石杰

摘要：目前市場(chǎng)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(diǎn)，給產(chǎn)品多樣性生產(chǎn)造成了困擾。針對(duì)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(chǎng)需求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了彈簧片激光切除設(shè)備。利用激光切割手動(dòng)，結(jié)合物料自動(dòng)定位和精確移動(dòng)，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(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的共用，符合柔性生產(chǎn)理念。通過(guò)解決送料精度問(wèn)題、定位問(wèn)題、激光切割選型問(wèn)題、激光參數(shù)驗(yàn)證以及排料等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的。

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

中圖分類號(hào)：TG485

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492f 2022）02-0166-04

0 引言

疫情當(dāng)下，對(duì)企業(yè)的生存帶來(lái)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(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)作業(yè)，這不僅解放了重體力勞動(dòng)，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(jìng)爭(zhēng)力。

目前國(guó)外以美國(guó)、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的激光切割已經(jīng)形成了一個(gè)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(guò)40%的激光器是做切割用途的。國(guó)際上具有代表性的激光切割機(jī)設(shè)備制造商有德國(guó)通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC、意大利PRIMA、美國(guó)WHIT-NEY公司和日本TANAKA公司等。這些國(guó)際知名公司已陸續(xù)開(kāi)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(dòng)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(kāi)始由人工來(lái)進(jìn)行切割彈簧片會(huì)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(guò)使用激光切割可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，激光束照射到彈簧片的表面上時(shí)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(huì)很少，以此來(lái)切割開(kāi)的彈簧片造成的變形很小或者沒(méi)有變形。

所以通過(guò)以上的問(wèn)題設(shè)計(jì)研發(fā)了以送料機(jī)構(gòu)、相對(duì)應(yīng)的受臺(tái)、合適的激光切頭配合可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)激光切割機(jī)的自動(dòng)送料、自動(dòng)激光切割、自動(dòng)排料為主要手段的自動(dòng)化設(shè)備。

1 彈簧片間自動(dòng)切除方案

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

需要切割的彈簧片料板是由多個(gè)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(tái)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(jì)

作為初期的比較理想的設(shè)備設(shè)計(jì)思路，會(huì)根據(jù)具體的實(shí)用性、動(dòng)作方式及應(yīng)用范圍展開(kāi)設(shè)計(jì)。

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(dòng)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(dòng)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(dòng)元件驅(qū)動(dòng)夾料氣缸50往彈簧片方向移動(dòng)，激光切料機(jī)構(gòu)用于對(duì)夾持的彈簧片進(jìn)行切料，盛余料機(jī)構(gòu)對(duì)激光切料機(jī)構(gòu)所切下的余料進(jìn)行盛放。

在對(duì)彈簧片進(jìn)行余料切除時(shí)，先對(duì)激光切料機(jī)構(gòu)進(jìn)行精度設(shè)定，以保障對(duì)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(yùn)送至夾料機(jī)構(gòu)，由夾料驅(qū)動(dòng)元件帶動(dòng)夾料氣缸50對(duì)彈簧片進(jìn)行夾持，再由激光切料機(jī)構(gòu)對(duì)彈簧片的余料進(jìn)行切除，在切除的同時(shí)由盛余料機(jī)構(gòu)對(duì)所切下來(lái)的余料進(jìn)行盛接，通過(guò)自動(dòng)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(shí)對(duì)所切下的余料進(jìn)行收集以便于對(duì)該激光切料設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高使用壽命。

1.2 實(shí)際設(shè)備整體

因?yàn)樗枰懈畹膹椈善^為輕薄，最終沒(méi)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(jiǎn)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(dòng)元件等部分組成。如圖4、5所示。

1.3 自動(dòng)激光切割工藝難點(diǎn)

（1）由人放料到治具時(shí)定位問(wèn)題，所以需要彈簧片的定位、有無(wú)料問(wèn)題。

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

（3）由于工人長(zhǎng)時(shí)間做重復(fù)動(dòng)作，使彈簧片放反，會(huì)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(shuō)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(tái)，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(dòng)，也就是圖2的治具。

2.2 清潔機(jī)構(gòu)

