石杰

摘要：目前市場上光學(xué)防抖馬達(dá)彈簧片切除手段主要兩種方式，一是人工治具切除，二是沖壓模具切除。因材料薄，易變形，此兩種方法不具備柔性生產(chǎn)特點，給產(chǎn)品多樣性生產(chǎn)造成了困擾。針對此情況，結(jié)合現(xiàn)階段工業(yè)技術(shù)和精益制造理念，再根據(jù)制造現(xiàn)場需求開發(fā)設(shè)計了彈簧片激光切除設(shè)備。利用激光切割手動，結(jié)合物料自動定位和精確移動，很好地將產(chǎn)品從物料板中分離，并可以根據(jù)程序控制，實現(xiàn)不同產(chǎn)品的共用，符合柔性生產(chǎn)理念。通過解決送料精度問題、定位問題、激光切割選型問題、激光參數(shù)驗證以及排料等問題，實現(xiàn)了設(shè)計的目的。

關(guān)鍵詞：彈簧片;柔性生產(chǎn);激光切割;自動化;定位精度

中圖分類號：TG485

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0166-04

0 引言

疫情當(dāng)下，對企業(yè)的生存帶來很大挑戰(zhàn)，例如訂單量萎縮、人工成本日漸增加、材料成本上漲等等。隨著企業(yè)多方面成本的增加，各行各業(yè)都秉持IE手法、精益制造理念、自動化設(shè)備換人等一系列改善手段，用于降低人工成本，降低不良品，達(dá)到消減企業(yè)成本的目的。重復(fù)的工作，精度要求高的工作，重體力的工作都將實現(xiàn)自動化或半自動作業(yè)，這不僅解放了重體力勞動，也大大提高了生產(chǎn)效率，降低了不良率，從根本上提高了公司的生存力和競爭力。

目前國外以美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的激光切割已經(jīng)形成了一個新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)激光器和激光切割機(jī)的銷售逐年增加，在全球的生產(chǎn)、銷售用于激光加工領(lǐng)域中有超過40%的激光器是做切割用途的。國際上具有代表性的激光切割機(jī)設(shè)備制造商有德國通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC、意大利PRIMA、美國WHIT-NEY公司和日本TANAKA公司等。這些國際知名公司已陸續(xù)開發(fā)出了大功率、大幅面、高速、飛行光路、三維立體、數(shù)控自動的激光切割機(jī)，并且每年都在推出新的機(jī)型。

本文以光學(xué)防抖馬達(dá)彈簧片切除方法作為研究方向，以減少公司人工成本、提升彈簧片切除速度和精度以及改善不良率為目的。由于剛開始由人工來進(jìn)行切割彈簧片會比較容易造成彈簧片的變形和進(jìn)行組裝后的性能差異形成的不良，而通過使用激光切割可以很好地解決這個問題，激光束照射到彈簧片的表面上時釋放的能量使材料熔化并蒸發(fā)，激光束聚集的面積小，能使局部的區(qū)域迅速加熱，熱量傳到其他部分會很少，以此來切割開的彈簧片造成的變形很小或者沒有變形。

所以通過以上的問題設(shè)計研發(fā)了以送料機(jī)構(gòu)、相對應(yīng)的受臺、合適的激光切頭配合可編程控制器來實現(xiàn)激光切割機(jī)的自動送料、自動激光切割、自動排料為主要手段的自動化設(shè)備。

1 彈簧片間自動切除方案

光學(xué)防抖馬達(dá)彈簧片激光切除的設(shè)計初心是以提升彈簧片切割的效率、精度及減少人工勞動量為目的，同時送料導(dǎo)軌采用了雙導(dǎo)軌以及絲桿傳動為基礎(chǔ)，并且如果機(jī)器設(shè)備有故障時以快速維修為中心，實現(xiàn)設(shè)備每天最大工作效率生產(chǎn)的同時減少公司運營成本。

需要切割的彈簧片料板是由多個彈簧片組合成的一片整體料板，工藝流程是按順序?qū)误w彈簧片從料板上切下，將未切除的彈簧片料板放入治具受臺并保證方向正確，由伺服軌道將料板送進(jìn)激光切除機(jī)進(jìn)行切除作業(yè)。如圖1所示。

