平地機齒圈連續式熱處理生產線的研制

孫暢

(江蘇科技大學,江蘇 鎮江 212100)

0 引言

齒圈構件是平地機刮刀執行刮土工作時的核心零部件，其壽命會對平地機的實際使用壽命造成直接影響，因此必須對其實施連續式熱處理，以提升其耐磨性、可靠性以及使用壽命[1]。除此之外，目前平地機的使用范圍已經得到了推廣，在露天礦場、礦山等處平地機均有一定程度的應用，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，平地機齒圈往往會過早出現嚴重磨損情況，從而引發用戶對設備的不滿[3]。因此優化平地機齒圈連續式熱處理的方式，研制平地機齒圈連續式新型熱處理生產線勢在必行?；谠摫尘皩ζ降貦C齒圈連續式熱處理生產線進行研制，既優化了平地機齒圈連續式熱處理的方式，還可提升平地機的產品性能與使用可靠性。

當前各國平地機齒圈連續式熱處理的工藝路線整體比較相似，主要差異在于生產線設備的工藝技術手段水平的高低，需要有所突破。對于平地機齒圈連續式熱處理生產線的研制，目前已經取得了很多成果，并且一些成果已經投入到實際應用中，取得了較為滿意的應用效果。實際應用的技術有自動化上料、下料技術、關節機器人技術、單機自動化技術、物流自動化技術等。為研發自動化程度更高的生產線，需借鑒現有的一些研究成果，設計一種新的平地機齒圈連續式熱處理生產線并進行試驗。

1 平地機齒圈連續式熱處理生產線的研制

對平地機齒圈連續式熱處理生產線實施模塊化設計，生產線示意圖如圖1所示。

圖1 生產線示意圖

1.1 熱前加工模塊設計

平地機齒圈熱前加工模塊的加工設備包括熱前加工的剃齒、倒角倒棱、滾齒、插齒、拉齒、搓齒、車削等工序對應機床設備[4]。具體包括剃齒機、倒棱機、復合機床、滾齒機、車削中心、車床等。

1.2 物流模塊設計

物流模塊由龍門桁架系統、桁架機械手組成。

龍門桁架系統的具體構造包括：數控系統、拖鏈、電纜、伺服電機、減速機、潤滑系統、豎梁、移動載板、精密齒輪齒條、直線導軌、龍門構架。其中龍門構架選擇回型鋼梁與鋼結構立柱作為主要構件，以提高整體剛性[5]。在回型鋼梁上對精密齒輪齒條與直線導軌進行定位安裝，可組成傳動導向系統，用于機械手的移動。

在移動載板與豎梁的設計中，選用鋁材制作豎梁，制作尺寸為80cm×80cm，并對移動載板實施緊湊設計，將其厚度控制在300mm以內[6]。利用VEC-VC伺服電機對精密齒輪齒條進行驅動，通過齒條的傳動實現豎梁垂直方向上z軸的移動與移動載板水平方向上x軸的移動，從而使機械手實現移動定位。

數控系統采用主機模塊中的自動集成控制系統，并對帶顯示屏的手持式操作盒進行配置。通過該操作盒可以對基本技術參數進行顯示并對運行程序進行選擇。

拖鏈選用TP15系列的半封閉拖鏈；電纜選用礦物絕緣電纜；減速機選用斜齒輪-蝸輪蝸桿減速電機；潤滑系統選用VOGEL潤滑系統。

設計雙工位桁架機械手，其構件包括上下料手爪與旋轉擺缸。其中上下料手爪的構件設計包括：推料器、手指、手爪本體，能夠執行松開、卡緊等指令動作，對工件能夠進行內孔撐緊或外圓抱緊等操作[7]?？梢愿鶕刂七^程與工件姿態對上下料手爪進行定義，完成工件的上料與卸料動作。在上下料手爪的工作過程中，推料器能夠通過工件端面實施定位，而旋轉擺缸能夠實現上下料手爪180°旋轉角度的雙工位定位。

