激光切割機上料機械手的研制

激光切割機上料機械手采用側(cè)框架為承重結(jié)構(gòu)、齒輪齒條為升降機構(gòu)、以導(dǎo)軌軸承組件與齒輪齒條組件組成橫移機構(gòu)，并采用真空吸盤的吸附方式以及以可編程序控制器PLC為核心組成控制電路，是代替人工抬動板料進行切割作業(yè)的一種自動化作業(yè)方式。激光切割機上料機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、裝拆方便、傳動精度高、實用性強、疲勞強度高、安全性能高、有效實現(xiàn)人機互換等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于物料的搬運和吊裝作業(yè)中。在廣泛開展市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，我司根據(jù)生產(chǎn)場地的實際情況，自行研發(fā)設(shè)計側(cè)框架懸臂式激光切割機上料機械手。目前國內(nèi)生產(chǎn)車間對部件的吊裝作業(yè)多采用傳統(tǒng)的吊裝方法，采用機械手吊裝可以在安全防護、工作效率等方面達到更高要求。本文分析了激光切割機上料機械手的理論基礎(chǔ)和技術(shù)難題，如上料機械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能、真空吊具性能、電氣控制、傳動部分，并通過理論分析應(yīng)用CAD/PROE等軟件生成工程圖和三維圖形，為整機的制作做好準備。技術(shù)問題與難點闡述我司新添置的激光切割機沒有配置上料裝置，操作者在進行二次搬運的作業(yè)過程中存在安全隱患和破壞原材料的風(fēng)險。目前國內(nèi)成套的吊裝設(shè)備也具備了相當?shù)囊?guī)模實力，但是對科技含量較高的自動化吊裝上料設(shè)備主要靠進口，價格也相對較高。怎樣實現(xiàn)各機構(gòu)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、自動化的控制方式、有效的人機結(jié)合和高精度的傳動效率，這些都成為擺在我們面前的技術(shù)難題。在沒有任何相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗積累的前提下，整個團隊進行了深入分析和研究，在廣泛開展市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，自行研發(fā)了符合生產(chǎn)現(xiàn)場實際的自動化吊裝設(shè)備。解決技術(shù)問題的方法和措施系統(tǒng)主要參數(shù)整機結(jié)構(gòu)尺寸為7441mm×3697mm×3602mm，X軸和Z軸電機功率均為1.5kW，最大承載重量為500kg，工件溫度為室溫，搬運方式為升降、橫移，X軸的移動距離為6500mm，Z軸的移動距離為1450mm，兩軸的重復(fù)定位精度均為±0.5mm，控制方式為自動/手動控制，生產(chǎn)節(jié)拍小于1分鐘，表面處理方式為烤漆（普通藍色），機械手各軸參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)目前，國內(nèi)生產(chǎn)車間的上料機械手多采用橋架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在空間利用率低的缺點。我司車間激光切割機切割的工件均為不銹鋼薄板（最大長度為2500mm，最大寬度為1250mm，厚度不大于2mm，重量小于35kg）。在保證上料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為了提高空間利用率，對整機采用側(cè)框架式結(jié)構(gòu)來代替橋架式結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了設(shè)計。對側(cè)框架結(jié)構(gòu)進行受力分析，得出其最大起重載荷為500kg，滿足搬運要求。激光切割機上料機械手由支撐框架、升降機構(gòu)、橫移機構(gòu)、機械手、控制部分（PLC）組成。該設(shè)備通過真空吸盤吸附板料，再由接觸器和控制器分別控制兩個主機，經(jīng)平移和升降機構(gòu)來達到對板料的搬運，實現(xiàn)機械化上下料，上料機械手模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。圖1上料機械手三維模擬圖圖2側(cè)框架式上料機械手⑴支撐框架。支撐框架各部件采用“硬”連接方式，便于組裝和拆卸。支撐框架和地面之間采用膨脹螺絲固定，各部件之間加連接板，可直接將各部件進行組裝和拆卸。主體支撐材料采用150mm×150mm的方管制作，中間加斜支撐結(jié)構(gòu)，整體框架結(jié)實耐用。⑵升降機構(gòu)和橫移機構(gòu)。升降機構(gòu)和橫移機構(gòu)均采用伺服電機、減速機、齒輪齒條、直線導(dǎo)軌和滑動軸承組成，能方便快捷的進行上下、左右移動。上下、左右行走輪采用軸承座上安裝兩個導(dǎo)向輪和一個定向輪的方式，這種方式可防止固定座移動時隨意游動，由于固定導(dǎo)軌采用硬質(zhì)合金，行走輪則采用全鋼質(zhì)輪。⑶機械手。不銹鋼薄板受外力作用容易產(chǎn)生扭曲變形和劃傷，在理論計算和進行反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，機械手抓取部分采用真空吸盤吸附方式，可最大限度地保護不銹鋼板材；為確保設(shè)備工作的連續(xù)性，每個吸盤都由彈簧和連接桿連接，保證了吸盤與工件接觸時有足夠的緩沖空間，避免板料因受力過大而產(chǎn)生變形。每個吸盤可以單獨進行控制，有效實現(xiàn)了不同規(guī)格和尺寸的板材進行上下料切割的作業(yè)，機械手原理如圖3所示。圖3上料機械手原理圖⑷電氣控制以可編程序控制器PLC為核心，采用低壓電器、基本控制電路以及電動機，可實現(xiàn)點動和連續(xù)控制。在自動作業(yè)的過程中，操作者可以通過控制面板實現(xiàn)暫停和繼續(xù)作業(yè)，也可以通過轉(zhuǎn)換按鈕轉(zhuǎn)換成手動操作。在運行過程中如果出現(xiàn)突然斷氣、斷電等意外情況，系統(tǒng)可自動報警從而觸發(fā)保壓裝置，避免出現(xiàn)板料意外跌落而造成更為嚴重的二次傷害。為了避免電機在反復(fù)啟動過程中發(fā)生啟停觸點燒蝕，乃至引起電機兩相過熱而燒毀的情況，在控制電路中采用了大電流的固態(tài)繼電器和變頻機械手。取得的實際效果以前在人工上下料作業(yè)過程中，需要3人同時作業(yè)才能完成上下料，整個作業(yè)過程需要10分鐘的時間，使用該自