1.1 初期設(shè)備設(shè)計

作為初期的比較理想的設(shè)備設(shè)計思路，會根據(jù)具體的實用性、動作方式及應(yīng)用范圍展開設(shè)計。

如圖2、3所示，一種激光切料設(shè)備，包括機(jī)架10以及設(shè)于機(jī)架10的送料機(jī)構(gòu)20、夾料機(jī)構(gòu)、激光切料機(jī)構(gòu)和盛余料機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)20用于將待切料的彈簧片移動至夾料機(jī)構(gòu)，夾料機(jī)構(gòu)包括夾料氣缸50和夾料驅(qū)動元件，夾料氣缸50設(shè)于機(jī)架10且位于送料機(jī)構(gòu)20上方，夾料氣缸50用于夾持彈簧片，夾料驅(qū)動元件驅(qū)動夾料氣缸50往彈簧片方向移動，激光切料機(jī)構(gòu)用于對夾持的彈簧片進(jìn)行切料，盛余料機(jī)構(gòu)對激光切料機(jī)構(gòu)所切下的余料進(jìn)行盛放。

在對彈簧片進(jìn)行余料切除時，先對激光切料機(jī)構(gòu)進(jìn)行精度設(shè)定，以保障對彈簧片的精確切料，由操作人員將待切余料的彈簧片放置于送料機(jī)構(gòu)20，由送料機(jī)構(gòu)20將彈簧片運送至夾料機(jī)構(gòu)，由夾料驅(qū)動元件帶動夾料氣缸50對彈簧片進(jìn)行夾持，再由激光切料機(jī)構(gòu)對彈簧片的余料進(jìn)行切除，在切除的同時由盛余料機(jī)構(gòu)對所切下來的余料進(jìn)行盛接，通過自動化操作，有效提高工作效率和產(chǎn)品良品率，降低生產(chǎn)成本，同時對所切下的余料進(jìn)行收集以便于對該激光切料設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高使用壽命。

1.2 實際設(shè)備整體

因為所需要切割的彈簧片較為輕薄，最終沒有使用夾料機(jī)構(gòu)以及盛余料機(jī)構(gòu)。所以目前的激光切除設(shè)備為了更簡化和方便，其構(gòu)成包括機(jī)架、送料機(jī)構(gòu)、激光切頭、彈簧片治具、驅(qū)動元件等部分組成。如圖4、5所示。

1.3 自動激光切割工藝難點

（1）由人放料到治具時定位問題，所以需要彈簧片的定位、有無料問題。

（2）送料進(jìn)行切割時送料精度問題，不能因精度問題導(dǎo)致產(chǎn)生過多不良，所以精度問題是重要的先決條件。

（3）由于工人長時間做重復(fù)動作，使彈簧片放反，會造成一整塊的彈簧片不良。如圖6、7所示。

2 激光切割機(jī)機(jī)構(gòu)說明

2.1 激光頭

激光頭為本機(jī)器的主要機(jī)構(gòu)[1]，可由激光頭觸摸屏調(diào)節(jié)參數(shù)。如圖2、3所示。

激光切割機(jī)組成部件包括：（1）激光電源，供給激光振蕩用的高壓電源;（2）激光振蕩器，產(chǎn)生激光的主要設(shè)備;（3）折射反射鏡，用于將激光導(dǎo)向所需的方向，為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護(hù)罩加以保護(hù);（4）切割工作平臺，用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精準(zhǔn)地進(jìn)行移動，也就是圖2的治具。

2.2 清潔機(jī)構(gòu)

激光切割時利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速融化[2]、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)[3-4]，所以當(dāng)激光切割機(jī)激光頭對彈簧片進(jìn)行切割時，會產(chǎn)生刺激性氣體，氣體通過排氣管道排出，如果不及時將氣體排出就可能會對操作的工人產(chǎn)生危害。

2.3 切割工作平臺治具的設(shè)計

彈簧片切割時精度是最為重要的一環(huán)，而彈簧片治具就可以很好地起到定位作用。為了確保切割時的效率和品質(zhì)，讓操作工人可以更快地完成一次操作，通過圖6實驗得出的較快而且切割準(zhǔn)確的定位方式，當(dāng)彈簧片沿著左邊的擋塊放下時，可以剛好放在兩個定位銷上進(jìn)行定位，操作簡單并且效率較快，可以節(jié)省大量時間，如果出現(xiàn)微小定位誤差時調(diào)整也相對快捷。

2.4 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)包括送料盤和送料馬達(dá)，送料盤設(shè)有與彈簧片對應(yīng)的放料槽，將彈簧片放置于送料盤的放料槽內(nèi)，再蓋上保護(hù)蓋后，由送料馬達(dá)帶動送料盤移動至切割機(jī)內(nèi)部，在完成切料后，送料馬達(dá)將會帶動送料盤內(nèi)切好的彈簧片送到原點，由操作人員取出彈簧片，并將余料拿走清理。

