王珂

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 激光切割 防護(hù)門(mén) 安全性 設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chē)、船舶、汽車(chē)行業(yè)零部件制造，重型機(jī)械等場(chǎng)合的首要生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)，至2017 年為止，國(guó)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(guó)內(nèi)激光設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家借助于價(jià)格優(yōu)勢(shì)，占領(lǐng)大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。但反觀(guān)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(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)的8% 左右，還有巨大提升空間，國(guó)內(nèi)企業(yè)很難將整機(jī)產(chǎn)品出口到發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)，一個(gè)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(lèi)將其定義為第四級(jí)激光產(chǎn)品，此類(lèi)激光產(chǎn)品不但其直射光束及鏡式反射光束對(duì)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(duì)設(shè)備外觀(guān)有要求，各國(guó)對(duì)安全性能也有要求，對(duì)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(shì)。設(shè)計(jì)一個(gè)在功能上滿(mǎn)足使用，開(kāi)啟尺寸足夠大，開(kāi)啟過(guò)程安全可靠，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的防護(hù)門(mén)結(jié)構(gòu)存在一些困難。

設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的問(wèn)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(gè)防護(hù)門(mén)，在進(jìn)出物料時(shí)開(kāi)啟，切割加工時(shí)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(kāi)啟自動(dòng)門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)。要求達(dá)到在功能上滿(mǎn)足使用，開(kāi)啟過(guò)程安全可靠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，電氣控制滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)作：上下方向開(kāi)啟，滿(mǎn)足工作臺(tái)進(jìn)出物料。動(dòng)力源：壓縮空氣，壓縮空氣是最常用的自動(dòng)門(mén)動(dòng)力，通過(guò)電磁閥控制氣缸伸縮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉動(dòng)作，有效簡(jiǎn)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(duì)上下方向的開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，必須要解決一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即如何克服門(mén)的自重，否則在斷電斷氣等意外情況下，門(mén)將會(huì)在自重作用下自動(dòng)落下，造成嚴(yán)重安全隱患或者設(shè)備損壞。針對(duì)這一問(wèn)題，目前一般有兩種解決方案，（1）使用配重塊以克服門(mén)自重，結(jié)構(gòu)原理是：將鋼絲繩一端連接到門(mén)上，繞過(guò)滑輪組，將另一端連接到與門(mén)等重的配重塊上。這種方案原理簡(jiǎn)單，但在使用過(guò)程中存在一些問(wèn)題，例如機(jī)構(gòu)質(zhì)量加倍，啟停慣量增加，對(duì)開(kāi)啟和停止瞬間動(dòng)力源的要求較高，運(yùn)行速度不均勻，還需要設(shè)計(jì)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(shí)常調(diào)整，因此這種防護(hù)門(mén)結(jié)構(gòu)只適用于開(kāi)啟頻率不高的手動(dòng)控制防護(hù)工況下。（2）使用儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)克服門(mén)自重，這是目前國(guó)外機(jī)床防護(hù)的趨勢(shì)，具體實(shí)施是在門(mén)頂部，組合同步軸、扭簧、剎車(chē)片、離合器等元件，通過(guò)扭簧的儲(chǔ)能功能，克服門(mén)自重，通過(guò)離合器的作用，門(mén)隨時(shí)在任意位置剎停。這種結(jié)構(gòu)緊湊，但設(shè)計(jì)上是一門(mén)一例，一般情況下是自動(dòng)化公司與主機(jī)廠(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，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(jì)防護(hù)門(mén)需要在在中部開(kāi)啟與關(guān)閉，因此巧妙的將門(mén)一分為二（圖1），通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的兩塊門(mén)板，并將兩塊門(mén)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(dòng)方向相反（圖2）。同步帶機(jī)構(gòu)在循環(huán)時(shí)候分別帶動(dòng)上下門(mén)板朝相反方向運(yùn)動(dòng)，氣缸桿縮回時(shí)兩個(gè)防護(hù)門(mén)板同步反向開(kāi)啟，氣缸桿伸出時(shí)兩個(gè)防護(hù)門(mén)板同步同向關(guān)閉，不僅滿(mǎn)足了開(kāi)門(mén)的空間要求，還實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)氣缸行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩倍的門(mén)開(kāi)啟尺寸，兩倍開(kāi)啟速度。上下門(mén)板結(jié)構(gòu)類(lèi)似，門(mén)體重量互相抵消，大大降低動(dòng)力要求，不會(huì)因?yàn)槭?dòng)力情況下，自動(dòng)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(mén)的位置能較長(zhǎng)時(shí)間保持原有關(guān)閉狀態(tài)。

