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侧框架悬臂式激光切割机上料机械手设计要点与

日期:2019-07-29 

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激光切割机上料机械手采用侧框架为承重结构、齿轮齿条为升降机构、以导轨轴承组件与齿轮齿条组件组成横移机构,并采用真空吸盘的吸附方式以及以可编程序控制器PLC为核心组成控制电路,是代替人工抬动板料进行切割作业的一种自动化作业方式。激光切割机上料机械手具有结构简单、工作效率高、装拆方便、传动精度高、实用性强、疲劳强度高、安全性能高、有效实现人机互换等优点,可广泛应用于物料的搬运和吊装作业中。在广泛开展市场调研的基础上,我司根据生产场地的实际情况,自行研发设计侧框架悬臂式激光切割机上料机械手。目前国内生产车间对部件的吊装作业多采用传统的吊装方法,采用机械手吊装可以在安全防护、工作效率等方面达到更高要求。本文分析了激光切割机上料机械手的理论基础和技术难题,如上料机械手系统的结构设计与功能、真空吊具性能、电气控制、传动部分,并通过理论分析应用CAD/PROE等软件生成工程图和三维图形,为整机的制作做好准备。


技术问题与难点阐述


我司新添置的激光切割机没有配置上料装置,操作者在进行二次搬运的作业过程中存在安全隐患和破坏原材料的风险。目前国内成套的吊装设备也具备了相当的规模实力,但是对科技含量较高的自动化吊装上料设备主要靠进口,价格也相对较高。怎样实现各机构合理的结构设计、自动化的控制方式、有效的人机结合和高精度的传动效率,这些都成为摆在我们面前的技术难题。在没有任何相关技术经验积累的前提下,整个团队进行了深入分析和研究,在广泛开展市场调研的基础上,自行研发了符合生产现场实际的自动化吊装设备。


解决技术问题的方法和措施


系统主要参数


整机结构尺寸为7441mm×3697mm×3602mm,X轴和Z轴电机功率均为1.5kW,最大承载重量为500kg,工件温度为室温,搬运方式为升降、横移,X轴的移动距离为6500mm,Z轴的移动距离为1450mm,两轴的重复定位精度均为±0.5mm,控制方式为自动/手动控制,生产节拍小于1分钟,表面处理方式为烤漆(普通蓝色),机械手各轴参数如表1所示。


系统主要结构


目前,国内生产车间的上料机械手多采用桥架式结构,这种结构存在空间利用率低的缺点。我司车间激光切割机切割的工件均为不锈钢薄板(最大长度为2500mm,最大宽度为1250mm,厚度不大于2mm,重量小于35kg)。在保证上料结构稳定的基础上,为了提高空间利用率,对整机采用侧框架式结构来代替桥架式结构,从而优化了设计。对侧框架结构进行受力分析,得出其最大起重载荷为500kg,满足搬运要求。激光切割机上料机械手由支撑框架、升降机构、横移机构、机械手、控制部分(PLC)组成。该设备通过真空吸盘吸附板料,再由接触器和控制器分别控制两个主机,经平移和升降机构来达到对板料的搬运,实现机械化上下料,上料机械手模拟结构如图1所示,实物如图2所示。

图1上料机械手三维模拟图

图2侧框架式上料机械手


⑴支撑框架。支撑框架各部件采用“硬”连接方式,便于组装和拆卸。支撑框架和地面之间采用膨胀螺丝固定,各部件之间加连接板,可直接将各部件进行组装和拆卸。主体支撑材料采用150mm×150mm的方管制作,中间加斜支撑结构,整体框架结实耐用。

⑵升降机构和横移机构。升降机构和横移机构均采用伺服电机、减速机、齿轮齿条、直线导轨和滑动轴承组成,能方便快捷的进行上下、左右移动。上下、左右行走轮采用轴承座上安装两个导向轮和一个定向轮的方式,这种方式可防止固定座移动时随意游动,由于固定导轨采用硬质合金,行走轮则采用全钢质轮。


⑶机械手。不锈钢薄板受外力作用容易产生扭曲变形和划伤,在理论计算和进行反复试验的基础上,机械手抓取部分采用真空吸盘吸附方式,可最大限度地保护不锈钢板材;为确保设备工作的连续性,每个吸盘都由弹簧和连接杆连接,保证了吸盘与工件接触时有足够的缓冲空间,避免板料因受力过大而产生变形。每个吸盘可以单独进行控制,有效实现了不同规格和尺寸的板材进行上下料切割的作业,机械手原理如图3所示。

图3上料机械手原理图


⑷电气控制以可编程序控制器PLC为核心,采用低压电器、基本控制电路以及电动机,可实现点动和连续控制。在自动作业的过程中,操作者可以通过控制面板实现暂停和继续作业,也可以通过转换按钮转换成手动操作。在运行过程中如果出现突然断气、断电等意外情况,系统可自动报警从而触发保压装置,避免出现板料意外跌落而造成更为严重的二次伤害。为了避免电机在反复启动过程中发生启停触点烧蚀,乃至引起电机两相过热而烧毁的情况,在控制电路中采用了大电流的固态继电器和变频机械手。


取得的实际效果


以前在人工上下料作业过程中,需要3人同时作业才能完成上下料,整个作业过程需要10分钟的时间,使用该自动化机械手后,只需一人操作就可完成对板料的上下料作业,时间只需要20秒。设备使用至今,效果良好,此项技术降低了工人的劳动强度、不锈钢板材的折损率、劳务费的支出、人身安全隐患以及机损事故,提高了生产效率。


作者简介:曾兵,工程分公司总经理,电梯技师,从事电梯行业工作二十余年,具有丰富的实际工作经验,是四川省绵阳市“曾兵技能大师工作室”领办人,以及四川省绵阳市的“特种设备应急专家库”成员、“突出贡献中青年拔尖人才”和“十大金牌工人”。


——摘自《钣金与制作》2019年第5期

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