激光雕刻智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李岱松 張述

摘要：設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種激光雕刻智能生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了激光雕刻從物料分揀，到雕刻后組裝的全自動(dòng)化流程，包括生產(chǎn)線的布局、結(jié)構(gòu)和主要應(yīng)用技術(shù)。經(jīng)過(guò)應(yīng)用生產(chǎn)線運(yùn)行可靠，滿(mǎn)足智能化生產(chǎn)線的需求。

關(guān)鍵詞：激光雕刻; 柔性生產(chǎn)線; 智能制造

現(xiàn)如今，以智能制造為核心的新一輪產(chǎn)業(yè)革命如猛虎之勢(shì)席卷全球，世界各國(guó)積極布局國(guó)家戰(zhàn)略，以搶占改革先機(jī)。隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的新技術(shù)走進(jìn)了我們的視野，它們替代了傳統(tǒng)的工藝，提高了我們的生產(chǎn)效率。激光雕刻智能生產(chǎn)線正是在這樣的背景下被應(yīng)用研究。

1 生產(chǎn)線的功能與布局

激光雕刻智能生產(chǎn)線主要依靠工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、激光內(nèi)刻機(jī)完成物料的分揀、底座的加工、標(biāo)志的印刻、水晶圖案的內(nèi)雕、底座與水晶的組裝等工作。整套生產(chǎn)線通過(guò)PLC進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)物料從毛坯到成品，從分揀到組裝的全自動(dòng)化生產(chǎn)流程，在無(wú)人為干預(yù)的情況下，完成激光雕刻工藝品的制作。

生產(chǎn)線中選用兩臺(tái)潤(rùn)星HS-500T高精度鉆攻數(shù)控機(jī)床，采用三菱P80控制系統(tǒng)，一臺(tái)主要完成從毛坯料到底座的加工，形成槽面;另一臺(tái)主要完成底座上標(biāo)志的打印。搬運(yùn)機(jī)器人選用四臺(tái)六軸垂直多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，主要完成物料傳輸過(guò)程中搬運(yùn)、抓取等工作。分揀機(jī)器人選用一臺(tái)四軸水平工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人上安裝視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，可以對(duì)物料進(jìn)行拍照識(shí)別，分揀物料底座毛坯和水晶，所有工業(yè)機(jī)器人全部通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，由控制器控制各機(jī)器人進(jìn)行全自動(dòng)運(yùn)行。其中下料機(jī)器人加入了附加軸，用以物料的傳送，進(jìn)一步完善了機(jī)器人應(yīng)用的范圍。雕刻機(jī)經(jīng)過(guò)改造通過(guò)工業(yè)總線與系統(tǒng)相連，在系統(tǒng)調(diào)配下保持節(jié)拍，完成對(duì)水晶的內(nèi)雕。

2 生產(chǎn)線的應(yīng)用流程

1）“分揀平臺(tái)”為鋁型材框架平臺(tái)，平臺(tái)表面有底座和水晶的安裝槽口?！胺謷C(jī)器人”上裝有視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)“分揀平臺(tái)”上的物料進(jìn)行拍照，區(qū)分是水晶還是底座。

2）區(qū)分后通過(guò)機(jī)器人抓手分別可抓取水晶和底座，把其分揀到“底座平臺(tái)”和“內(nèi)刻料平臺(tái)”。

3）“上料機(jī)器人1”從“底座平臺(tái)”上抓取一個(gè)底座放置到“數(shù)控機(jī)床1”上加工水晶體安裝凹槽。

4）加工完成后“上料機(jī)器人1”從“數(shù)控機(jī)床1”取出底座，經(jīng)傳送裝置放置在“數(shù)控機(jī)床2”上打印標(biāo)志，完成后取出。

5）“上料機(jī)器人”從“數(shù)控機(jī)床2”上抓取一個(gè)加工完成的底座放置在傳輸平臺(tái)上傳輸，經(jīng)“下料機(jī)器人”抓取拿至“拋光機(jī)”，“拋光機(jī)”上對(duì)拋光表面進(jìn)行毛刺的拋光。拋光完成后“下料機(jī)器人”把底座抓取放置到“成品平臺(tái)”托盤(pán)上。

6）“分揀機(jī)器人”抓取一個(gè)水晶體把水晶體放置到“內(nèi)刻料”平臺(tái)上，“雕刻機(jī)器人”抓取“內(nèi)刻料”平臺(tái)的水晶放至“激光雕刻機(jī)”內(nèi)。

