平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的研制

孫暢

(江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

齒圈構(gòu)件是平地機(jī)刮刀執(zhí)行刮土工作時(shí)的核心零部件，其壽命會(huì)對(duì)平地機(jī)的實(shí)際使用壽命造成直接影響，因此必須對(duì)其實(shí)施連續(xù)式熱處理，以提升其耐磨性、可靠性以及使用壽命[1]。除此之外，目前平地機(jī)的使用范圍已經(jīng)得到了推廣，在露天礦場(chǎng)、礦山等處平地機(jī)均有一定程度的應(yīng)用，主要用于推平冰雪、樹樁、大石塊、碎石等[2]。在這種更加惡劣的工況下，平地機(jī)齒圈往往會(huì)過早出現(xiàn)嚴(yán)重磨損情況，從而引發(fā)用戶對(duì)設(shè)備的不滿[3]。因此優(yōu)化平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理的方式，研制平地機(jī)齒圈連續(xù)式新型熱處理生產(chǎn)線勢(shì)在必行?；谠摫尘皩?duì)平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線進(jìn)行研制，既優(yōu)化了平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理的方式，還可提升平地機(jī)的產(chǎn)品性能與使用可靠性。

當(dāng)前各國(guó)平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理的工藝路線整體比較相似，主要差異在于生產(chǎn)線設(shè)備的工藝技術(shù)手段水平的高低，需要有所突破。對(duì)于平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的研制，目前已經(jīng)取得了很多成果，并且一些成果已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用中，取得了較為滿意的應(yīng)用效果。實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)有自動(dòng)化上料、下料技術(shù)、關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)、單機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、物流自動(dòng)化技術(shù)等。為研發(fā)自動(dòng)化程度更高的生產(chǎn)線，需借鑒現(xiàn)有的一些研究成果，設(shè)計(jì)一種新的平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的研制

對(duì)平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線示意圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線示意圖

1.1 熱前加工模塊設(shè)計(jì)

平地機(jī)齒圈熱前加工模塊的加工設(shè)備包括熱前加工的剃齒、倒角倒棱、滾齒、插齒、拉齒、搓齒、車削等工序?qū)?yīng)機(jī)床設(shè)備[4]。具體包括剃齒機(jī)、倒棱機(jī)、復(fù)合機(jī)床、滾齒機(jī)、車削中心、車床等。

1.2 物流模塊設(shè)計(jì)

物流模塊由龍門桁架系統(tǒng)、桁架機(jī)械手組成。

龍門桁架系統(tǒng)的具體構(gòu)造包括：數(shù)控系統(tǒng)、拖鏈、電纜、伺服電機(jī)、減速機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、豎梁、移動(dòng)載板、精密齒輪齒條、直線導(dǎo)軌、龍門構(gòu)架。其中龍門構(gòu)架選擇回型鋼梁與鋼結(jié)構(gòu)立柱作為主要構(gòu)件，以提高整體剛性[5]。在回型鋼梁上對(duì)精密齒輪齒條與直線導(dǎo)軌進(jìn)行定位安裝，可組成傳動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，用于機(jī)械手的移動(dòng)。

在移動(dòng)載板與豎梁的設(shè)計(jì)中，選用鋁材制作豎梁，制作尺寸為80cm×80cm，并對(duì)移動(dòng)載板實(shí)施緊湊設(shè)計(jì)，將其厚度控制在300mm以內(nèi)[6]。利用VEC-VC伺服電機(jī)對(duì)精密齒輪齒條進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過齒條的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)豎梁垂直方向上z軸的移動(dòng)與移動(dòng)載板水平方向上x軸的移動(dòng)，從而使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位。

數(shù)控系統(tǒng)采用主機(jī)模塊中的自動(dòng)集成控制系統(tǒng)，并對(duì)帶顯示屏的手持式操作盒進(jìn)行配置。通過該操作盒可以對(duì)基本技術(shù)參數(shù)進(jìn)行顯示并對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行選擇。