為雙工位桁架機械手設計了位置檢測與斷氣保護功能。當出現位置未到、抓空或出現其他錯誤時，機械手將會停止動作并進行報警信息的發送，直到排除故障[8]。這兩種功能能夠保障抓取動作的可靠與穩定。

雙工位桁架機械手的設計參數具體如表1所示。

表1 雙工位桁架機械手的設計參數

1.3 自動化加工模塊設計

在自動化加工模塊中對關節型機器人進行配置，通過供料裝置的配合，利用關節型機器人即可實現工件的搬運、卸載以及裝載[9]。

對PC主機與機床進行如下自動化裝置設計。

1)在機床側向或正向設計工件取放的固定工位；在機床內部設置工件上下料自動裝置，保障上料區、機床切削區工件上下料的抓取自動化。

2)通過主機對機床頂部空間或正面空間進行自動開放控制。當該空間為開放狀態時，桁架機械手能夠在切削區直接對工件進行抓取，實現工件物流自動化傳遞。

3)在機床上安裝自動集成控制系統，使機械手與其他設備能夠以統一的信號進行交流，實現工件抓取與傳遞中交互信號的統一。該自動集成控制系統選擇GS-35i-01-RA數控系統，能夠利用 I/O 端口實現交互信號的統一。

其中上下料自動裝置的零部件包括位置傳感器、稱質量傳感器、升降梯電機、管理和通信設備[10]。位置傳感器選用的型號是FHI-334R，在各料箱上均安裝一個位置傳感器，通過多個位置傳感器實現料箱位置的追蹤。

稱質量傳感器選用電阻式稱質量傳感器，將其安裝在進料口下方，能夠對料箱和進料機構的總質量進行稱取[11]。使用總質量減掉進料機構的質量就能夠獲得料箱的質量。共設置4個稱質量傳感器。

升降梯電機使用的是三相異步滾筒線電機，采用機械制動方式對電機進行制動。

將FWD34-F工控機作為上下料自動裝置的管理和通信設備。

系統軟件的整體流程如圖2所示。

圖2 系統流程圖

在整個生產線中，可以根據PLC實現所有的控制，包括溫度、初始化、物流等，可以實現自動化生產，提高生產效率，節省人力。

1.4 溫度控制模塊設計

溫度控制模塊由熱電偶傳感器、高溫電阻絲、可控硅三相調功器、PLC模塊、工業計算機構成，是一種閉環控制系統[12]。

溫度控制模塊的運行流程如圖3所示。

圖3 溫度控制模塊的運行流程

在溫度控制模塊中，可以對各個溫區進行獨立的溫度控制。具體來說，熱電偶傳感器、高溫電阻絲、可控硅三相調功器均能夠以溫度段為單位實施單獨控制。

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

PLC模塊的設計，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312系列PLC的中央機架進行配置，對CPU參數進行設定以及對其他模塊進行配置[14]。模塊中的上位機選用SIMATIC 87-300系列上位機，該上位機自帶MPI通信適配器。

1.5 機床生產結構模塊設計

機床生產結構模塊包括回火爐、清洗槽、淬火槽、淬火爐以及上下料自動裝置。其中淬火爐設計為長方體結構，在其內壁上附著一堵硅酸鋁纖維墻，起到耐火作用[15]。在爐中設置兩組電加熱區，在各區中設置一個可單獨控溫與加熱的溫度控制回路。

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

淬火槽也設計為長方體結構但沒有上頂，在其內部裝載淬火油9 500L作為平地機齒圈連續式熱處理的淬火介質。在淬火槽中增設兩個滾筒，其長度分別為800mm、3 000mm；直徑分別為600mm、850mm。二者有100mm的重合部分。在兩個滾筒內部分別焊接一個螺紋板，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。同時在底部設置排水孔。

回火爐與淬火爐的形狀和內壁設計相同，分為3個能夠獨立加熱的加溫區。將其長度設計得比淬火爐更長，安裝一個更長的滾筒。在爐頂設置3臺風機。

1.6 初始化模塊設計

在連續式熱處理生產線的最初運行時，初始化模塊對生產線實施初始化處理與自檢處理。其中硬件初始化處理是對生產線上的各種硬件資源進行初始狀態的設定[16]。軟件初始化處理是指對生產線參數進行初始化處理以及對各種變量、堆棧實施初始化處理。

