抽樣化驗(yàn)，液濃度低要及時(shí)補(bǔ)液；

（3）對(duì)各加熱槽進(jìn)行加熱，并調(diào)整好各槽的溫度控制；

（4）檢查各液槽的溫度是否達(dá)到設(shè)定的要求；

（5）開啟排霧風(fēng)機(jī)；

（6）打開各水洗槽溢水閥，使水洗槽產(chǎn)生一定量的溢流；

（7）用手動(dòng)模式操作設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件試運(yùn)行是否有異常的聲響；

（8）手動(dòng)調(diào)整行車到生產(chǎn)線自動(dòng)狀態(tài)工作位置；

（9）檢查各按鈕功能是否正常；

（10）安全防護(hù)裝置是否正常。

經(jīng)過(guò)檢查無(wú)誤和一些準(zhǔn)備工作完畢后才能進(jìn)行生產(chǎn)。

生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)檢查無(wú)誤后就要進(jìn)行生產(chǎn)，首先由員工在上料站將工件放進(jìn)物料框內(nèi)，要均勻擺放，防止料框傾覆。當(dāng)料框放滿后按下“上料確認(rèn)”按鈕，升降電機(jī)運(yùn)行，上料平臺(tái)上升，運(yùn)行至上限位開關(guān)處停止，上料平臺(tái)輥道電機(jī)和上料輥道電機(jī)運(yùn)行，將料框送入上料輥道。在料框經(jīng)過(guò)上料輥道的傳感器時(shí)輥道電機(jī)停止，升降電機(jī)運(yùn)行，上料平臺(tái)下降，運(yùn)行至下限位開關(guān)處停止，上料平臺(tái)輥道電機(jī)與底部輥道電機(jī)運(yùn)行，上料平臺(tái)前部?jī)蓚?cè)的阻擋氣缸縮回，將下一個(gè)空框運(yùn)至上料平臺(tái)，在經(jīng)過(guò)底部輥道的傳感器時(shí)兩側(cè)阻擋氣缸伸出，防止多個(gè)料框同時(shí)過(guò)來(lái)造成碰撞。

上料輥道電機(jī)運(yùn)行將料框往前運(yùn)送，運(yùn)行至輥道盡頭的起吊位（機(jī)械定位），同時(shí)后續(xù)料框由阻擋機(jī)構(gòu)兩側(cè)氣缸卡住，防止料框碰撞。同時(shí)由行車將料框提起，送入磷化線進(jìn)行磷化處理。由一號(hào)行車運(yùn)行至1#槽進(jìn)行表調(diào)處理。結(jié)束后運(yùn)至2#槽進(jìn)行水洗。再由二號(hào)行車運(yùn)至3#第三個(gè)槽在進(jìn)行水洗，水洗完畢后運(yùn)至4#槽進(jìn)行表調(diào)處理。接著由三號(hào)行車運(yùn)至磷化槽進(jìn)行處理，由于磷化需要較長(zhǎng)的時(shí)間，所以本線用了三個(gè)輔助磷化槽分別為5A、5B、5C。再運(yùn)至6#槽進(jìn)行噴淋處理。處理結(jié)束后由四號(hào)行車運(yùn)至7#水洗槽進(jìn)行水洗，再運(yùn)至18#槽進(jìn)行純化處理，純化結(jié)束后運(yùn)至9#槽進(jìn)行脫水風(fēng)干，再運(yùn)至輥道送入烘干隧道進(jìn)行烘干處理。處理結(jié)束后由料框運(yùn)送到下料位，下料位前阻擋氣缸伸出防止料框翻倒。

當(dāng)料框運(yùn)行至下料位時(shí)下料站員工按下“下料確認(rèn)”按鈕，下料機(jī)構(gòu)升降電機(jī)正轉(zhuǎn)將升降平臺(tái)上升至上限位，下料位前阻擋氣缸縮回，下料輥道電機(jī)運(yùn)行和升降平臺(tái)輥道電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，將料框運(yùn)至升降平臺(tái)。傳感器確認(rèn)料框到位后，下料位阻擋氣缸伸出，將下一料框送至下料位。同時(shí)下料機(jī)構(gòu)升降電機(jī)逆轉(zhuǎn)將升降平臺(tái)下降至下限位。下料站員工開始收料，收料完成后按下“下料確認(rèn)”按鈕，升降平臺(tái)輥道電機(jī)逆轉(zhuǎn)運(yùn)行將料框送入底部空框輥道，經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)升降平臺(tái)再次上升進(jìn)行作業(yè)?？湛蛴傻撞枯伒肋\(yùn)送至上料站，再次放料進(jìn)行生產(chǎn)，如此進(jìn)行循環(huán)。

