機械設計自動化在滅火器閥門加工中的應用與實踐

李滿意

（武漢輕工大學 湖北 武漢 430040）

0 引言

人工智能與各行業技術和資源整合，為經濟結構升級優化和社會智能化的發展提供了源動力，同時也改變了人們的生產和生活方式。目前，世界各國已將智能化發展作為工業變革的戰略方向，同時頒布了能夠促進工業智能化發展的相關產業政策和戰略部署。我國也頒布了《中國制造2025》行動綱領，旨在促進國家工業智能化的發展[1]。滅火器作為公共場所及大型建筑消防系統的主要設備，必須做到操作便利、性能可靠。GB4251.1《手提式滅火器》中對零部件、結構及性能都有嚴苛的檢驗標準[2]。常見的滅火器的結構主要包括瓶體、滅火劑以及閥門。相較于其他兩個部位，閥門的加工過程非常復雜，生產加工過程中主要使用熱沖壓工藝，但是在加工過程中存在諸多問題導致成品合格率較低。基于此，我們設計了一套專門用于滅火器閥門加工的自動化系統。

1 滅火器閥門加工自動化設計的必要性

滅火器是保護人民生命及財產安全的消防裝置，據相關資料顯示，2020 年我國滅火器年總產量約9 000 萬具。隨著人們消防安全意識的提升，無論是民用還是工業應用多配備的滅火裝置均具有非常大市場。閥門是滅火器的核心部件，閥門的質量主要取決于閥體材料及加工工藝兩個方面。閥體材料在技術不斷提升的現階段，新型的6061鋁合金具有閥體致密、無氧化夾雜物、氣孔等缺點而應用較多，歐美西方國家甚至研究出更多新型材料代替傳統鉛黃銅材料。至于閥門的生產加工工藝，國內依然以人工生產為主，因此具有生產效率低下、人工成本高、成品合格率差等缺點。為了響應國家機械生產自動化、智能化的號召，加上滅火器市場前景巨大，因此滅火器閥門生產加工自動化的實現，具有迫切性和現實性。

2 滅火器閥門加工中的常見問題

2.1 生產效率問題

滅火器閥門加工生產線多使用單根棒料送料機，傳送效率較低下；傳統生產線上的工作人員均通過手動抓取棒料或噴灑潤滑液，工作強度大且效率低。

2.2 成品合格率問題

棒料經由傳送帶傳送至指定位置的路徑中沒有設置溫度檢測系統，人工測溫易受到環境、經驗等主客觀因素的影響一致性。在線切割加工過程中需要配備專用夾具，受限于閥門零部件尺寸較小，夾具設計及裝夾固定難度較大，無法獲得高質量的加工質量，不適合批量生產。

2.3 工人安全性問題

無論棒料傳送還是料斗接料環節都都需要工人手動操作，容易造成人工受傷的情況。在自動車切斷棒料后，斷面口部棱角多呈尖銳狀，去毛刺工序多是由工人手工捏持工作，尤其是機床上完成該工作危險性較高。

3 閥門自動化加工系統的設計思路

3.1 自動化加工系統的整體設計

整個機械系統主要由加熱爐、棒料傳輸/檢測系統、機器人棒料運輸系統、潤滑液噴灑系統和棒料接收裝置5個部分組成。加工工藝流程基本功能沒有改變，區別在于加熱爐中的銅棒料由單排分為雙排進入棒料傳輸系統，并且運輸路中設置溫度檢測系統對所有流過棒料進行測溫，判斷其是否達到加工的要求，若符合需求則等待返回、潤滑液噴灑等相應的供需完成，再經由機械手將其放置于中沖壓作業，借助傳感檢測沖床的位置完成接料動作。具體流程見圖1。

3.2 功能單元的設計優化

3.2.1 感應加熱爐系統

傳統的加熱爐改為感應加熱系統，而感應加熱爐依據熱處理和加熱深度的需求又細分高頻、中頻和低頻3 種類型。由于滅火器閥門屬于微小型零件，因此可使用加熱深度為0.5 ～2.5 mm 的高頻（10 kHz）加熱爐。我們設計的感應加熱系統為高頻感應加熱爐，除了感應加熱系統外還配備相應的輔助設備，高頻感應加熱系統主要對棒料進行加熱和保溫，以達到加工所需溫度，以實現加工生產線的自動化作業。爐體中配有循環水冷卻系統，對感應線圈進行實時降溫維持設備正常運行[3]。

感應加熱爐系統主要由高頻電源、加熱爐及控制系統3 個部分組成。（1）電源部分：電源是加熱爐的動力源泉，而高頻感應加熱系統能夠為加熱爐提供穩定、可調節的高頻電流，確保在規定時間內可以將棒料加熱至加工所需溫度。（2）加熱爐部分：為整個高頻感應加熱的主體，是將棒料加熱至所需溫度的場所，由感應線圈、加熱及保溫結構、內外隔熱層及循環水冷卻系統組成。（3）控制系統：控制系統是感應加熱爐的大腦中樞，負責協調整個加熱爐系統的運行及各部件功能的實現。

3.2.2 棒料傳輸及檢測系統

運輸帶上的棒料在傳輸過程中的姿態會經楔形結構進行調整和捋順，讓所有的棒料均能夠以水平方向排列。為了保證機械手抓取棒料時精準有效，則需要在傳輸帶前端設計一級、二級擋料裝置。一級擋料裝置可抵擋后面棒料提前進入抓取區；二級擋料裝置有兩個功能，一是計算分料槽兩次棒料數量，一是測定棒料的溫度。溫度測定是二級擋料裝置的設計難點，我們使用可調節角度支架來調整溫度傳感器的姿態，從而完成對分料槽兩次棒料溫度的精準測量。棒料溫度控制對后續的加工影響較大，在以往閥門加工期間由于棒料部分熱量會流失到氣缸中，為了避免這種現象我們在擋/限料架和氣缸連接部位填充隔熱板。

