热处理辅助机械手开发与应用
2017-03-03 22:03:48 来源： 点击：
张军，吕雪欣,王洋
（1.大连福岛精密零部件有限公司 ，辽宁 大连 116113）
（2.大连成源机电有限公司 研发部，辽宁 大连 116026）
摘 要:在金属铸造等行业，大部分工件都需要固溶等热处理工序，为了使热处理能够达到更好的效果，就要求工件从热处理炉中取出后放入冷却水池这个过程的时间越短越好。目前，国内铸造企业在热处理车间大部分依靠人力配合其他辅助设备来完成取放工件，达不到热处理的预期效果；此外工人劳动强度大、效率低，热处理车间工作环境差，技术工人流失严重，这些因素从另一方面也曾加了企业的负担。为了解决企业的实际困难，我公司提出了使用热处理辅助机械手来解决这个难题，即能达到热处理效果、提升产品质量，又节省人力成本、提高生产效率、改善工作环境。
关键词: 热处理；机械手；铸造；冷却
Development & Application of Manipulator For Heat Treatment
Zhang Jun1, Lv Xue-xin2, Wang Yang2
(1,Foturn precicast Component Co.,Ltd. Dalian 116113, China)
(2, Department of Research and Development, Dalian Company of CY Mechatronics, Dalian 116023, China)
关键词: 热处理；机械手；铸造；冷却
Development & Application of Manipulator For Heat Treatment
Zhang Jun1, Lv Xue-xin2, Wang Yang2
(1,Foturn precicast Component Co.,Ltd. Dalian 116113, China)
(2, Department of Research and Development, Dalian Company of CY Mechatronics, Dalian 116023, China)
Abstract: In the industries like metal casting, most of the workpieces need solid solution heat treatment, in order to make heat treatment achieve better effects, workpieces are required to remove from the furnace and put into the cooling pool. The shorter of the time used the better of the effects. At present, most domestic enterprises in the heat treatment shop most rely on human labor with other assistive devices to perform access workpieces, which falls short of the expected effect of heat treatment. In addition, factors like intensive and inefficient labor, poor working environment in heat treatment workshop and serious loss of skilled workers also add burdens on enterprises. In order to solve the practical difficulties of enterprise, our company proposes using manipulator to solve this problem. In this way, it is not only can achieve the effect of heat treatment, but also can improve product quality, save labor costs, increase productivity and improve work environment.
Key words: Heat Treatment; Manipulator; Casting; Cooling
引 言
新世纪的到来给我国铸造业带来了前所未有的发展机遇。同样，对铸造企业的产品质量提出了更高的要求，这就需要更多的新技术、新设备引入到铸造行业[1]。然而，国内铸造行业的自动化设备的发展却相对落后，尤其在热处理过程中向热处理炉中放工件、从热处理炉中取工件、快速放入水池中冷却等工作环节基本上依靠人力外加一些简单的辅助设备来完成。上世纪末到本世纪初，随着科技的迅速发展，机械设备制造企业开始致力于解决这方面的问题。应用于热处理方面的设备（工件搬运、取放）逐渐被研发出来，但总体自动化水平不高、工作效率低。目前国内现有设备只能缓解工人劳动强度，并且还需要人力操作，以及吊车、无动力小车等设备的辅助。一些企业引进国外先进的机器人系统，虽然能够解决一些实际的问题，但是成本太高，运行维护也比较困难，一般的中小企业基本无力承担[2]。此外热处理车间的劳动强度比较大、工作环境比较恶劣，工人大多不愿从事此类工作，这在一定程度上增加了企业的运营成本和用工困难。考虑到国内热处理行业存在的问题，从事机械设备研发的技术专家、国内热处理行业负责设备的高级技术人员进行了长期的现场考察、技术调研以及与现场技术工人的沟通，研发了热处理辅助机械手，提高了企业的生产效率，节约了运营成本，解决了企业的实际困难。
收稿日期：2014-09-09
项目来源：自主开发项目
作者简介：张军（1964-），男，高级工程师.
