摘要：随着自动化技术的不断进步，机器人已经在越来越多的行业中应用，但用于危险和恶劣环境下的通用机器人由于价格等因素难以全面应用，而危险和恶劣环境下的工作对机器人的需求又是最为迫切的。因此，分析行业需求，定制开发专用新型机械手，降低成本、实现功能，减少操作者进入危险和恶劣环境的机会，对工业生产中的防护具有非常重要的意义。
关键词：机械手；热处理；自动化
引言
热处理是制造业中的一种重要加工工艺，对于硬质合金等对材料性能要求较高的产品，通过热处理能够充分发挥金属材料的性能潜力，是保证机械制造技术先进性和产品质量的关键因素[1]，延长产品的使用寿命，对提高产品经济效益具有十分重要的意义。但热处理车间环境较差，高温、油雾、盐雾、机械伤害等危害较多，对操作者的职业健康存在一定潜在危害，进行热处理车间的自动化改造，减少操作者进入危害区域进行操作对热处理车间生产安全具有非常重要的意义。
一、热处理车间的特点
热处理车间的主要有加热炉类设备、液体冷却槽、风冷台等设备，常用的炉类设备具有炉温高、散热量大、炉膛深等特点，传统的人工上下件方式需要操作者夹持工件，靠近炉具，在炉门打开后使用工具夹持工件置入炉膛或从炉膛中夹出。由于热处理车间通常是不停机倒班工作，炉膛长期处于高温状态，操作者工作环境差，并且存在一定的安全隐患。此外，工件加热后还需要进行油浴或盐浴来满足零件的性能要求，高温工件置入溶液进行冷却时会产生油雾或盐雾，未被抽风机排出的少量油雾和盐雾对操作者健康也存在一定危害。这些容易发生的不安全隐患是和热处理车间的生产特点、工艺特点、环境特点有关[2]。为了改善热处理车间操作者的工作环境，避免高温、油雾、盐雾等有害因素对操作者造成危害，对热处理车间进行自动化改造，采用机械手进行物料自动运输和上下料，减少人员操作，是对操作者进行有效防护，避免操作者受到意外伤害最有效的途径。
二、热处理车间自动化改造的难点
对热处理车间进行自动化改造，主要是实现车间物流输送和工件上下料的自动化，其难点主要在于工件的上下料需要在高温的炉膛内或液体介质池内进行，因此，夹持工件上下件的机械手将在高温、热油或热盐溶液环境中工作，对机械手的夹持部分提出了较高的要求，既要耐高温，又要防水耐腐蚀。传统机械手的夹持或抓取部分安装有较多传感器和驱动元件，以便于机械手根据不同工况做出相关的动作，而大部分传感器和驱动元件都是精密元件，不能在高温和腐蚀环境中工作。
综上所述，应对热处理车间自动化改造难点的主要手段就是设计一套新型机械手，根据热处理车间工件运输和上下件动作相对简单固定的特点，将机械手的控制部分、驱动部分集中设计在远离执行端的机械手本体上，驱动部分通过简单可靠的机械传动结构将动力传递到远端的执行机构进行动作，从而避免了高温腐蚀环境对精密的控制和驱动部分造成损坏，同时又保证执行机构能准确可靠的按照控制指令进行准确动作。
三、典型热处理车间的工艺流程和布局
某典型热处理车间工艺流程为：预热处理，退火，固溶处理，时效处理，稳定退火处理。上下料工台、各种炉类设备、冷却介质池等设备采用“一”字型，按工艺流程布置在同侧，炉门侧布置一条轨道，采用轨道机械手沿轨道运行对各工位进行物料运送，并进行炉内上下料，淬火池处设有冷却台和桁架机械手。进行淬火工序时，轨道机械手首先将工件从炉内抓取工件放置在冷却台上，然后通过桁架机械手抓取工件，并移动到淬火池上方，将工件放入淬火池进行淬火处理，为了使工件进入淬火池时的温度达到工艺要求，每个淬火池配置一套桁架机械手，可以使工件出炉后在规定时间内进入淬火池进行淬火，保证工件热加工质量。淬火结束后，桁架机械手将工件放置在风冷台上，再由轨道机械手将工件抓取后送至下一道工序。车间布局如下图：
轨道式机械手主要用于车间各设备和工作台位的工件、物料的抓取、运送和上下料。由轨道小车、底座、控制系统、上下升降部件、左右横移部件、抓爪部件等部件组成，其结构设计有以下几个特点：
1）由于炉类设备炉膛通常较深，轨道式机械手要完成炉膛内工件的放置与抓取，横移部件的行程需要设计较大，当横移臂完全伸出后，悬臂长度最长可达2.5米，夹取工件后对轨道的倾覆力矩非常大，轨道小车是移动部件，没有固定基座来抵抗倾覆力矩，在极端的情况下甚至可能造成轨道小车倾覆。因此，本套机械手设计了异形可移动式底座，当横移部件伸出时，底座上的可移动配重会跟随横溢部件伸出长度向相反的方向移动，用来抵消悬臂对轨道小车的倾覆力矩，使轨道小车定位稳定、运行可靠。