拖鏈選用TP15系列的半封閉拖鏈；電纜選用礦物絕緣電纜；減速機(jī)選用斜齒輪-蝸輪蝸桿減速電機(jī)；潤(rùn)滑系統(tǒng)選用VOGEL潤(rùn)滑系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)雙工位桁架機(jī)械手，其構(gòu)件包括上下料手爪與旋轉(zhuǎn)擺缸。其中上下料手爪的構(gòu)件設(shè)計(jì)包括：推料器、手指、手爪本體，能夠執(zhí)行松開、卡緊等指令動(dòng)作，對(duì)工件能夠進(jìn)行內(nèi)孔撐緊或外圓抱緊等操作[7]?？梢愿鶕?jù)控制過程與工件姿態(tài)對(duì)上下料手爪進(jìn)行定義，完成工件的上料與卸料動(dòng)作。在上下料手爪的工作過程中，推料器能夠通過工件端面實(shí)施定位，而旋轉(zhuǎn)擺缸能夠?qū)崿F(xiàn)上下料手爪180°旋轉(zhuǎn)角度的雙工位定位。

為雙工位桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)了位置檢測(cè)與斷氣保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)位置未到、抓空或出現(xiàn)其他錯(cuò)誤時(shí)，機(jī)械手將會(huì)停止動(dòng)作并進(jìn)行報(bào)警信息的發(fā)送，直到排除故障[8]。這兩種功能能夠保障抓取動(dòng)作的可靠與穩(wěn)定。

雙工位桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)具體如表1所示。

表1 雙工位桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 自動(dòng)化加工模塊設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化加工模塊中對(duì)關(guān)節(jié)型機(jī)器人進(jìn)行配置，通過供料裝置的配合，利用關(guān)節(jié)型機(jī)器人即可實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)、卸載以及裝載[9]。

對(duì)PC主機(jī)與機(jī)床進(jìn)行如下自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)。

1)在機(jī)床側(cè)向或正向設(shè)計(jì)工件取放的固定工位；在機(jī)床內(nèi)部設(shè)置工件上下料自動(dòng)裝置，保障上料區(qū)、機(jī)床切削區(qū)工件上下料的抓取自動(dòng)化。

2)通過主機(jī)對(duì)機(jī)床頂部空間或正面空間進(jìn)行自動(dòng)開放控制。當(dāng)該空間為開放狀態(tài)時(shí)，桁架機(jī)械手能夠在切削區(qū)直接對(duì)工件進(jìn)行抓取，實(shí)現(xiàn)工件物流自動(dòng)化傳遞。

3)在機(jī)床上安裝自動(dòng)集成控制系統(tǒng)，使機(jī)械手與其他設(shè)備能夠以統(tǒng)一的信號(hào)進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)工件抓取與傳遞中交互信號(hào)的統(tǒng)一。該自動(dòng)集成控制系統(tǒng)選擇GS-35i-01-RA數(shù)控系統(tǒng)，能夠利用 I/O 端口實(shí)現(xiàn)交互信號(hào)的統(tǒng)一。

其中上下料自動(dòng)裝置的零部件包括位置傳感器、稱質(zhì)量傳感器、升降梯電機(jī)、管理和通信設(shè)備[10]。位置傳感器選用的型號(hào)是FHI-334R，在各料箱上均安裝一個(gè)位置傳感器，通過多個(gè)位置傳感器實(shí)現(xiàn)料箱位置的追蹤。

稱質(zhì)量傳感器選用電阻式稱質(zhì)量傳感器，將其安裝在進(jìn)料口下方，能夠?qū)α舷浜瓦M(jìn)料機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量進(jìn)行稱取[11]。使用總質(zhì)量減掉進(jìn)料機(jī)構(gòu)的質(zhì)量就能夠獲得料箱的質(zhì)量。共設(shè)置4個(gè)稱質(zhì)量傳感器。

升降梯電機(jī)使用的是三相異步滾筒線電機(jī)，采用機(jī)械制動(dòng)方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。

將FWD34-F工控機(jī)作為上下料自動(dòng)裝置的管理和通信設(shè)備。

系統(tǒng)軟件的整體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

在整個(gè)生產(chǎn)線中，可以根據(jù)PLC實(shí)現(xiàn)所有的控制，包括溫度、初始化、物流等，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力。