E-mail：zj@foturn.com；
吕雪欣(1979-)， 男, 工程师， 硕士；
王洋(1988-)， 男, 工程师，学士。
Key words: Heat Treatment; Manipulator; Casting; Cooling
引 言
新世纪的到来给我国铸造业带来了前所未有的发展机遇。同样，对铸造企业的产品质量提出了更高的要求，这就需要更多的新技术、新设备引入到铸造行业[1]。然而，国内铸造行业的自动化设备的发展却相对落后，尤其在热处理过程中向热处理炉中放工件、从热处理炉中取工件、快速放入水池中冷却等工作环节基本上依靠人力外加一些简单的辅助设备来完成。上世纪末到本世纪初，随着科技的迅速发展，机械设备制造企业开始致力于解决这方面的问题。应用于热处理方面的设备（工件搬运、取放）逐渐被研发出来，但总体自动化水平不高、工作效率低。目前国内现有设备只能缓解工人劳动强度，并且还需要人力操作，以及吊车、无动力小车等设备的辅助。一些企业引进国外先进的机器人系统，虽然能够解决一些实际的问题，但是成本太高，运行维护也比较困难，一般的中小企业基本无力承担[2]。此外热处理车间的劳动强度比较大、工作环境比较恶劣，工人大多不愿从事此类工作，这在一定程度上增加了企业的运营成本和用工困难。考虑到国内热处理行业存在的问题，从事机械设备研发的技术专家、国内热处理行业负责设备的高级技术人员进行了长期的现场考察、技术调研以及与现场技术工人的沟通，研发了热处理辅助机械手，提高了企业的生产效率，节约了运营成本，解决了企业的实际困难。
收稿日期：2014-09-09
项目来源：自主开发项目
作者简介：张军（1964-），男，高级工程师.
E-mail：zj@foturn.com；
吕雪欣(1979-)， 男, 工程师， 硕士；
王洋(1988-)， 男, 工程师，学士。
图1 车间工作环境
Fig. 1 Working environment of workshop
图2 机械手工作场景
Fig. 2 Working scene of the manipulator
1 热处理机械手的优点
1) 稳定性好，操作简单。
2) 效率高:智能控制，能够自动向多个热处理炉取放工件。
3)质量稳定：从炉内取出工件到放入水池（指定位置）只需十几秒时间，极大提高产
品的冷却效果和产品质量。
4) 降低人力成本，只需一个工人完成操作。
5) 降低劳动强度，只需按两次按钮就能轻松完
成整个热处理过程。
6) 安全性高，设计过程中考虑到了断电等安全
措施。
7) 降低了热处理炉维护费用，取放件过程非常稳定、准确，对炉体无任何损伤，提高了炉体寿命。
1) 稳定性好，操作简单。
2) 效率高:智能控制，能够自动向多个热处理炉取放工件。
3)质量稳定：从炉内取出工件到放入水池（指定位置）只需十几秒时间，极大提高产
品的冷却效果和产品质量。
4) 降低人力成本，只需一个工人完成操作。
5) 降低劳动强度，只需按两次按钮就能轻松完
成整个热处理过程。
6) 安全性高，设计过程中考虑到了断电等安全
措施。
7) 降低了热处理炉维护费用，取放件过程非常稳定、准确，对炉体无任何损伤，提高了炉体寿命。
图3 现场布局图
2 工作过程及技术参数
2.1 工作过程
2.1 工作过程
图4 程序流程
Fig. 4 Program flow chart
Fig. 4 Program flow chart
1) 我公司热处理车间有两台热处理炉，分别
