懸臂型自動(dòng)化設(shè)備在激光切割加工中的研究與應(yīng)用

張禮峰 萬(wàn) 燦

（江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，揚(yáng)州 225127）

目前，鈑金加工設(shè)備正處于快速發(fā)展階段，尤其激光加工技術(shù)在鈑金加工方面得到了廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)需求也越來(lái)越多。但是，很多工廠面臨一些問(wèn)題：一是招工難，人員流動(dòng)性大；二是技術(shù)工人熟練度不高，生產(chǎn)效率低；三是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。此背景下，客戶(hù)對(duì)鈑金加工生產(chǎn)線的個(gè)性化需求不斷提高，使得激光切割機(jī)單機(jī)加工朝著智能化和自動(dòng)化的鈑金柔性生產(chǎn)線方向不斷發(fā)展。本文主要介紹一種懸臂型自動(dòng)化設(shè)備及其在激光切割加工中的幾種應(yīng)用布局，通過(guò)統(tǒng)一的信息化控制，將其與激光切割機(jī)有機(jī)結(jié)合，能夠提升生產(chǎn)效率，降低用工成本，最大限度提升設(shè)備的綜合產(chǎn)能。

1 懸臂型自動(dòng)化設(shè)備

懸臂型自動(dòng)化設(shè)備由提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上下料復(fù)合機(jī)械手、測(cè)雙料裝置、上料定位裝置、安全防護(hù)以及電氣通信部分組成。此自動(dòng)化設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯，可與3 m×1.5 m或4 m×2 m臺(tái)面的激光切割機(jī)配套，最大處理板厚可達(dá)到12 mm（420 kg或750 kg），能夠滿(mǎn)足客戶(hù)大部分的需求。此外，該設(shè)備開(kāi)放性好，方便原材料放置和下料碼垛的成品轉(zhuǎn)運(yùn)[1]。

1.1 提升機(jī)構(gòu)

提升機(jī)構(gòu)是懸臂型自動(dòng)化設(shè)備的主要部件。它的立柱由大截面、高強(qiáng)度的型鋼制作而成，具有強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中可靠性好，振動(dòng)小，無(wú)噪聲。提升機(jī)構(gòu)采用重載直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向。鏈輪鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)配重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型時(shí)能夠有效控制減速電機(jī)的大小，同時(shí)可以提高提升機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，并通過(guò)變頻器+編碼器的閉環(huán)控制方式保證運(yùn)動(dòng)精度。

1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由懸臂梁、回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及插銷(xiāo)定位機(jī)構(gòu)組成。其中：懸臂梁由高強(qiáng)度厚板折彎焊接而成，強(qiáng)度高，變形量小；回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為大小傘齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)回轉(zhuǎn)中心采用關(guān)節(jié)軸承支撐結(jié)構(gòu)，承載高，穩(wěn)定性好，可保證整個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)流暢；插銷(xiāo)定位機(jī)構(gòu)可在懸臂梁旋轉(zhuǎn)至設(shè)定位置時(shí)進(jìn)行精確定位，定位精度高。

1.3 上下料復(fù)合機(jī)械手

上下料復(fù)合機(jī)械手是懸臂型自動(dòng)化設(shè)備的重要部件，由上料機(jī)械手和下料機(jī)械手復(fù)合而成。上料機(jī)械手由鋁型材拼裝而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外觀美觀，并配備一定數(shù)量的真空吸盤(pán)。真空吸盤(pán)位置可根據(jù)板材實(shí)際尺寸進(jìn)行調(diào)整，且采用了分區(qū)控制方式，可滿(mǎn)足客戶(hù)大部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格板材的要求。下料機(jī)械手采用對(duì)叉的結(jié)構(gòu)方式，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向+鏈輪鏈條的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合減速電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)的方式，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠。下料貨叉由工業(yè)鋼管組成，鋼管布置密度高，拆卸方便，與激光切割機(jī)工作臺(tái)齒板密度匹配，可滿(mǎn)足小料的下料需要。下料機(jī)械手具有下料高度自適應(yīng)功能，可根據(jù)下料碼垛的高度實(shí)時(shí)調(diào)整下料機(jī)械手的卸料高度，以滿(mǎn)足下料碼垛整齊的要求，還能在一定程度上減少零件劃傷[2]。