2）横移部件的抓爪对侧集成了抓爪部件的驱动系统，驱动系统包括两台驱动电机及相关减速机构，其中1台电机用于实现抓爪部件的翻转动作，实现抓取工件后的翻转掉头动作；另1台电机用于驱动涡轮蜗杆为抓爪的夹紧和松脱动作提供动力。整个驱动部分与抓爪部件间隔1.5米以上，动力完全有机械传动部件输出到抓爪，保证驱动部分工作的可靠性。
3）抓爪部件通过纯机械结构实现抓紧与松开动作，抓爪顶端设计有工件止动结构，能够保证工件抓取稳定，不会在工件运送、夹取或翻转过程中失效。
4）控制系统设计在底座一侧，远离炉门，减少了恶劣环境对控制系统稳定性的影响，同时，中控系统带有存储功能，适用产品的工艺参数可以建库存取，实现产品换线的一键设置。
桁架式快速机械手主要用于工件的淬火处理，主要由桁架式轨道组件、快速升降部件及抓爪部件组成，其中，抓爪需要夹持工件浸入冷却介质中，使用环境恶劣，其结构设计有以下几个特点：
5）抓爪进行特殊表面处理，并进行保护材料涂覆，保证抓爪在高温下和液体介质中工作稳定可靠。
6）抓爪的驱动系统放置在抓爪上端，确保驱动系统不会接触冷却介质，设计有一套三连杆机构将驱动系统的动力通过机械传动来驱动抓爪的张开和夹紧。
7）抓爪顶端设计有与轨道式机械手相同的工件止动结构，稳定可靠。
五、机械手联控方案
本套机械手采用联控方式，炉类设备根据需要采用开关量或车间以太网与机械手进行数据交换，将设备状态反馈给中控系统进行计算联控，中控系统根据机械手和炉体设备反馈的数据，进行优化计算后，控制机械手的动作。中控系统安装在线体主控柜内，轨道机械手和桁架机械手控制系统分别安装在轨道小车控制器和桁架机械臂控制器上。中控系统采用西门子S7-1500控制器，通过人机界面HMI实现中控系统与操作者的交互。机械手现场总线采用PROFIBUS 现场总线，结构简单、运行稳定，抗干扰性强，能够适应现场设备的顺序控制和高速运动控制，并能够依照现场总线技术规范，连接不同厂家产品，可以方便完成组态与集成，构成面向行业，适合行业的自主控制系统[3]。轨道小车控制器和桁架机械臂控制器，以及机械手上的变频器、伺服控制器、输入输出模块的数据交换采用西门子工业无线网IWLAN，轨道小车采用滑触线取电。当车间建有两条或更多此类生产线时，各产线的中控系统可以通过车间网络互为备用，提高控制系统可靠性，其控制方案为：
1）中控系统通过轨道式机械手反馈的位置信息，判断该位置的具体设备，根据设备类型自动选择关节机械手或桁架式平面机械手实现工序的自动上下件，通常对侧面上下件的设备，采用轨道机械手自动从工件存放区域或上道工序夹取工件后移动到相应位置完成自动上下件；对顶部上下件设备，采用桁架式平面机械手从工件存放区域夹取工件后平移到相应设备顶部完成上下件操作，加工完成后通过相同方式从设备中下件后运送到工件暂存区或下道工序位置。
2）中控系统通过设备开关量信息判断设备当前状态，根据设备当前状态对机械手发出控制指令，对工序完成的设备进行工件上下件，工序同时完成，优先对后道工序进行上下件操作。
六、结束语
在自动化技术越来越高的今天，机器人已经取代人类在很多领域中工作，但在部分行业中，通用机器人的使用仍然存在一定局限。通过分析行业特定需求，设计满足行业特点的专用机器人，对生产线进行自动化和智能化改造，从而减少恶劣环境对操作者伤害和影响，对工业生产中的防护具有非常重要的意义。
参考文献
[1]隆平.近代热处理技术的发展概述[J].高校实验室工作研究，2009，3：76-78.
[2]黄周锋，王凯.强化热处理车间安全生产的措施[J].机械管理开发，2013，1：197-198.
[3]谭理武，虞菊英.PROFIBUS现在总线在热处理车间物流系统中的应用[J].物流工程，2007，10：76-77.
论文作者:龙罡,晏然,虢娟,简金权,周建荣
论文发表刊物:《防护工程》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/11
标签：机械手论文; 工件论文; 车间论文; 轨道论文; 桁架论文; 操作者论文; 部件论文; 《防护工程》2017年第35期论文;