3 控制系統(tǒng)

3.1 常見控制方式

在目前市場上，大多數(shù)激光切割機(jī)都是由數(shù)控程序[5]進(jìn)行控制操作，或者做成切割機(jī)器人。激光切割技術(shù)作為一種非常精密的加工方式，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維甚至是三維的切割。

激光切割技術(shù)在其他制造重工業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)則需要更加精密，誤差要盡可能減小。該技術(shù)在很多的行業(yè)有非常重要的地位，比如汽車的各種車身曲線都已經(jīng)是獲得了廣泛應(yīng)用。德國大眾汽車公司激光切割形狀復(fù)雜的車身薄板，以及各種曲面。除此之外航空、化工、輕工和電氣電子等都有激光切割技術(shù)的身影，而它們的控制精度都顯得尤為重要，由此可想選用一套精確且實用的控制系統(tǒng)時，都需要經(jīng)過層層篩選，進(jìn)而實現(xiàn)更加智能、精確的自動化技術(shù)[6]。

3.2 控制系統(tǒng)的選用

經(jīng)過討論后得出了兩種控制方式供選擇，分別是數(shù)控控制、可編程控制系統(tǒng)（PLC）[7]控制。而最終選定了可編程控制系統(tǒng)來作為切割控制，原因是可編程控制器使用時只需要經(jīng)過程序員的編程就可以快速控制，它還有非常多的特點，如：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng);配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng);易學(xué)易用;系統(tǒng)設(shè)計周期短，維護(hù)方便，改造容易;體積小，重量輕，能耗低[8]。

所以采用的控制系統(tǒng)由三菱PLC、操作觸摸屏[9]和激光頭觸摸屏組成。設(shè)備操作分手動調(diào)整模式和自動切割模式，運用觸摸屏對各切割點進(jìn)行獨立控制和位置調(diào)整，由于目前進(jìn)行生產(chǎn)的彈簧片型號只有一種，所以需要調(diào)整的地方較少，減少機(jī)種切換即可減少機(jī)器的故障，從而提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

手動調(diào)整模式是為設(shè)備故障調(diào)機(jī)及設(shè)備初始調(diào)整使用，技術(shù)人員通過操作觸摸屏輸入具體的位置參數(shù)至觸摸屏可調(diào)整初始數(shù)值或者送料盤移動路線數(shù)據(jù)及切割點位，保存后復(fù)位即可按照最新設(shè)置的參數(shù)運行。

4 設(shè)備解決的關(guān)鍵技術(shù)

本項目在實施過程中主要解決了以下關(guān)鍵點。

（1）送料機(jī)構(gòu)的運行精確性得到保障，由伺服馬達(dá)提供動力，通過與控制系統(tǒng)的結(jié)合，在整個運行過程中，不但可以確保送料機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運行，而且可以高效、準(zhǔn)確、便捷地完成整個自動激光切割工作過程。

（2）高精度的雙導(dǎo)軌定位為白動切割的品質(zhì)提供了更好的保障，可以精確移送工件控制每個切割部件的切割精度，提高了作業(yè)銜接性和工作效率。

（3）通過對送料盤的設(shè)計改善，再配合專用的激光頭來達(dá)到自動切割的目標(biāo)。

（4）解決了切割的質(zhì)量，由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量，激光切割口細(xì)窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達(dá)到0.1 mm以下。

（5）清潔、環(huán)保[10]、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。

（6）使用范圍廣，除開切割彈簧片外，還能切割其他易碎的脆性材料等等。

5 結(jié)束語

綜上所述，在信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，激光切割技術(shù)在發(fā)展的過程中也獲得了廣泛的應(yīng)用。在激光切割技術(shù)更為成熟的過程中，制造行業(yè)應(yīng)用激光切割技術(shù)更能夠體現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。而激光切割技術(shù)在各個行業(yè)應(yīng)用的過程中將發(fā)展的更成熟。

本文通過對激光切割機(jī)的整體設(shè)計，設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)合理的XY兩軸工作平臺，同時實現(xiàn)了彈簧片的自動切割，雖說目前市場上也有眾多的白動切割機(jī)，但自行設(shè)計可以更加深入研究這方面的技術(shù)，目前各種行業(yè)都在實行白動化乃至智能全自動，這些都可以為公司減輕勞動力不足的困擾。本文設(shè)計的設(shè)備具有以上所述的優(yōu)良特性，極具實用價值。

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