3.2.3 機器人棒料運輸系統

棒料運輸系統主要有機械臂和夾爪兩個部件。為了最大限度展現機械臂的靈活度采用了四自由度機械臂，見圖2。

鑒于機械臂是外購品，其夾爪不符合閥門加工棒料抓取的施工需要，因此對夾爪進行優化。重新設計的夾爪仿人類的拇指和食指，模擬“捏拿”動作同時抓取兩根棒料，見圖3、圖4。

接料盤中安裝壓力傳感器來檢測是否同時接收到兩個沖壓棒料，若檢測有警示音響起則表明在上模、下模中有成品棒料卡住，此時便會強制停止設備的運行，快速對車床及模具進行檢測。

該單元模塊的運轉原理：先由夾爪1 后指定位，再通過調節夾爪2 的位置調節氣缸來調試夾爪2 的位置，待夾爪1、2 均調整至正確位置時，夾爪1 前指、夾爪2 的后指分別夾緊氣缸工作，“捏拿”兩根棒料隨著機械臂運動實現抓取動作。棒料運輸系統功能模塊設計要點：夾爪與氣缸間的隔熱層可以避免棒料的熱量流失到氣缸；夾爪1、2 的前后端均有細紋來提升摩擦力，確保棒料捏拿更為牢靠穩定。

3.2.4 棒料接料裝置

該功能模塊的主要作用是接受沖壓作業結束后的棒料，由滑料槽、接料裝置及接料動作傳感器組成。當沖床上模離開瞬間接料動作傳感器會迅速感應到，對接料機發出指令，接料機的接料構件伸出接住已經脫離上模的成品料，退回原位后將棒料經滑料槽送至小車中，接料環節完畢[4]。

整個閥門成品棒料接料流程中，先要確定接料構件是否接料成功，然后判斷接料數量是否為兩根。所以在接料盤中設置安裝壓力傳感器，如果壓力不夠而發生報警則表示上模、下模有棒料卡住的情況，需要立即停止運行進行檢查。

4 控制系統的優化設計

滅火器閥門自動化加工控制系統主要組成部分分別是：氣缸（7 個）、沖床（7 個）、機械手（1 個）、稱重模擬量傳感器（2 個）、紅外測溫傳感器（1 個）、激光傳感器（2 個）、漫反射傳感器（2 個）、磁性開關（14個），見圖5。

控制系統的輸入、輸出均使用西門子PLC 系統實現。控制系統均由1 個主程序和5 個程序協調控制。子程序依據閥門加工工序流程依次為棒料傳輸控制、機械手臂控制、潤滑液噴灑控制、沖床控制和接料裝置控制。本文重點介紹與閥門加工自動化程度要求較高的棒料傳輸控制、機械手臂控制及接料裝置控制流程。

（1）棒料傳輸控制流程。啟動兩側擋料架并檢測是否為兩根棒料，確定為兩根后啟動左右限料架動作，并檢測棒料溫度是否滿足加工要求；若滿足要求則等待機械臂夾爪抓取；若溫度未達到要求則啟動左右擋料架將棒料復位，然后等待，將棒料淘汰最終送回原料池。（2）機械手臂控制流程。所有設備初始化，檢測閥門棒料是否充足及溫度是否合格；若合格則控制沖床復位，不合格則等待；完成復位噴灑潤滑液，未完成則繼續等待；噴灑結束后啟動控制機械手臂運動；未實現噴灑則繼續等待；機械手回到原點，未回到原點則等待。（3）棒料接料裝置控制流程。所有設備初始化完成，沖床返回下限位；成功返回后則銜接接料裝置動作，而未返回則繼續等待；檢測棒料充足則繼續進行沖床返回下限位，未檢測到棒料則報警。

5 實踐應用研究

通過對整個閥門加工工藝流程進行自動化設計后，進行現場的加工實踐，在第一次的安裝實際運行過程中出現棒料溫度感應器失靈的情況，經檢查發現是線路問題，重新接通線路后各動能單元運行良好[5]。為保證該自動化加工系統運行穩定性及可靠性，我們使用兩條生產線進行對比試驗，一條為傳統的人工加工生產線，另一條為本次設計的自動化加工生產線，記錄每天加工滅火器閥門的數量、合格率情況，連續統計1周的生產數量及不合格數，見表1。

表1 兩條閥門加工生產數量及不合格數

從表1 的數據可以看出，使用自動化加工系統后，每天滅火器閥門生產數量是人工生產線的1.74 倍，且自動化加工系統穩定性明顯優于人工生產；觀察了兩條生產線的不合格成品的數量，自動化生產系統的不合格數量明顯少于人工生產線。主要的原因是人工生產卡模現象較為嚴重，多是因為棒料沖壓前，模具潤滑液噴灑數量不夠所致。

6 結語

通過對傳統滅火器閥門加工工藝現狀進行分析，找出加工生產中存在的問題，并以問題為導向確定了滅火器閥門自動化加工系統實現的方向，初步設定從加熱爐、棒料傳輸/檢測、機械手和棒料接料等功能單元進行自動化機械設計。整個系統的控制體系由西門子PLC 控制系統搭建，生產線優化完成后采用現場試驗的手段對該系統科學性、穩定性及生產效率等進行驗證，最終發現相較于人工加工生產其效率與合格率均更高。下一步的工作我們將對其他功能單元及小構件再行優化，以期獲得更高效、穩定的閥門加工自動化系統。