考慮到人身安全防護(hù)，非操作部位采用防護(hù)罩防止料筐掉落，操作位設(shè)有安全光柵，當(dāng)光柵被觸發(fā)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)立即停止運(yùn)行。機(jī)動(dòng)輥道上設(shè)有光電開關(guān)用于識(shí)別料框是否完全進(jìn)入或離開機(jī)動(dòng)輥道以免誤動(dòng)作造成意外[4]。

3 自動(dòng)磷化線運(yùn)行調(diào)試

全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線核心機(jī)構(gòu)為上料機(jī)構(gòu)，上料機(jī)構(gòu)主要功能是將物料放入準(zhǔn)備好的料筐然后啟動(dòng)機(jī)器將放滿工件的料框抬升到上部將其送入上料輥道，上料機(jī)構(gòu)另外一個(gè)功能是更換料框。由于不同型號(hào)的工件大小不同所以他們用的料框也不同，這是為了防止大小不合適導(dǎo)致工件掉落。所以上料機(jī)構(gòu)多了一個(gè)功能換框，具體操作步驟如下：

（1）先將操作臺(tái)處的自動(dòng)旋鈕打到手動(dòng)狀態(tài)，然后按住“平臺(tái)上升”按鈕控制升降平臺(tái)上升，在其上升到中限位傳感器時(shí)松開；

（2）按下“氣缸伸出”按鈕，氣缸伸出，將兩根鋼管送入吊具與料框的間隙中；

（3）按下“平臺(tái)下降”按鈕，讓升降平臺(tái)下降，使吊具擔(dān)在鋼管上，操作人員上前將吊具兩側(cè)的搭扣松開，使料框落在平臺(tái)上；

（4）將料框先抬出來(lái)，把其中需要的料框再放到平臺(tái)上，使平臺(tái)上升將搭扣鎖緊，再次使平臺(tái)上升至中限位；

（5）按下“氣缸縮回”按鈕，開始放料，當(dāng)料框放滿后將旋鈕調(diào)打到自動(dòng)狀態(tài)，按下“上料確認(rèn)”就完成上料操作而OK 了。

下面重點(diǎn)分析上料機(jī)構(gòu)的調(diào)試。上料機(jī)構(gòu)是整個(gè)生產(chǎn)線的起始，是生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，首先要確認(rèn)其工作是否正常，是否與預(yù)期設(shè)計(jì)一樣，各個(gè)按鈕與指示燈是否正常工作。其次檢查安全設(shè)施是否正常，急停按鈕是否有作用，安全光柵被觸發(fā)是否有作用。在確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行無(wú)誤后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)試，由于采用輥道輸送所以上料機(jī)構(gòu)平臺(tái)的水平就非常重要，如果上料平臺(tái)左右不平會(huì)導(dǎo)致料框無(wú)法準(zhǔn)確的送入輥道內(nèi)，造成料框傾斜，卡在輥道上。所以要對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)調(diào)整兩邊的螺桿進(jìn)行調(diào)整。

另一方面就是要使上限位和下限位對(duì)準(zhǔn)上料輥道和底部輥道，防止料框卡住，即上不來(lái)升降平臺(tái)又無(wú)法送入上料輥道，在升降平臺(tái)調(diào)平后通過(guò)調(diào)整上限位行程開關(guān)與下限位行程開關(guān)的位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

最后一個(gè)就是調(diào)整各個(gè)傳感器的位置。自動(dòng)化控制中最重要信號(hào)的就是傳感器，通過(guò)各種傳感器，可檢測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)和工件的工作情況。在上料機(jī)構(gòu)中主要應(yīng)用各種光電和電感傳感器來(lái)檢測(cè)料框的位置，具體主要調(diào)試傳感器的最佳檢測(cè)位置和靈敏度，這就要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整。

上料機(jī)構(gòu)主電路如圖3 所示，上料機(jī)構(gòu)主要由4路電機(jī)負(fù)責(zé)上料滾道和上料提升，整條生產(chǎn)線的控制是由PLC 作為主控單元，采用的是三菱的FX3U 系列PLC，其主要特點(diǎn)是輸入輸出點(diǎn)多、可以連接更多的擴(kuò)展模塊[5]。

圖3 上料機(jī)構(gòu)主電路

4 結(jié)語(yǔ)

磷化生產(chǎn)線在生產(chǎn)工程中的應(yīng)用研究厘清了全自動(dòng)錳系磷化生產(chǎn)線的組成和各部分的功用。根據(jù)磷化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高溫和有毒氣體，設(shè)計(jì)了磷化處理的生產(chǎn)工藝，并對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)前的調(diào)試，目前該生產(chǎn)線已投入運(yùn)行，具有很高可靠性和安全性，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。