1.4 溫度控制模塊設(shè)計(jì)

溫度控制模塊由熱電偶傳感器、高溫電阻絲、可控硅三相調(diào)功器、PLC模塊、工業(yè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)[12]。

溫度控制模塊的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 溫度控制模塊的運(yùn)行流程

在溫度控制模塊中，可以對(duì)各個(gè)溫區(qū)進(jìn)行獨(dú)立的溫度控制。具體來說，熱電偶傳感器、高溫電阻絲、可控硅三相調(diào)功器均能夠以溫度段為單位實(shí)施單獨(dú)控制。

熱電偶傳感器是溫度控制模塊中的重要檢測(cè)元件，選用的熱電偶傳感器為K型工業(yè)熱電偶傳感器，由熱電偶絲、絕緣套管、保險(xiǎn)套管、接線盒構(gòu)成[13]。選用的可控硅三相調(diào)功器是B160-PAC35P-MTX120A調(diào)功器。選用的高溫電阻絲是耐高溫鐵鉻合金電阻絲。

PLC模塊的設(shè)計(jì)，選擇的是西門子312 系列PLC，使用的是STEP7編程軟件。通過該軟件對(duì)312系列PLC的中央機(jī)架進(jìn)行配置，對(duì)CPU參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及對(duì)其他模塊進(jìn)行配置[14]。模塊中的上位機(jī)選用SIMATIC 87-300系列上位機(jī)，該上位機(jī)自帶MPI通信適配器。

1.5 機(jī)床生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

機(jī)床生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模塊包括回火爐、清洗槽、淬火槽、淬火爐以及上下料自動(dòng)裝置。其中淬火爐設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)壁上附著一堵硅酸鋁纖維墻，起到耐火作用[15]。在爐中設(shè)置兩組電加熱區(qū)，在各區(qū)中設(shè)置一個(gè)可單獨(dú)控溫與加熱的溫度控制回路。

在淬火爐中安裝一個(gè)滾筒，滾筒的長(zhǎng)度為2 750mm，直徑為750mm。在滾筒內(nèi)部焊接一個(gè)150mm高、間距為100mm的螺旋板，滾筒的支撐方式為懸臂梁式。

淬火槽也設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)但沒有上頂，在其內(nèi)部裝載淬火油9 500L作為平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理的淬火介質(zhì)。在淬火槽中增設(shè)兩個(gè)滾筒，其長(zhǎng)度分別為800mm、3 000mm；直徑分別為600mm、850mm。二者有100mm的重合部分。在兩個(gè)滾筒內(nèi)部分別焊接一個(gè)螺紋板，間距為100mm。油幕箱安裝在在滾筒出口處。

在清洗槽安裝清洗滾筒，并裝入1.8%濃度的純堿溶液作為清洗液。同時(shí)在底部設(shè)置排水孔。

回火爐與淬火爐的形狀和內(nèi)壁設(shè)計(jì)相同，分為3個(gè)能夠獨(dú)立加熱的加溫區(qū)。將其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得比淬火爐更長(zhǎng)，安裝一個(gè)更長(zhǎng)的滾筒。在爐頂設(shè)置3臺(tái)風(fēng)機(jī)。

1.6 初始化模塊設(shè)計(jì)

在連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的最初運(yùn)行時(shí)，初始化模塊對(duì)生產(chǎn)線實(shí)施初始化處理與自檢處理。其中硬件初始化處理是對(duì)生產(chǎn)線上的各種硬件資源進(jìn)行初始狀態(tài)的設(shè)定[16]。軟件初始化處理是指對(duì)生產(chǎn)線參數(shù)進(jìn)行初始化處理以及對(duì)各種變量、堆棧實(shí)施初始化處理。

1.7 復(fù)合濾波模塊設(shè)計(jì)

復(fù)合濾波模塊主要通過復(fù)合濾波程序?qū)嵤┬盘?hào)的平滑處理，保障生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

復(fù)合濾波程序的運(yùn)行步驟具體如下：

1)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；

2)對(duì)采樣次數(shù)進(jìn)行設(shè)定；

3)調(diào)用濾波子程序；

4)對(duì)信號(hào)進(jìn)行算術(shù)平均濾波處理，具體公式如下：

(1)

