激光雕刻智能生产线的设计与应用

李岱松 张述

摘要：设计并应用了一种激光雕刻智能生产线，实现了激光雕刻从物料分拣，到雕刻后组装的全自动化流程，包括生产线的布局、结构和主要应用技术。经过应用生产线运行可靠，满足智能化生产线的需求。

关键词：激光雕刻; 柔性生产线; 智能制造

现如今，以智能制造为核心的新一轮产业革命如猛虎之势席卷全球，世界各国积极布局国家战略，以抢占改革先机。随着科技的进步，越来越多的新技术走进了我们的视野，它们替代了传统的工艺，提高了我们的生产效率。激光雕刻智能生产线正是在这样的背景下被应用研究。

1 生产线的功能与布局

激光雕刻智能生产线主要依靠工业机器人、数控机床、激光内刻机完成物料的分拣、底座的加工、标志的印刻、水晶图案的内雕、底座与水晶的组装等工作。整套生产线通过PLC进行控制，可以实现物料从毛坯到成品，从分拣到组装的全自动化生产流程，在无人为干预的情况下，完成激光雕刻工艺品的制作。

生产线中选用两台润星HS-500T高精度钻攻数控机床，采用三菱P80控制系统，一台主要完成从毛坯料到底座的加工，形成槽面;另一台主要完成底座上标志的打印。搬运机器人选用四台六轴垂直多关节工业机器人，主要完成物料传输过程中搬运、抓取等工作。分拣机器人选用一台四轴水平工业机器人，机器人上安装视觉识别系统，可以对物料进行拍照识别，分拣物料底座毛坯和水晶，所有工业机器人全部通过工业网络与控制器进行实时通讯，由控制器控制各机器人进行全自动运行。其中下料机器人加入了附加轴，用以物料的传送，进一步完善了机器人应用的范围。雕刻机经过改造通过工业总线与系统相连，在系统调配下保持节拍，完成对水晶的内雕。

2 生产线的应用流程

1）“分拣平台”为铝型材框架平台，平台表面有底座和水晶的安裝槽口。“分拣机器人”上装有视觉系统，对“分拣平台”上的物料进行拍照，区分是水晶还是底座。

2）区分后通过机器人抓手分别可抓取水晶和底座，把其分拣到“底座平台”和“内刻料平台”。

3）“上料机器人1”从“底座平台”上抓取一个底座放置到“数控机床1”上加工水晶体安装凹槽。

4）加工完成后“上料机器人1”从“数控机床1”取出底座，经传送装置放置在“数控机床2”上打印标志，完成后取出。

5）“上料机器人”从“数控机床2”上抓取一个加工完成的底座放置在传输平台上传输，经“下料机器人”抓取拿至“抛光机”，“抛光机”上对抛光表面进行毛刺的抛光。抛光完成后“下料机器人”把底座抓取放置到“成品平台”托盘上。

6）“分拣机器人”抓取一个水晶体把水晶体放置到“内刻料”平台上，“雕刻机器人”抓取“内刻料”平台的水晶放至“激光雕刻机”内。

7）“激光雕刻机”启动按照雕刻模型进行水晶雕刻，雕刻完成后，“雕刻机器人”抓取水晶从传送“激光雕刻机”内取出，放至传输平台移动到另一端。

8）“下料机器人”抓取雕刻好的水晶，判断“成品平台”是否已有底座，如有底座，将水晶放至在底座上，完成加工。

3 生产线的技术应用

3.1 机器人技术

机器人技术作为智能制造的代表，在生产线中得到了广泛的应用。在生产线中应用五台三菱F系列机器人，通过对工业机器人的示教编程和在线仿真，实现了对物料的分拣、搬运、组装等多种操作，同时结合夹爪，通过机器人完成机床的开关门等拟人操作，作为该柔性生产线的核心技术，机器人的应用为生产线的全自动运行提供了保障。

3.2 视觉识别技术

在上料的物料分拣程序中，运用了视觉识别技术，从物料的轮廓、像素、边沿位置三个特征属性判别物料，判别水晶和底座，并通过机器人进行物料的分拣。同时，利用工业互联网IP协议，识别信息不再经过控制器，而是将判别信息直接传递给机器人，使识别信息的传递更为高效准确，提高了识别效率。

3.3 冗余保护技术

在物料位置安放非接触式传感器和接近开关进行冗余保护，通过传感器检测物料信息，确保在各物料位不会发生碰撞导致安全问题，而有些料品位置受设备区域限制，无法安放传感器，需要灵活运用限位开关，将在机器人上安放作为二次检测保护，确保物料状态与实际状态相符。同时，根据不同需要在采用硬件保护的基础上增加了软件保护，冗余机制的应用为系统的安全性提供了多重保护，确保了生产线的安全性。

3.4 激光内雕技术

激光内雕是在工艺品（水晶等透明或半透明材料）内部进行加工，在水晶内部雕出预定的形状，而水晶的其余部分则保持原样完好无损。本生产线采用数字化技术将图像在计算机上进行处理和编辑，当控制器发出雕刻信号，控制内雕机自动将编辑好的图案打印到水晶中，可多次自动雕刻打印。

3.5 工业控制技术

工业控制技术主要采用三菱Q系列PLC作为核心控制器，通过工业网络搭建控制系统，控制器的模块化结构及其开放性网络，保证系统具有良好的可扩展性。生产线的监控采用通用PC机，无需专用操作站，且网络接口简单。设计过程中充分发挥各拓展模块功能，对机器人、数控机床、水晶内雕机、伺服系统等设备统筹控制，保证了生产线的自动运行。

4 结语

本生产线的设计不仅能够为高校智能控制技术、机电一体化、工业机器人等专业提供完善的教学案例，更能为企业智能制造化水平的提升提供可靠的解决方案。对激光雕刻生产线的设计和应用，不仅是对激光雕刻这种新兴技术的推广和升级，更是与智能制造相结合，是企业设备和生产线革新的良好参照，有利于提高企业生产设备的智能化水平，进一步提高我国的智能制造水平。

参考文献：

[1]黄忠仕，冯甘泉.基于工业4.0的智能制造生产线实训设备设计[J].南方农机，2019（9）：24.

[2]赵云飞，陈彦池.基于激光雕刻的工艺品制作[J].现代盐化工，2018（5）：101-102.

[3]肖全，鞠全勇，苏醒.教学型智能制造生产线设计[J].机电技术，2019（6）：10-14.

作者简介：李岱松，男，1973.9.24，阳师范大学 美术与设计学院

张述，女，1999.10.13，阳师范大学 美术与设计学院

沈阳师范大学 辽宁 沈阳 110034