1.4 測(cè)雙料裝置

測(cè)雙料裝置通過(guò)夾爪機(jī)構(gòu)利用位移傳感器測(cè)量板材厚度。機(jī)械手吸取板材時(shí)，夾爪機(jī)構(gòu)會(huì)夾緊板材。位移傳感器將模擬量信號(hào)發(fā)送至數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將從位移傳感器提取的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷機(jī)械手是否只吸取了一張板材。此裝置可防止機(jī)械手一次性吸取兩張或多張板材，避免后續(xù)加工環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常事故。

2 懸臂型自動(dòng)化設(shè)備在激光切割加工中的幾種應(yīng)用布局

此懸臂型自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用布局多樣，可根據(jù)客戶(hù)的個(gè)性化定制需求和客戶(hù)廠房的空間要求，選擇不同的應(yīng)用布局。下面介紹幾種主要的布局。

2.1 三工位布局

懸臂型激光切割生產(chǎn)線三工位布局是最經(jīng)典的布局方式。上料、下料各一個(gè)工位，激光切割機(jī)工作臺(tái)一個(gè)工位，三者分布在互相垂直的3個(gè)方向上，具體布局如圖1所示。

圖1 三工位布局

2.1.1 自動(dòng)上料

人工通過(guò)叉車(chē)或行車(chē)將一垛原材料放置在上料工位，并與X、Y兩個(gè)方向定位裝置靠齊。操作人員確認(rèn)加工前準(zhǔn)備工作都完成的情況下，在激光切割機(jī)操作界面上點(diǎn)擊“加工開(kāi)始”按鈕，使激光切割機(jī)向懸臂自動(dòng)化設(shè)備發(fā)送上料請(qǐng)求信號(hào)[3]。

上料機(jī)械手下降至板材上表面時(shí)，提升機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作，真空系統(tǒng)根據(jù)板材規(guī)格大小打開(kāi)對(duì)應(yīng)的真空吸盤(pán)吸取板材。在這個(gè)過(guò)程中，板材氣動(dòng)分張機(jī)構(gòu)開(kāi)始作業(yè)，將第一張板材與下面的板材分開(kāi)，然后測(cè)雙料機(jī)構(gòu)檢測(cè)板材厚度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，如果確認(rèn)是單張板材，則繼續(xù)執(zhí)行上料動(dòng)作。成功吸取板材后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至激光工作臺(tái)上方，真空系統(tǒng)斷氣，隨后將板材放置在激光切割機(jī)工作臺(tái)上，提升機(jī)構(gòu)抬起并返回上料工位。再次執(zhí)行上料流程，對(duì)激光切割機(jī)的另一工作臺(tái)進(jìn)行上料。

2.1.2 激光切割加工

上料完成后，發(fā)送信號(hào)給激光切割機(jī)。激光切割機(jī)接收到信號(hào)后，使帶有板料的工作臺(tái)自動(dòng)移動(dòng)至激光切割區(qū)域啟動(dòng)加工程序，此時(shí)激光切割機(jī)開(kāi)始對(duì)板材進(jìn)行切割加工。

2.1.3 自動(dòng)下料

激光切割加工完成后，激光工作臺(tái)開(kāi)出加工區(qū)域，然后給懸臂型自動(dòng)化設(shè)備發(fā)送下料請(qǐng)求信號(hào)。接收到信號(hào)后，下料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至工作臺(tái)上方，打開(kāi)下料貨叉并將切割的零件叉起旋轉(zhuǎn)至下料工位，啟動(dòng)卸料高度自適應(yīng)功能，將切割好的工件整齊碼垛在下料工位。自動(dòng)上料、激光切割加工、自動(dòng)下料循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)激光切割加工的全自動(dòng)化與無(wú)人化。