标记为1号炉和2号炉。在操作面板上，选择要操作的热处理炉（假设选1号炉）和执行的程序，这时按下“炉1自动取送”按钮，机械手开始执行向1号炉放工件的程序，放工件时1号炉的炉门自动打开，放件完毕后，1号炉门自动关闭，1号炉开始加热，机械手自动回到待机位置待机。在1号炉加热过程中，可通过操作面板选择2号炉和所要执行的程序，这时再按下“炉2自动取送”按钮，机械手开始向2号炉放工件，完毕后回待机位置。
2) 工件在1号炉中处理完毕后，再次按下“炉1自动取送”按钮，机械手开始执行从1号炉中取工件的程序。如果需要入水处理，可选择入水处理程序，工件从热处理炉中取出到放入水池中，整个过程只需要15秒的时间，达到了快速冷却的目的，提高了热处理的效率和质量。冷却结束后，机械手将工件放到指定的位置处。如果工件不执行入水处理，机械手直接将工件放到指定位置处，机械手自动回到待机位置，整个过程处理完毕。当2号炉热处理完毕后，按下“炉2自动取送”按钮，重复1号炉的处理过程。
3) 当工作过程中出现问题时，可将操作面板上“模式选择”按钮切换到“手动”模式。操作面板上设置了“上行”、“下行”、“伸出”、“收回”、“左旋”、“右旋”、“左行”、“右行”按钮，通过手动操作可以完成整个热处理过程。另外在执行自动热处理程序时，机械手一定要回到待机位置。
3) 当工作过程中出现问题时，可将操作面板上“模式选择”按钮切换到“手动”模式。操作面板上设置了“上行”、“下行”、“伸出”、“收回”、“左旋”、“右旋”、“左行”、“右行”按钮，通过手动操作可以完成整个热处理过程。另外在执行自动热处理程序时，机械手一定要回到待机位置。
2.2 机械手技术参数
图5技术参数说明
Fig. 5 Technology parameters
1) 额定载荷：200kg
2) 最大工作半径：2300mm
最小工作半径：800mm
3) 伸缩范围：0～1500mm
伸缩速度：85mm/s
4) 升降行程：0～1870mm
升降速度：85mm/s
5) 上升最大高度：地面以上1000mm
下降最低高度：地面以下870mm
6) 旋转范围：±90°
旋转速度：4r/min
7) 定位方式：行程开关、可调机械挡块
8) 驱动方式：电力驱动
9) 定位精度：1mm
3 机械手技术要求
机械手采用多杆平行四边形连杆机构，在水平和垂直方向运动时，连杆始终保持平行四边形结构。保证了机械手在伸出和收回动作时，机械手始终处于同一水平线上；在上行和下行运动时，机械手始终处于一条垂直线上。
机械手主要包括升降机构、伸缩机构、旋转机构及行走机构。
3.1 具有足够的强度和刚度
考虑到助力机械手搬运的工件重量大约在200Kg以上，以及机械手搬运过程中的惯性和振动力，机械手要有一定的强度和刚度要求，
以防止零部件折断和弯曲变形。通过力学模拟分析和强度计算，强度和刚度在符合理论计算的情况下，设计时还要有一定的余量，保证机械手在正常使用时的强度和刚度，避免使用时危险情况的发生。
3.2保证机械手准确定位
所有驱动电机均采用变频控制，选用变频制动电机。机械手不仅能准确的到达特定位置，而且能以较低的速度停止，降低了惯性和振动力的影响，延长机械手的使用寿命，减少事故发生。
3.3 保证机械加工精度
机械手所有零部件均采用先进设备进行加工和焊接，保证了加工精度和焊接精度，使零部件的加工和焊接误差都控制在公差范围以内，保证了装配精度和设备质量。
4 结论
4.1存在问题
1) 由于热处理车间温度比较高，湿度比较大，
有些零件需要涂上防锈或耐高温漆，特殊
零件需要发黑处理，以达到防锈的目的。
2) 热处理车间工作环境差，粉尘较多，有些
