悬臂型自动化设备在激光切割加工中的研究与应用

张礼峰 万 灿

（江苏金方圆数控机床有限公司，扬州 225127）

目前，钣金加工设备正处于快速发展阶段，尤其激光加工技术在钣金加工方面得到了广泛应用，市场需求也越来越多。但是，很多工厂面临一些问题：一是招工难，人员流动性大；二是技术工人熟练度不高，生产效率低；三是产品质量不稳定。此背景下，客户对钣金加工生产线的个性化需求不断提高，使得激光切割机单机加工朝着智能化和自动化的钣金柔性生产线方向不断发展。本文主要介绍一种悬臂型自动化设备及其在激光切割加工中的几种应用布局，通过统一的信息化控制，将其与激光切割机有机结合，能够提升生产效率，降低用工成本，最大限度提升设备的综合产能。

1 悬臂型自动化设备

悬臂型自动化设备由提升机构、旋转机构、上下料复合机械手、测双料装置、上料定位装置、安全防护以及电气通信部分组成。此自动化设备优势明显，可与3 m×1.5 m或4 m×2 m台面的激光切割机配套，最大处理板厚可达到12 mm（420 kg或750 kg），能够满足客户大部分的需求。此外，该设备开放性好，方便原材料放置和下料码垛的成品转运[1]。

1.1 提升机构

提升机构是悬臂型自动化设备的主要部件。它的立柱由大截面、高强度的型钢制作而成，具有强度高和稳定性好的优点。整个设备在运行过程中可靠性好，振动小，无噪声。提升机构采用重载直线导轨进行导向。链轮链条传动结构通过配重结构设计，在提升机构设计选型时能够有效控制减速电机的大小，同时可以提高提升机构的动态性能，并通过变频器+编码器的闭环控制方式保证运动精度。

1.2 旋转机构

旋转机构由悬臂梁、回转传动机构以及插销定位机构组成。其中：悬臂梁由高强度厚板折弯焊接而成，强度高，变形量小；回转传动机构为大小伞齿轮传动结构，同时回转中心采用关节轴承支撑结构，承载高，稳定性好，可保证整个旋转运动平稳流畅；插销定位机构可在悬臂梁旋转至设定位置时进行精确定位，定位精度高。

1.3 上下料复合机械手

上下料复合机械手是悬臂型自动化设备的重要部件，由上料机械手和下料机械手复合而成。上料机械手由铝型材拼装而成，结构简单，外观美观，并配备一定数量的真空吸盘。真空吸盘位置可根据板材实际尺寸进行调整，且采用了分区控制方式，可满足客户大部分标准规格板材的要求。下料机械手采用对叉的结构方式，直线导轨导向+链轮链条的驱动结构，结合减速电机双边驱动的方式，运动稳定可靠。下料货叉由工业钢管组成，钢管布置密度高，拆卸方便，与激光切割机工作台齿板密度匹配，可满足小料的下料需要。下料机械手具有下料高度自适应功能，可根据下料码垛的高度实时调整下料机械手的卸料高度，以满足下料码垛整齐的要求，还能在一定程度上减少零件划伤[2]。

1.4 测双料装置

测双料装置通过夹爪机构利用位移传感器测量板材厚度。机械手吸取板材时，夹爪机构会夹紧板材。位移传感器将模拟量信号发送至数控系统，系统将从位移传感器提取的数据与预先设置的数据进行比对，判断机械手是否只吸取了一张板材。此装置可防止机械手一次性吸取两张或多张板材，避免后续加工环节出现异常事故。

2 悬臂型自动化设备在激光切割加工中的几种应用布局

此悬臂型自动化设备应用布局多样，可根据客户的个性化定制需求和客户厂房的空间要求，选择不同的应用布局。下面介绍几种主要的布局。

2.1 三工位布局

悬臂型激光切割生产线三工位布局是最经典的布局方式。上料、下料各一个工位，激光切割机工作台一个工位，三者分布在互相垂直的3个方向上，具体布局如图1所示。

图1 三工位布局

2.1.1 自动上料

人工通过叉车或行车将一垛原材料放置在上料工位，并与X、Y两个方向定位装置靠齐。操作人员确认加工前准备工作都完成的情况下，在激光切割机操作界面上点击“加工开始”按钮，使激光切割机向悬臂自动化设备发送上料请求信号[3]。

