王珂

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 激光切割 防護(hù)門 安全性 設(shè)計研究

1 引言

隨著激光發(fā)生器功率的提升以及激光切割工藝的不斷改進(jìn)，厚板切割已經(jīng)不再是制約激光切割機(jī)市場推廣的障礙，其中高速激光切割數(shù)控機(jī)床的高效與高質(zhì)在很大程度上提高了加工精度和生產(chǎn)效率，已經(jīng)逐漸成為3C 精密加工、軌道機(jī)車、船舶、汽車行業(yè)零部件制造，重型機(jī)械等場合的首要生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，至2017 年為止，國內(nèi)金屬制造業(yè)激光切割機(jī)的使用率已經(jīng)達(dá)到了70%以上。國內(nèi)激光設(shè)備生產(chǎn)廠家借助于價格優(yōu)勢，占領(lǐng)大部分國內(nèi)市場。但反觀出口數(shù)據(jù)，2018 年全年出口金額達(dá)到7.24 億美金，僅占到中國激光設(shè)備市場的8% 左右，還有巨大提升空間，國內(nèi)企業(yè)很難將整機(jī)產(chǎn)品出口到發(fā)達(dá)國家地區(qū)，一個重要原因就是設(shè)備防護(hù)及安全方面達(dá)不到歐盟CE（CONFORMITEEUROPEENNE，歐洲統(tǒng)一）認(rèn)證及美ANSI標(biāo)準(zhǔn)。歐盟CE 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中適用于激光切割機(jī)主要標(biāo)準(zhǔn)是：EN ISO 11553-2017，機(jī)械的安全性. 激光加工機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)。用于激光切割設(shè)備的大功率激光器，如CO2 激光、光纖激光，以及近幾年發(fā)展的半導(dǎo)體直接二極管激光器（DDL），激光產(chǎn)品分類將其定義為第四級激光產(chǎn)品，此類激光產(chǎn)品不但其直射光束及鏡式反射光束對眼和皮膚損傷，而且損傷相當(dāng)嚴(yán)重，并且其漫反射光也可能給人眼造成損傷。激光機(jī)床技術(shù)高速發(fā)展，不僅對設(shè)備外觀有要求，各國對安全性能也有要求，對機(jī)床操作區(qū)域的全包圍防護(hù)已經(jīng)是刻不容緩的發(fā)展趨勢。設(shè)計一個在功能上滿足使用，開啟尺寸足夠大，開啟過程安全可靠，并實現(xiàn)自動化控制的防護(hù)門結(jié)構(gòu)存在一些困難。

設(shè)計過程中需要解決的問題：

本著以人身安全作為第一考慮因素的原則，數(shù)控激光切割機(jī)床應(yīng)在工作區(qū)域外設(shè)有安全防護(hù)裝置，用以防止加工操作人員接近或直視工作區(qū)域，激光切割原料依據(jù)切割幅面不同，一般是3mx1.5m 和4mx2m 幅面的板料，為了將板料布置到切割區(qū)域，需要一個防護(hù)門，在進(jìn)出物料時開啟，切割加工時關(guān)閉。據(jù)此進(jìn)行數(shù)控激光切割機(jī)床進(jìn)出物料的上下開啟自動門優(yōu)化設(shè)計。要求達(dá)到在功能上滿足使用，開啟過程安全可靠，實現(xiàn)自動化控制，電氣控制滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)的安全規(guī)范。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案確定

實現(xiàn)動作：上下方向開啟，滿足工作臺進(jìn)出物料。動力源：壓縮空氣，壓縮空氣是最常用的自動門動力，通過電磁閥控制氣缸伸縮實現(xiàn)自動門的開啟關(guān)閉動作，有效簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免冗余電氣控制，應(yīng)用廣泛。

2.1 針對上下方向的開門結(jié)構(gòu)，必須要解決一個關(guān)鍵問題即如何克服門的自重，否則在斷電斷氣等意外情況下，門將會在自重作用下自動落下，造成嚴(yán)重安全隱患或者設(shè)備損壞。針對這一問題，目前一般有兩種解決方案，（1）使用配重塊以克服門自重，結(jié)構(gòu)原理是：將鋼絲繩一端連接到門上，繞過滑輪組，將另一端連接到與門等重的配重塊上。這種方案原理簡單，但在使用過程中存在一些問題，例如機(jī)構(gòu)質(zhì)量加倍，啟停慣量增加，對開啟和停止瞬間動力源的要求較高，運(yùn)行速度不均勻，還需要設(shè)計額外的阻尼結(jié)構(gòu)，配重機(jī)構(gòu)架構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，阻尼結(jié)構(gòu)有磨損需要時常調(diào)整，因此這種防護(hù)門結(jié)構(gòu)只適用于開啟頻率不高的手動控制防護(hù)工況下。（2）使用儲能機(jī)構(gòu)克服門自重，這是目前國外機(jī)床防護(hù)的趨勢，具體實施是在門頂部，組合同步軸、扭簧、剎車片、離合器等元件，通過扭簧的儲能功能，克服門自重，通過離合器的作用，門隨時在任意位置剎停。這種結(jié)構(gòu)緊湊，但設(shè)計上是一門一例，一般情況下是自動化公司與主機(jī)廠協(xié)同設(shè)計，設(shè)計周期長，成本較高。充分考慮以上情況和本設(shè)備的現(xiàn)有要求，本設(shè)計防護(hù)門需要在在中部開啟與關(guān)閉，因此巧妙的將門一分為二（圖1），通過設(shè)計結(jié)構(gòu)類似的兩塊門板，并將兩塊門板兩側(cè)分別連接到循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步帶兩側(cè)，同步帶在循環(huán)中兩側(cè)皮帶運(yùn)動方向相反（圖2）。同步帶機(jī)構(gòu)在循環(huán)時候分別帶動上下門板朝相反方向運(yùn)動，氣缸桿縮回時兩個防護(hù)門板同步反向開啟，氣缸桿伸出時兩個防護(hù)門板同步同向關(guān)閉，不僅滿足了開門的空間要求，還實現(xiàn)了在一個氣缸行程內(nèi)實現(xiàn)兩倍的門開啟尺寸，兩倍開啟速度。上下門板結(jié)構(gòu)類似，門體重量互相抵消，大大降低動力要求，不會因為失去動力情況下，自動閉合，提高了安全性。