1.7 復合濾波模塊設計

復合濾波模塊主要通過復合濾波程序實施信號的平滑處理，保障生產線的正常運行。

復合濾波程序的運行步驟具體如下：

1)保護現場；

2)對采樣次數進行設定；

3)調用濾波子程序；

4)對信號進行算術平均濾波處理，具體公式如下：

(1)

式中：Y為算術平均濾波值；n為采樣值；xi為第i個信號。

5)向內存單元傳送濾波結果；

6)恢復現場。

通過以上步驟實現生產線運行信號的復合濾波處理。

2 生產線仿真測試

2.1 生產線仿真

利用Flexism軟件構建所設計的平地機齒圈連續式熱處理生產線的仿真模型。構建步驟如圖4所示。

圖4 仿真模型構建步驟

通過成員選項卡進行參數選擇和對設備成員進行添加，對生產線中的故障進行模擬。

2.2 仿真模型運行

將仿真時間設為70000s。參數設置完后，進行仿真模型的運行，并考察其運行效果。

參數的設置情況以及考察項目如圖5所示。

圖5 參數的設置情況以及考察項目

根據考察項目開展仿真測試與分析。

2.3 仿真結果分析

1)齒圈在制品狀態測試

首先對設計的平地機齒圈連續式熱處理生產線70000s仿真后的齒圈在制品狀態進行測試。測試結果如表2所示。

表2 齒圈在制品狀態測試結果

根據表2的齒圈在制品狀態測試結果，可以發現所設計的生產線輸出率較高，平均等待時間較短，暫存區平均容量與最大容量較低。原因是生產線運行較快，不需要較大的暫存區容量，同時這樣做還能增加暫存區的利用率。整體來說，所設計的生產線生產齒圈在制品的產量高，速度快，設計合理。

2)設備吞吐量測試

所設計的生產線設備吞吐量測試結果如圖6所示。

圖6中設備吞吐量測試結果表明：機床3為傳統方法，沒有應用本文設計的生產線。機床1和機床2均使用本文設計的生產線。根據圖6可知，傳統方法在生產的過程中，其吞吐量隨著時間的增加而攀升，但是其量并不夠大，最高為66個，而應用本文設計的機床的吞吐量最高均達到了80個以上，超過傳統生產線14個以上，并且是兩組機床均超過。由此說明本文設計的生產線運行穩定，同時提高了設備的吞吐量，增加了產出性能。

圖6 設備吞吐量測試結果

3)機床故障率與阻塞率測試

所設計生產線的機床故障率與阻塞率進行測試，測試結果具體如圖7所示。

圖7 機床故障率與阻塞率測試結果

根據圖7的機床故障率與阻塞率測試結果可以發現，所設計生產線的機床故障率在前9h中始終是0%，在9h以后，曲線開始出現上升趨勢，但是趨勢并不明顯。因此，在運行時間較長后開始出現故障，但故障率整體較低，最高僅為0.32%；機床阻塞率整體也較低，最高僅為0.29%。綜合來說，本文設計的生產線故障率與阻塞率均較低，有效降低了設備的損耗，提高了生產效率。

3 結語

在研制平地機齒圈連續式熱處理生產線的過程中，參考了現有的研究成果，發現其無法實現較高程度的自動化生產。因此設計了一種自動化生產程度較高的平地機齒圈連續式熱處理生產線，通過設計溫度控制模塊的運行流程和系統軟件控制，調整系統的設計參數和設施尺寸，結合各個模塊，實現平地機齒圈連續式熱處理生產，并對該生產線進行了仿真。仿真結果證明：該生產線實現了較高的自動化程度和較大的設備吞吐量，降低了機床的故障率和阻塞率，對于平地機產品性能與使用可靠性的提升有一定意義。