上料机械手下降至板材上表面时，提升机构停止动作，真空系统根据板材规格大小打开对应的真空吸盘吸取板材。在这个过程中，板材气动分张机构开始作业，将第一张板材与下面的板材分开，然后测双料机构检测板材厚度。经过数据对比，如果确认是单张板材，则继续执行上料动作。成功吸取板材后，旋转机构旋转至激光工作台上方，真空系统断气，随后将板材放置在激光切割机工作台上，提升机构抬起并返回上料工位。再次执行上料流程，对激光切割机的另一工作台进行上料。

2.1.2 激光切割加工

上料完成后，发送信号给激光切割机。激光切割机接收到信号后，使带有板料的工作台自动移动至激光切割区域启动加工程序，此时激光切割机开始对板材进行切割加工。

2.1.3 自动下料

激光切割加工完成后，激光工作台开出加工区域，然后给悬臂型自动化设备发送下料请求信号。接收到信号后，下料机械手旋转至工作台上方，打开下料货叉并将切割的零件叉起旋转至下料工位，启动卸料高度自适应功能，将切割好的工件整齐码垛在下料工位。自动上料、激光切割加工、自动下料循环，可实现整个激光切割加工的全自动化与无人化。

2.2 配单列库三工位布局

配单列库三工位布局（见图2）可实现长时间无人化工作。单列仓库主要具备板材存储管理和自动转运功能，可提高仓储利用率，大幅降低物流强度和土地成本，使员工专注于核心工作，从而获得更稳定的产品质量和更高的生产效益[4]。

图2 配单列库三工位布局

2.2.1 单列库存储和板料转运

（1）存储。人工通过叉车或行车将一垛板材放置在单列库入库口，并与定位杆靠齐。堆垛机将垛板料转运至仓库指定货格，并在操作系统中输入板材规格信息。以此循环操作，将激光切割加工所需板料全部存储至单列库货格。

（2）转运。根据激光切割机发送的上料请求信号，单列库将对应规格的一垛板料从货格中取出，并通过出料机构自动转运至悬臂自动化设备上料工位。

2.2.2 无人化工作

根据生产计划任务对板材规格的要求，此布局可通过单列仓库自动切换原材料板材规格，实现24 h无人化工作，大大降低了设备对人员的依赖，提高了生产效率。

2.3 三工位零件自动分拣码垛布局

下料码垛后，前述两种布局会导致零件和废料叠加在一起，需要进行人工分拣，严重影响了工作效率，且不能满足切割好的零件自动转至折弯工序的要求[5]。在此背景下，介绍一种三工位零件自动分拣码垛布局方案，如图3所示。

图3 三工位零件自动分拣码垛布局

2.3.1 自动分拣

激光切割加工完成后，上下料机械手旋转至工作台上方。上料机械手的所有真空吸盘都通过总线阀组单独控制。分拣码垛软件解析零件加工程序，根据解析结果确认加工零件的位置和形状信息，并根据这些信息控制总线阀组系统打开对应的真空吸盘，将切割好的零件分拣吸起。

2.3.2 废料自动下料和零件自动码垛

下料机械手将废料叉起，机械手旋转至下料及分拣工位，同时废料车移动至此工位。机械手先将废料卸载到废料车上，待废料车开离下料及分拣工位，机械手再将零件整齐码垛在分拣工位上。如此循环，可实现上料、激光切割加工、分拣码垛以及下料等一系列自动化操作流程。

3 结语

本文介绍了一种悬臂型自动化设备及其与激光切割机配套的几种布局方案。通过分析可知，该设备与激光切割机组成的柔性生产线不但能增加产能，提高生产效率和设备回报率，还能让企业在未来的市场竞争中占据优势地位。