2.2 配單列庫(kù)三工位布局

配單列庫(kù)三工位布局（見(jiàn)圖2）可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人化工作。單列倉(cāng)庫(kù)主要具備板材存儲(chǔ)管理和自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能，可提高倉(cāng)儲(chǔ)利用率，大幅降低物流強(qiáng)度和土地成本，使員工專(zhuān)注于核心工作，從而獲得更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和更高的生產(chǎn)效益[4]。

圖2 配單列庫(kù)三工位布局

2.2.1 單列庫(kù)存儲(chǔ)和板料轉(zhuǎn)運(yùn)

（1）存儲(chǔ)。人工通過(guò)叉車(chē)或行車(chē)將一垛板材放置在單列庫(kù)入庫(kù)口，并與定位桿靠齊。堆垛機(jī)將垛板料轉(zhuǎn)運(yùn)至倉(cāng)庫(kù)指定貨格，并在操作系統(tǒng)中輸入板材規(guī)格信息。以此循環(huán)操作，將激光切割加工所需板料全部存儲(chǔ)至單列庫(kù)貨格。

（2）轉(zhuǎn)運(yùn)。根據(jù)激光切割機(jī)發(fā)送的上料請(qǐng)求信號(hào)，單列庫(kù)將對(duì)應(yīng)規(guī)格的一垛板料從貨格中取出，并通過(guò)出料機(jī)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)至懸臂自動(dòng)化設(shè)備上料工位。

2.2.2 無(wú)人化工作

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)對(duì)板材規(guī)格的要求，此布局可通過(guò)單列倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)切換原材料板材規(guī)格，實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人化工作，大大降低了設(shè)備對(duì)人員的依賴(lài)，提高了生產(chǎn)效率。

2.3 三工位零件自動(dòng)分揀碼垛布局

下料碼垛后，前述兩種布局會(huì)導(dǎo)致零件和廢料疊加在一起，需要進(jìn)行人工分揀，嚴(yán)重影響了工作效率，且不能滿(mǎn)足切割好的零件自動(dòng)轉(zhuǎn)至折彎工序的要求[5]。在此背景下，介紹一種三工位零件自動(dòng)分揀碼垛布局方案，如圖3所示。

圖3 三工位零件自動(dòng)分揀碼垛布局

2.3.1 自動(dòng)分揀

激光切割加工完成后，上下料機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至工作臺(tái)上方。上料機(jī)械手的所有真空吸盤(pán)都通過(guò)總線閥組單獨(dú)控制。分揀碼垛軟件解析零件加工程序，根據(jù)解析結(jié)果確認(rèn)加工零件的位置和形狀信息，并根據(jù)這些信息控制總線閥組系統(tǒng)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的真空吸盤(pán)，將切割好的零件分揀吸起。

2.3.2 廢料自動(dòng)下料和零件自動(dòng)碼垛

下料機(jī)械手將廢料叉起，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至下料及分揀工位，同時(shí)廢料車(chē)移動(dòng)至此工位。機(jī)械手先將廢料卸載到廢料車(chē)上，待廢料車(chē)開(kāi)離下料及分揀工位，機(jī)械手再將零件整齊碼垛在分揀工位上。如此循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)上料、激光切割加工、分揀碼垛以及下料等一系列自動(dòng)化操作流程。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種懸臂型自動(dòng)化設(shè)備及其與激光切割機(jī)配套的幾種布局方案。通過(guò)分析可知，該設(shè)備與激光切割機(jī)組成的柔性生產(chǎn)線不但能增加產(chǎn)能，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備回報(bào)率，還能讓企業(yè)在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。