一种自动压淬装置的设计与轨迹控制

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）

压力淬火是热处理工艺的一种类型，它可以有效地防止在淬火过程中由于应力急剧变化而产生的零件缺陷，并在淬火过程中施加一定的压力，从而提高零件的耐冲击、抗腐蚀、抗应变的能力，在金属加工、汽车工业、冶金加工、航空航天等工业生产领域有着非常广泛的应用。利用压力淬火可以将材料铸造、焊接、机加工及热处理过程中存在的各种潜在畸变因素，在高压的作用下降到最低，特别是在齿轮、轴承等零件的压力淬火过程中可以有效地限制畸变方向，使畸变和涨缩量最小。本文所设计的一种自动压淬装置结构，将热处理炉、淬火压力机、机械手在PLC、MIMI、MCGS 等技术下集成控制，利用机器人轨迹仿真做好离线编程，具有良好的使用价值和借鉴意义。

1 主体结构设计

图1 为全自动压力淬火热处理装置的结构总成[1]，由箱式加热炉、 搬运机器人和压力淬火机等三部分组成。箱式炉主要由炉体、底座、工件输送装置（轨道、料盘等）、内部热力装置、加热电极、炉内温度平衡装置和电气控制系统等组成。由固态继电器、智能温控仪、PID 控制器等对炉内温度进行连续调节。整个工作过程为：

（1）炉内加热。先由搬运机器人机械手臂抓举需进行热处理工件后，移动至炉门前，牵引电机启动打开炉门，将工件放置在圆辊子料盘上，有接近开关检测到来料后，开始启动运送电机旋转，同时带动链轮正转，此时工件沿着炉内轨道向炉内运送到指定位置上，炉门开始关闭，炉门关闭3 min 后开始通电，通过给炉内电阻通电，炉膛受热到300 ℃时，炉顶电机和风扇开始旋转，保证炉内受热均匀、控制炉内温度、均匀炉内气氛。

（2）外界缓冷。工件加热完成提示 10 min 后，炉门打开，运送电机反转，工件送出指定位置后，搬运机器人机械手臂抓举工件放置在压力淬火机上开始缓冷，至一定温度后开始下一道工序。

（3）压力淬火。机器人将工件放置到下缸指定位置后，启动液压操纵手柄，压力淬火机开始工作，上缸液压油管路开始供油，工作台移出，上缸活塞杆向下伸出，下缸活塞杆向上伸出，压合后在待料位置停留20 s，此时上缸和下缸活塞杆上安装好的上、下模压紧工件并给予工件充分的压力； 然后上缸的活塞杆继续伸出，下缸活塞杆向下缩回，将工件移动至淬火油槽中，开始进行压力淬火，时间保持2 min。

（4）收回工件。压力淬火结束后，上下锁紧液压缸放松，上缸开始缩回，下缸开始伸出到指定位置，卸油管开始卸油，当下缸到达指定位置后，搬运机器人机械手臂抓举将压力淬火后的工件搬运至指定位置，整个工艺过程结束[2]。

（5）原位等待。所有工艺结束以后，搬运机器人恢复至起始位置，等待下一个工件的热处理与压力淬火。

图1 全自动压力淬火热处理装置的结构总成图

2 主要结构设计

图2 为压力淬火机结构简图，整体采用液压控制，保证输出压力大且稳定，通过上下缸的结构设计可以有效防止在压力淬火过程中出现图3 所示的凹心变形和翘曲变形，上下缸同时给予一定的压力后要使工件在淬火过程中受到应力影响所产生的变形最小[3-4]。

图2 压力淬火机结构简图

图3 压力淬火中容易出现的变形示意图

3 基于RoKiSim 的机器人控制与仿真

RoKiSim 机器人仿真软件是加拿大ETS 控制和机器人技术实验室开发的一款多平台6 轴串联机器人仿真软件，它可以用关节和直角坐标两种模式来移动机器人并进行运动仿真[5]，在其界面平台上可以显示 Base、Tool、World 等多种坐标系，可以虚拟机器人中的关节空间或笛卡尔空间，根据Denavit-Hartenberg 和 Denavit-Hartenberg 改性后显示不同的帧幅，并进行可视化配置，特别是在单位四元数ABB 机器人来表示，与ABB 的示教盒配合使用可以更好地保证运行轨迹、运行位置和运动关节优化[6]。

图4 为本文设计所采用的ABB 机器人结构总成示意图，图5 和图6 为两种位置下三种参考系的运行仿真[7]。

图4 本文设计所采用的ABB 机器人结构总成图

4 小结

图5 ABB 机器人在RoKiSim 界面下的初始位置

图6 ABB 机器人在RoKiSim 界面下的运行轨迹仿真

本文设计的一种全自动压力淬火热处理装置，能够实现加热、搬运压力淬火等多道工序的自动匹配运行，对进一步提升劳动生产率，减少废品率具有一定的借鉴价值，基于RoKiSim 机器人仿真软件对与ABB 机器人运行轨迹、运行位置和运动关节优化与仿真，更加直观地帮助使用者更好地掌握设备运行，后期还将就实际应用效果进行进一步论证和分析。