一種滲碳氣氛爐的自動搬運裝置的設計與控制開發

羅繼軍

（陜西國防工業職業技術學院 電子工程學院，陜西 西安710300）

滲碳是熱處理加工中常見的一種工藝， 是通過高溫加熱使煤油、 甲醇等有機溶劑快速轉化出活性碳離子，均勻地滲透在零件的表面，形成一層薄薄的滲碳層，這樣可以有效提高零件的各項性能，包括耐腐蝕、抗氧化、降低磨損、提高零件強度、承受較高的顛覆力矩等。 一種低碳低合金鋼的材料經過滲碳處理后，其性能完全可以媲美高合金鋼的各項性能，降低生產費用，提升材料的有效使用率[1]。

本文通過設計一種滲碳氣氛爐的自動搬運裝置，將經過高溫加熱滲碳后的零件，快速地搬運至自動傳送機， 進行下一道工序， 從而減少人工勞動強度、提高勞動生產率、合理設計熱處理工藝時間、降低零件廢品率，具有很好的實踐意義。

1 總成設計

圖1 為整個滲碳氣氛爐的自動搬運裝置的總成結構設計， 待滲碳的零件首先由操作人員掛在吊鉤上， 操作電器柜上按鈕， 將零件下放至真空滲碳爐中，按下加熱按鈕、打開滴油瓶，開始滲碳氣氛，經過滲碳熱處理后，打開爐上端蓋，拖動拖弋電機上行，吊出滲碳工件，帶動行走機構沿橫梁向另一側運行，吊住轉軸沿立柱做逆時針旋轉， 當旋轉至左側自動輸送臺上方時，向下運行吊鉤，將滲碳后的工件放置在自動輸送臺上，開始下一道工序[2]。

具體優點：

（1）搬運過程實現自動化控制，操作臺上加裝HIMI 人機操作界面和MCGS 組態軟件進行操作與實時反饋；

圖1 滲碳氣氛爐的自動搬運裝置總成結構圖

（2）爐內溫度控制和爐內滲碳氣氛控制采用PID控制，可以有效調節爐內溫度，均勻爐內滲碳氣氛，保證零件熱處理的成品率，降低滲碳廢品率[3]；

（3）左側自動輸送臺可以將加熱的工件根據下一道工序的要求開始運行， 如果需要在空氣中隨爐緩冷，可由PLC 中定時器進行控制；如果需要進行淬火，可在自動輸送臺下方安裝淬火槽，根據要求添加相應的淬火介質，可直接在PLC 中更改相應程序即可。

綜合以上優點， 該裝置可以靈活設置時間、位置，可以更加高效地進行搬運工件，可以根據接下來的工序更加方便進行調整[4]。

2 主要結構設計

圖2 為拖弋電機結構圖，類似卷揚機結構，兩端行走機構保證拖弋機構沿X 方向準確移動，兩端安裝行程限位開關防止超程，電機帶動輥子旋轉，并在電機外側安裝旋轉編碼器和霍爾開關， 使鋼絲沿X軸正反向旋轉，保證吊鉤伸出縮回到位。 圖3 為自動輸送臺上視圖，由PLC 整體控制，將熱處理后工件按照工藝要求進行運行，待全部工作過程完成后，將工件輸送至指定位置，由人工將其取出。

圖4 為爐體結構簡圖。 爐體結構由電極、銅聯排、外爐體、廢煙外排罩、爐內膽等部分構成，可以用于低溫回火、分級淬火和化學氣氛熱處理等熱加工工藝[5]。 為保障該爐體的多應用性，可以將該爐體改造成內熱式鹽浴爐，爐體啟動時，將用聯接銅排中電極的另一端串接，構成星形回路，調整變壓器，接通電源。 在低電壓狀況下，爐內膽周圍的凝鹽快速融化導通，再將銅聯排卸下，兩電極柄并聯，使電流沿兩電極柄同時進入主電極， 此時鹽浴爐依靠熔鹽液導電發熱，進入升溫階段[6]。

圖2 拖弋電機結構圖

圖3 自動輸送臺上視圖

圖4 爐體結構簡圖

3 控制系統開發

全機主控界面為HIMI 人機操作界面和MCGS組態軟件進行操作，爐內溫度控制和爐內滲碳氣氛控制采用PID 控制， 左側自動輸送臺采用8031 單片機和8155H 可編程接口芯片機型接口設置， 具體線路布置如圖5 所示，經濟條件允許的情況下，也可采用PLC 控制，接線更加簡單，控制程序編寫更加方便[7-8]。

4 設備應用與改進

圖5 控制接口程序設計圖

設備在陜西鄠邑東方機械進行試驗時發現，由于外界環境溫度較高， 電子控制式傳感器， 如電容式、電感式接近開關均出現故障，所以將接近開關大部分換成機械式傳感器，如行程開關、限位器等，這樣就基本保證了設備運行的穩定性。

左側自動輸送臺采用8031 單片機和8155H 可編程接口芯片機型改成西門子S7-1200PLC，運行穩定性和準確性較好， 特別是在不同工作場合的切換過程中具有良好的編程環境，在實際生產過程中，如親水鋁箔機組平衡輪軸輥的加熱后要空氣中靜止冷卻2 h， 鋁箔傳送輥子則需要在高溫場合下工作，其加熱后還要進行調質、回火1 h，這個過程由PLC 編寫和更改程序非常方便， 相比單片機來說控制效果更好、更穩定，但是價格也較后者大得多。

圖6 的兩種鋁箔加工生產設備中，其平衡輥、傳送輥、 爐內清洗輥等輥子零件在經熱處理后的獲得了良好的應用效果，運行平穩可靠。

圖6 鋁箔加工生產設備

5 結語

本文設計的滲碳氣氛爐的自動搬運裝置與控制裝置可以提高自動化程度， 特別是提高了勞動生產率，優化了搬運裝置，根據熱處理工藝的要求可以靈活調節相關結構，有效整合了多個熱處理工藝，連續性好，為相關行業的技術升級改造提供了借鑒。