部分应该加防护罩，比如电机保护罩，操
作面板防尘罩等。
4.2前景展望
现如今热处理辅助机械手在我公司热 处理车间已经投入使用，受到车间工人的一
致好评。实践证明该机械手可以在热处理行业得到广泛的应用，能够为热处理行业解决一些实际的困难。
2) 最大工作半径：2300mm
最小工作半径：800mm
3) 伸缩范围：0～1500mm
伸缩速度：85mm/s
4) 升降行程：0～1870mm
升降速度：85mm/s
5) 上升最大高度：地面以上1000mm
下降最低高度：地面以下870mm
6) 旋转范围：±90°
旋转速度：4r/min
7) 定位方式：行程开关、可调机械挡块
8) 驱动方式：电力驱动
9) 定位精度：1mm
3 机械手技术要求
机械手采用多杆平行四边形连杆机构，在水平和垂直方向运动时，连杆始终保持平行四边形结构。保证了机械手在伸出和收回动作时，机械手始终处于同一水平线上；在上行和下行运动时，机械手始终处于一条垂直线上。
机械手主要包括升降机构、伸缩机构、旋转机构及行走机构。
3.1 具有足够的强度和刚度
考虑到助力机械手搬运的工件重量大约在200Kg以上，以及机械手搬运过程中的惯性和振动力，机械手要有一定的强度和刚度要求，
以防止零部件折断和弯曲变形。通过力学模拟分析和强度计算，强度和刚度在符合理论计算的情况下，设计时还要有一定的余量，保证机械手在正常使用时的强度和刚度，避免使用时危险情况的发生。
3.2保证机械手准确定位
所有驱动电机均采用变频控制，选用变频制动电机。机械手不仅能准确的到达特定位置，而且能以较低的速度停止，降低了惯性和振动力的影响，延长机械手的使用寿命，减少事故发生。
3.3 保证机械加工精度
机械手所有零部件均采用先进设备进行加工和焊接，保证了加工精度和焊接精度，使零部件的加工和焊接误差都控制在公差范围以内，保证了装配精度和设备质量。
4 结论
4.1存在问题
1) 由于热处理车间温度比较高，湿度比较大，
有些零件需要涂上防锈或耐高温漆，特殊
零件需要发黑处理，以达到防锈的目的。
2) 热处理车间工作环境差，粉尘较多，有些
部分应该加防护罩，比如电机保护罩，操
作面板防尘罩等。
4.2前景展望
现如今热处理辅助机械手在我公司热 处理车间已经投入使用，受到车间工人的一
致好评。实践证明该机械手可以在热处理行业得到广泛的应用，能够为热处理行业解决一些实际的困难。
[参考文献]
[1] 刘中慧. 铸造机械手. 中国铸机. 1993(01)
[2] 崔怡,吴浚郊. 机器人在铸造业中的应用近况[J]. 中国铸造装备与技术. 1999(01)
[3] 李胜多,马宝丽,李新成,黄绪波.铸造专用机械手PLC控制系统的组态模拟设计[J]. 机电产品开发与创新. 2005(06)
[4] 郭益友. 工业机械手在机械制造工艺中的发展及应用[J]. 淮南职业技术学院学报. 2002(01)
[5] 孙兵,赵斌,施永辉. 物料搬运机械手的研制[J]. 机电一体化. 2005(02)
[1] 刘中慧. 铸造机械手. 中国铸机. 1993(01)
[2] 崔怡,吴浚郊. 机器人在铸造业中的应用近况[J]. 中国铸造装备与技术. 1999(01)
[3] 李胜多,马宝丽,李新成,黄绪波.铸造专用机械手PLC控制系统的组态模拟设计[J]. 机电产品开发与创新. 2005(06)
[4] 郭益友. 工业机械手在机械制造工艺中的发展及应用[J]. 淮南职业技术学院学报. 2002(01)
[5] 孙兵,赵斌,施永辉. 物料搬运机械手的研制[J]. 机电一体化. 2005(02)