7）“激光雕刻機(jī)”啟動(dòng)按照雕刻模型進(jìn)行水晶雕刻，雕刻完成后，“雕刻機(jī)器人”抓取水晶從傳送“激光雕刻機(jī)”內(nèi)取出，放至傳輸平臺(tái)移動(dòng)到另一端。

8）“下料機(jī)器人”抓取雕刻好的水晶，判斷“成品平臺(tái)”是否已有底座，如有底座，將水晶放至在底座上，完成加工。

3 生產(chǎn)線的技術(shù)應(yīng)用

3.1 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)作為智能制造的代表，在生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)線中應(yīng)用五臺(tái)三菱F系列機(jī)器人，通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的示教編程和在線仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的分揀、搬運(yùn)、組裝等多種操作，同時(shí)結(jié)合夾爪，通過(guò)機(jī)器人完成機(jī)床的開(kāi)關(guān)門(mén)等擬人操作，作為該柔性生產(chǎn)線的核心技術(shù)，機(jī)器人的應(yīng)用為生產(chǎn)線的全自動(dòng)運(yùn)行提供了保障。

3.2 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)

在上料的物料分揀程序中，運(yùn)用了視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，從物料的輪廓、像素、邊沿位置三個(gè)特征屬性判別物料，判別水晶和底座，并通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行物料的分揀。同時(shí)，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議，識(shí)別信息不再經(jīng)過(guò)控制器，而是將判別信息直接傳遞給機(jī)器人，使識(shí)別信息的傳遞更為高效準(zhǔn)確，提高了識(shí)別效率。

3.3 冗余保護(hù)技術(shù)

在物料位置安放非接觸式傳感器和接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行冗余保護(hù)，通過(guò)傳感器檢測(cè)物料信息，確保在各物料位不會(huì)發(fā)生碰撞導(dǎo)致安全問(wèn)題，而有些料品位置受設(shè)備區(qū)域限制，無(wú)法安放傳感器，需要靈活運(yùn)用限位開(kāi)關(guān)，將在機(jī)器人上安放作為二次檢測(cè)保護(hù)，確保物料狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)相符。同時(shí)，根據(jù)不同需要在采用硬件保護(hù)的基礎(chǔ)上增加了軟件保護(hù)，冗余機(jī)制的應(yīng)用為系統(tǒng)的安全性提供了多重保護(hù)，確保了生產(chǎn)線的安全性。

3.4 激光內(nèi)雕技術(shù)

激光內(nèi)雕是在工藝品（水晶等透明或半透明材料）內(nèi)部進(jìn)行加工，在水晶內(nèi)部雕出預(yù)定的形狀，而水晶的其余部分則保持原樣完好無(wú)損。本生產(chǎn)線采用數(shù)字化技術(shù)將圖像在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和編輯，當(dāng)控制器發(fā)出雕刻信號(hào)，控制內(nèi)雕機(jī)自動(dòng)將編輯好的圖案打印到水晶中，可多次自動(dòng)雕刻打印。

3.5 工業(yè)控制技術(shù)

工業(yè)控制技術(shù)主要采用三菱Q系列PLC作為核心控制器，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)搭建控制系統(tǒng)，控制器的模塊化結(jié)構(gòu)及其開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。生產(chǎn)線的監(jiān)控采用通用PC機(jī)，無(wú)需專(zhuān)用操作站，且網(wǎng)絡(luò)接口簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)過(guò)程中充分發(fā)揮各拓展模塊功能，對(duì)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、水晶內(nèi)雕機(jī)、伺服系統(tǒng)等設(shè)備統(tǒng)籌控制，保證了生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)不僅能夠?yàn)楦咝Ｖ悄芸刂萍夹g(shù)、機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人等專(zhuān)業(yè)提供完善的教學(xué)案例，更能為企業(yè)智能制造化水平的提升提供可靠的解決方案。對(duì)激光雕刻生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不僅是對(duì)激光雕刻這種新興技術(shù)的推廣和升級(jí)，更是與智能制造相結(jié)合，是企業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)線革新的良好參照，有利于提高企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的智能化水平，進(jìn)一步提高我國(guó)的智能制造水平。

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作者簡(jiǎn)介：李岱松，男，1973.9.24，陽(yáng)師范大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

張述，女，1999.10.13，陽(yáng)師范大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

沈陽(yáng)師范大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110034