一种渗碳气氛炉的自动搬运装置的设计与控制开发

罗继军

（陕西国防工业职业技术学院 电子工程学院，陕西 西安710300）

渗碳是热处理加工中常见的一种工艺， 是通过高温加热使煤油、 甲醇等有机溶剂快速转化出活性碳离子，均匀地渗透在零件的表面，形成一层薄薄的渗碳层，这样可以有效提高零件的各项性能，包括耐腐蚀、抗氧化、降低磨损、提高零件强度、承受较高的颠覆力矩等。 一种低碳低合金钢的材料经过渗碳处理后，其性能完全可以媲美高合金钢的各项性能，降低生产费用，提升材料的有效使用率[1]。

本文通过设计一种渗碳气氛炉的自动搬运装置，将经过高温加热渗碳后的零件，快速地搬运至自动传送机， 进行下一道工序， 从而减少人工劳动强度、提高劳动生产率、合理设计热处理工艺时间、降低零件废品率，具有很好的实践意义。

1 总成设计

图1 为整个渗碳气氛炉的自动搬运装置的总成结构设计， 待渗碳的零件首先由操作人员挂在吊钩上， 操作电器柜上按钮， 将零件下放至真空渗碳炉中，按下加热按钮、打开滴油瓶，开始渗碳气氛，经过渗碳热处理后，打开炉上端盖，拖动拖弋电机上行，吊出渗碳工件，带动行走机构沿横梁向另一侧运行，吊住转轴沿立柱做逆时针旋转， 当旋转至左侧自动输送台上方时，向下运行吊钩，将渗碳后的工件放置在自动输送台上，开始下一道工序[2]。

具体优点：

（1）搬运过程实现自动化控制，操作台上加装HIMI 人机操作界面和MCGS 组态软件进行操作与实时反馈；

图1 渗碳气氛炉的自动搬运装置总成结构图

（2）炉内温度控制和炉内渗碳气氛控制采用PID控制，可以有效调节炉内温度，均匀炉内渗碳气氛，保证零件热处理的成品率，降低渗碳废品率[3]；

（3）左侧自动输送台可以将加热的工件根据下一道工序的要求开始运行， 如果需要在空气中随炉缓冷，可由PLC 中定时器进行控制；如果需要进行淬火，可在自动输送台下方安装淬火槽，根据要求添加相应的淬火介质，可直接在PLC 中更改相应程序即可。

综合以上优点， 该装置可以灵活设置时间、位置，可以更加高效地进行搬运工件，可以根据接下来的工序更加方便进行调整[4]。

2 主要结构设计

图2 为拖弋电机结构图，类似卷扬机结构，两端行走机构保证拖弋机构沿X 方向准确移动，两端安装行程限位开关防止超程，电机带动辊子旋转，并在电机外侧安装旋转编码器和霍尔开关， 使钢丝沿X轴正反向旋转，保证吊钩伸出缩回到位。 图3 为自动输送台上视图，由PLC 整体控制，将热处理后工件按照工艺要求进行运行，待全部工作过程完成后，将工件输送至指定位置，由人工将其取出。

图4 为炉体结构简图。 炉体结构由电极、铜联排、外炉体、废烟外排罩、炉内胆等部分构成，可以用于低温回火、分级淬火和化学气氛热处理等热加工工艺[5]。 为保障该炉体的多应用性，可以将该炉体改造成内热式盐浴炉，炉体启动时，将用联接铜排中电极的另一端串接，构成星形回路，调整变压器，接通电源。 在低电压状况下，炉内胆周围的凝盐快速融化导通，再将铜联排卸下，两电极柄并联，使电流沿两电极柄同时进入主电极， 此时盐浴炉依靠熔盐液导电发热，进入升温阶段[6]。

图2 拖弋电机结构图

图3 自动输送台上视图

图4 炉体结构简图

3 控制系统开发

全机主控界面为HIMI 人机操作界面和MCGS组态软件进行操作，炉内温度控制和炉内渗碳气氛控制采用PID 控制， 左侧自动输送台采用8031 单片机和8155H 可编程接口芯片机型接口设置， 具体线路布置如图5 所示，经济条件允许的情况下，也可采用PLC 控制，接线更加简单，控制程序编写更加方便[7-8]。

4 设备应用与改进

图5 控制接口程序设计图

设备在陕西鄠邑东方机械进行试验时发现，由于外界环境温度较高， 电子控制式传感器， 如电容式、电感式接近开关均出现故障，所以将接近开关大部分换成机械式传感器，如行程开关、限位器等，这样就基本保证了设备运行的稳定性。

左侧自动输送台采用8031 单片机和8155H 可编程接口芯片机型改成西门子S7-1200PLC，运行稳定性和准确性较好， 特别是在不同工作场合的切换过程中具有良好的编程环境，在实际生产过程中，如亲水铝箔机组平衡轮轴辊的加热后要空气中静止冷却2 h， 铝箔传送辊子则需要在高温场合下工作，其加热后还要进行调质、回火1 h，这个过程由PLC 编写和更改程序非常方便， 相比单片机来说控制效果更好、更稳定，但是价格也较后者大得多。

图6 的两种铝箔加工生产设备中，其平衡辊、传送辊、 炉内清洗辊等辊子零件在经热处理后的获得了良好的应用效果，运行平稳可靠。

图6 铝箔加工生产设备

5 结语

本文设计的渗碳气氛炉的自动搬运装置与控制装置可以提高自动化程度， 特别是提高了劳动生产率，优化了搬运装置，根据热处理工艺的要求可以灵活调节相关结构，有效整合了多个热处理工艺，连续性好，为相关行业的技术升级改造提供了借鉴。