2.3 防護(hù)門(mén)設(shè)計(jì)的第二個(gè)問(wèn)題即大跨度的門(mén)板容易在運(yùn)行中卡死。數(shù)控切割機(jī)床門(mén)框架結(jié)構(gòu)多為鈑金折彎件或型材焊接框架。門(mén)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(méi)有必要對(duì)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(mén)剛性不足門(mén)板發(fā)生變形卡死;（3）單一動(dòng)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(jì)中兩側(cè)導(dǎo)軌選用直線(xiàn)導(dǎo)軌，門(mén)框架焊接精度直接影響門(mén)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(kāi)口方向的區(qū)別在下料、折彎、焊接過(guò)程有效的“防呆”，避免加工中出現(xiàn)錯(cuò)誤;另一方面插槽有一定的深度，各部件組合時(shí)候通過(guò)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(guò)程中，防護(hù)門(mén)剛性不足是造成卡死的重要原因，大跨度的門(mén)板，想要滿(mǎn)足足夠的剛性非常困難，在設(shè)計(jì)過(guò)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(mén)板與導(dǎo)軌滑塊連接處，四周進(jìn)行開(kāi)槽處理，通過(guò)門(mén)板運(yùn)行過(guò)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(wèn)題。

單一動(dòng)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(mǎn)足門(mén)工作動(dòng)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(wú)論是中間布置一個(gè)氣缸，或者靠近導(dǎo)軌兩側(cè)分別布置兩個(gè)氣缸，均無(wú)法避免結(jié)構(gòu)尺寸誤差造成兩側(cè)移動(dòng)速度不一致導(dǎo)致的卡死情況，既往經(jīng)驗(yàn)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(mén)框架底部設(shè)置一根傳動(dòng)軸，通過(guò)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(gè)整體，使兩側(cè)移動(dòng)速度時(shí)刻保持一致。

在安裝調(diào)試過(guò)程中，可在基本連接緊固的前提下，通過(guò)手推、電磁閥點(diǎn)動(dòng)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(jì)

見(jiàn)下圖。電氣控制元件：Y1 開(kāi)門(mén)閥，Y2關(guān)門(mén)閥，B1 開(kāi)門(mén)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，B2 關(guān)門(mén)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，S1 安全門(mén)開(kāi)關(guān)。

電氣工作原理：門(mén)通過(guò)電磁閥的開(kāi)關(guān)（Y1，Y2）動(dòng)作來(lái)使氣缸動(dòng)作帶動(dòng)整個(gè)安全門(mén)一起動(dòng)作。動(dòng)作完成后，在氣缸上有檢測(cè)氣缸的磁開(kāi)關(guān)（B1，B2）檢測(cè)氣缸是否到位。當(dāng)安全門(mén)關(guān)閉后通過(guò)插入式安全開(kāi)關(guān)檢測(cè)，安全開(kāi)關(guān)雙通道信號(hào)同時(shí)觸發(fā)，并將信號(hào)輸出到數(shù)控系統(tǒng)提供的安全集成功能，滿(mǎn)足歐盟 CE認(rèn)證的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某一數(shù)控激光切割設(shè)備防護(hù)門(mén)，在進(jìn)出物料時(shí)開(kāi)啟，切割工作時(shí)關(guān)閉防護(hù)的自動(dòng)控制。具有開(kāi)啟最大尺寸達(dá)到氣缸行程兩倍，開(kāi)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(dòng)力源驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，在失去動(dòng)力時(shí)候不會(huì)因自重迅速下落，運(yùn)行過(guò)程經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)安全可靠。整體結(jié)構(gòu)從密封性，電氣控制性均滿(mǎn)足歐盟CE 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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。