2.2 根據(jù)電磁閥的使用特性，選用三位五通電磁閥，中位機(jī)制為中封，以此保證停電、斷氣狀況下，防護(hù)門的位置能較長時間保持原有關(guān)閉狀態(tài)。

2.3 防護(hù)門設(shè)計的第二個問題即大跨度的門板容易在運(yùn)行中卡死。數(shù)控切割機(jī)床門框架結(jié)構(gòu)多為鈑金折彎件或型材焊接框架。門結(jié)構(gòu)形狀各異，尺寸較大，自身結(jié)構(gòu)剛性有限，考慮加工費(fèi)用和使用強(qiáng)度不高，沒有必要對其進(jìn)行焊后二次加工。各安裝部位均是焊前加工到位，直接組裝。因此造成運(yùn)行不暢原因一般有（1）兩側(cè)導(dǎo)軌平行度、高度差達(dá)不到安裝要求;（2）防護(hù)門剛性不足門板發(fā)生變形卡死;（3）單一動力源布置位置的偏差造成受力偏差引起兩側(cè)速度不一致造成的卡死。

設(shè)計中兩側(cè)導(dǎo)軌選用直線導(dǎo)軌，門框架焊接精度直接影響門能否運(yùn)行流暢，因此焊接件廣泛采用插槽工藝，一方面利用插槽開口方向的區(qū)別在下料、折彎、焊接過程有效的“防呆”，避免加工中出現(xiàn)錯誤;另一方面插槽有一定的深度，各部件組合時候通過插槽的直角邊，兩兩之間自定位。在基本的焊接條件下，框架的尺寸及安裝位置誤差能控制在1-3mm 內(nèi)。

運(yùn)行過程中，防護(hù)門剛性不足是造成卡死的重要原因，大跨度的門板，想要滿足足夠的剛性非常困難，在設(shè)計過程中，反其道而行，減少橫向加強(qiáng)筋板的數(shù)量，使其在中部施加200N 里的情況下，整體撓度能達(dá)到3-5mm，并且將門板與導(dǎo)軌滑塊連接處，四周進(jìn)行開槽處理，通過門板運(yùn)行過程自身的結(jié)構(gòu)尺寸的微小變化，抵消兩側(cè)導(dǎo)軌不平行，不等高造成的卡死問題。

單一動力源布置位置的偏差造成受力偏差容易造成運(yùn)行卡死，此結(jié)構(gòu)中，單一氣缸已滿足門工作動力要求，將其布置在結(jié)構(gòu)幾何中心能減少兩側(cè)受力不平衡的情況，但是，無論是中間布置一個氣缸，或者靠近導(dǎo)軌兩側(cè)分別布置兩個氣缸，均無法避免結(jié)構(gòu)尺寸誤差造成兩側(cè)移動速度不一致導(dǎo)致的卡死情況，既往經(jīng)驗告訴我們，機(jī)械同步是最好的同步方式。因此次結(jié)構(gòu)中在門框架底部設(shè)置一根傳動軸，通過軸兩端的鍵將軸與兩側(cè)下部帶輪周向連接在一起。使兩側(cè)同步帶機(jī)構(gòu)連成一個整體，使兩側(cè)移動速度時刻保持一致。

在安裝調(diào)試過程中，可在基本連接緊固的前提下，通過手推、電磁閥點(diǎn)動的形式，讓整體結(jié)構(gòu)跑合運(yùn)行流暢后再鎖緊所有緊固件，最終達(dá)到整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行流暢。

3 控制及安全電路設(shè)計

見下圖。電氣控制元件：Y1 開門閥，Y2關(guān)門閥，B1 開門檢測開關(guān)，B2 關(guān)門檢測開關(guān)，S1 安全門開關(guān)。

電氣工作原理：門通過電磁閥的開關(guān)（Y1，Y2）動作來使氣缸動作帶動整個安全門一起動作。動作完成后，在氣缸上有檢測氣缸的磁開關(guān)（B1，B2）檢測氣缸是否到位。當(dāng)安全門關(guān)閉后通過插入式安全開關(guān)檢測，安全開關(guān)雙通道信號同時觸發(fā)，并將信號輸出到數(shù)控系統(tǒng)提供的安全集成功能，滿足歐盟 CE認(rèn)證的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了某一數(shù)控激光切割設(shè)備防護(hù)門，在進(jìn)出物料時開啟，切割工作時關(guān)閉防護(hù)的自動控制。具有開啟最大尺寸達(dá)到氣缸行程兩倍，開啟速度達(dá)到氣缸速度兩倍，利用同步軸機(jī)械同步解決了單一動力源驅(qū)動情況下兩側(cè)運(yùn)行速度不一致導(dǎo)致的運(yùn)行不暢以及卡死的問題，在失去動力時候不會因自重迅速下落，運(yùn)行過程經(jīng)實際檢驗安全可靠。整體結(jié)構(gòu)從密封性，電氣控制性均滿足歐盟CE 標(biāo)準(zhǔn)中對激光切割設(shè)備的安全要求。整體結(jié)構(gòu)具有較好的借鑒意義。