式中：Y為算術(shù)平均濾波值；n為采樣值；xi為第i個(gè)信號(hào)。

5)向內(nèi)存單元傳送濾波結(jié)果；

6)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

通過以上步驟實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行信號(hào)的復(fù)合濾波處理。

2 生產(chǎn)線仿真測(cè)試

2.1 生產(chǎn)線仿真

利用Flexism軟件構(gòu)建所設(shè)計(jì)的平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的仿真模型。構(gòu)建步驟如圖4所示。

圖4 仿真模型構(gòu)建步驟

通過成員選項(xiàng)卡進(jìn)行參數(shù)選擇和對(duì)設(shè)備成員進(jìn)行添加，對(duì)生產(chǎn)線中的故障進(jìn)行模擬。

2.2 仿真模型運(yùn)行

將仿真時(shí)間設(shè)為70000s。參數(shù)設(shè)置完后，進(jìn)行仿真模型的運(yùn)行，并考察其運(yùn)行效果。

參數(shù)的設(shè)置情況以及考察項(xiàng)目如圖5所示。

圖5 參數(shù)的設(shè)置情況以及考察項(xiàng)目

根據(jù)考察項(xiàng)目開展仿真測(cè)試與分析。

2.3 仿真結(jié)果分析

1)齒圈在制品狀態(tài)測(cè)試

首先對(duì)設(shè)計(jì)的平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線70000s仿真后的齒圈在制品狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 齒圈在制品狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表2的齒圈在制品狀態(tài)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線輸出率較高，平均等待時(shí)間較短，暫存區(qū)平均容量與最大容量較低。原因是生產(chǎn)線運(yùn)行較快，不需要較大的暫存區(qū)容量，同時(shí)這樣做還能增加暫存區(qū)的利用率。整體來說，所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線生產(chǎn)齒圈在制品的產(chǎn)量高，速度快，設(shè)計(jì)合理。

2)設(shè)備吞吐量測(cè)試

所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線設(shè)備吞吐量測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6中設(shè)備吞吐量測(cè)試結(jié)果表明：機(jī)床3為傳統(tǒng)方法，沒有應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線。機(jī)床1和機(jī)床2均使用本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線。根據(jù)圖6可知，傳統(tǒng)方法在生產(chǎn)的過程中，其吞吐量隨著時(shí)間的增加而攀升，但是其量并不夠大，最高為66個(gè)，而應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的機(jī)床的吞吐量最高均達(dá)到了80個(gè)以上，超過傳統(tǒng)生產(chǎn)線14個(gè)以上，并且是兩組機(jī)床均超過。由此說明本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)提高了設(shè)備的吞吐量，增加了產(chǎn)出性能。

圖6 設(shè)備吞吐量測(cè)試結(jié)果

3)機(jī)床故障率與阻塞率測(cè)試

所設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的機(jī)床故障率與阻塞率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果具體如圖7所示。

圖7 機(jī)床故障率與阻塞率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖7的機(jī)床故障率與阻塞率測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的機(jī)床故障率在前9h中始終是0%，在9h以后，曲線開始出現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是趨勢(shì)并不明顯。因此，在運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)后開始出現(xiàn)故障，但故障率整體較低，最高僅為0.32%；機(jī)床阻塞率整體也較低，最高僅為0.29%。綜合來說，本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線故障率與阻塞率均較低，有效降低了設(shè)備的損耗，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

在研制平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線的過程中，參考了現(xiàn)有的研究成果，發(fā)現(xiàn)其無法實(shí)現(xiàn)較高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)。因此設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化生產(chǎn)程度較高的平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線，通過設(shè)計(jì)溫度控制模塊的運(yùn)行流程和系統(tǒng)軟件控制，調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)施尺寸，結(jié)合各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)平地機(jī)齒圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)，并對(duì)該生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果證明：該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了較高的自動(dòng)化程度和較大的設(shè)備吞吐量，降低了機(jī)床的故障率和阻塞率，對(duì)于平地機(jī)產(chǎn)品性能與使用可靠性的提升有一定意義。