激光切割時(shí)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(diǎn)，同時(shí)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(duì)彈簧片進(jìn)行切割時(shí)，會(huì)產(chǎn)生刺激性氣體，氣體通過(guò)排氣管道排出，如果不及時(shí)將氣體排出就可能會(huì)對(duì)操作的工人產(chǎn)生危害。

2.3 切割工作平臺(tái)治具的設(shè)計(jì)

彈簧片切割時(shí)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(shí)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(guò)圖6實(shí)驗(yàn)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(shí)，可以剛好放在兩個(gè)定位銷上進(jìn)行定位，操作簡(jiǎn)單并且效率較快，可以節(jié)省大量時(shí)間，如果出現(xiàn)微小定位誤差時(shí)調(diào)整也相對(duì)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(duì)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(dòng)送料盤移動(dòng)至切割機(jī)內(nèi)部，在完成切料后，送料馬達(dá)將會(huì)帶動(dòng)送料盤內(nèi)切好的彈簧片送到原點(diǎn)，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(jiàn)控制方式

在目前市場(chǎng)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(guó)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(shí)用的控制系統(tǒng)時(shí)，都需要經(jīng)過(guò)層層篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加智能、精確的自動(dòng)化技術(shù)[6]。

3.2 控制系統(tǒng)的選用

經(jīng)過(guò)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(lái)作為切割控制，原因是可編程控制器使用時(shí)只需要經(jīng)過(guò)程序員的編程就可以快速控制，它還有非常多的特點(diǎn)，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(jì)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(dòng)調(diào)整模式和自動(dòng)切割模式，運(yùn)用觸摸屏對(duì)各切割點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)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(hào)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(dòng)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(guò)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(dòng)路線數(shù)據(jù)及切割點(diǎn)位，保存后復(fù)位即可按照最新設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行。

4 設(shè)備解決的關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中主要解決了以下關(guān)鍵點(diǎn)。

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

（2）高精度的雙導(dǎo)軌定位為白動(dòng)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(gè)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(guò)對(duì)送料盤的設(shè)計(jì)改善，再配合專用的激光頭來(lái)達(dá)到自動(dòng)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(wú)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(kāi)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(yǔ)

綜上所述，在信息技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，激光切割技術(shù)在發(fā)展的過(guò)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(guò)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(gè)行業(yè)應(yīng)用的過(guò)程中將發(fā)展的更成熟。

本文通過(guò)對(duì)激光切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的XY兩軸工作平臺(tái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了彈簧片的自動(dòng)切割，雖說(shuō)目前市場(chǎng)上也有眾多的白動(dòng)切割機(jī)，但自行設(shè)計(jì)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(shí)行白動(dòng)化乃至智能全自動(dòng)，這些都可以為公司減輕勞動(dòng)力不足的困擾。本文設(shè)計(jì)的設(shè)備具有以上所述的優(yōu)良特性，極具實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊伏元，汪焰，史江波.提高激光焊激光頭護(hù)鏡使用壽命的改進(jìn)與應(yīng)用[C]//2019中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2019.

[2]文楊昊.激光技術(shù)在金屬材料加工工藝中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬，2020（23）：133-134.

[3]李亞江，激光焊接/切割/熔覆技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[4]牛鵬勇.金屬材料加工工藝中激光技術(shù)應(yīng)用分析[J].信息記錄材料，2020（11）：27-28.

[5]趙士龍.數(shù)控激光切割機(jī)床和垂直進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].橡塑技術(shù)與裝備，2020（8）：50-57.

[6]李建全.電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)及節(jié)能措施[J].智能城市，2021（3）：79-80.

[7]蔣莉莉.可編程控制器在電氣控制中的應(yīng)用分析[J].科技風(fēng)，2019（26）：76.

[8]馮永濤，郗子瑞，李嘉鵬.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制[J].電子測(cè)試，2021（2）：125-126.

[9]馮瑩彰.PLC和觸摸屏在連接器自動(dòng)加工機(jī)中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2021（1）：146-147.

[10]李云妹，謝祖華.激光技術(shù)在金屬材料加工中的應(yīng)用[J].冶金與材料，2020（10）：78-79.