基于工业4.0的激光雕刻装置的制造方法
【专利摘要】基于工业4.0的激光雕刻装置，涉及激光雕刻设备。设有用户模块、通信模块、电气控制模块和机械模块；所述用户模块设有手机客户端和ERP管理系统；所述ERP管理系统连入互联网，与云服务器保持实时连接；通信模块同时连接用户模块与电气控制模块，通信模块设有云服务器和3G路由器；所述电气控制模块连接至机械模块，电气控制模块设有PLC控制器、伺服驱动器和HMI触摸屏；所述机械模块设有入库区、线性模组、直线导轨、加工工位、真空吸盘、激光器、出库区和负载底座。可按需求定制个性产品，付款下单直至加工完成无需人工操作，生产效率高；可更全面实时监控加工状态；移动精度高，可雕面积更大，有益于增加产品的美感。
【专利说明】
基于工业4.0的激光雕刻装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及激光雕刻设备，尤其是涉及一种基于工业4.0的激光雕刻装置。
【背景技术】
[0002]互联网进入传统行业，不是跨界的资源掠夺，而是融合的利益分享。“工业4.0”是互联网改造传统制造业的核心，也是制造业互联网思维的重要体现。因此，在数字化、智能化、网络化的全球大环境下，“工业4.0”与互联网+的碰撞，将明确传统制造企业转型升级方向，更好地帮助传统制造业借助移动互联、云计算、大数据、物联网等信息化技术优化生产环节和供应链，减少原材料用量和环境负荷，从而满足未来市场更快速、更个性化的需求响应，并实现更低的制造成本。而现今的激光雕刻制造业，普遍存在如下缺点:1.不具备定制化生产能力;2.耗费太多人力;3.生产状态不易实时掌握。
[0003]中国专利CN202183030公开一种激光切割机智能化数控系统，该系统包含有激光切割工艺数据库，用于存储管理所述激光切割机智能化计算机数控系统的所有程序文件、机床状态、用户程序和加工状态数据。但该系统目的在于改进加工过程中的数据反馈处理，不具备存储管理用户信息及订单信息的功能。而且数据库建立在本地工业计算机上，面临着一定的现场突发状况。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供完全自动化、满足用户个性化需求并且数据交互高效稳定的一种基于工业4.0的激光雕刻装置。
[0005]本实用新型设有用户模块、通信模块、电气控制模块和机械模块；
[0006]所述用户模块设有手机客户端和ERP管理系统；
[0007]所述手机客户端用于提供预先设置的雕刻图案供用户选择，允许用户上传自己的图案、输入一串英文字符串、选择特定的原料颜色，并且具有在线支付和在线查询功能，用户先填写必要个人信息，然后付款下单后，可用的用户信息、图案编号、原料颜色、英文字符串和用户上传的图案文件将通过Php或java传入通信模块中的云服务器，下单后，用户根据订单号随时在线查询订单当前状态；
[0008]所述ERP管理系统连入互联网，与云服务器保持实时连接，获取用户信息、订单信息以及加工状态信息，实时显示在上位机界面上；
[0009]所述通信模块同时连接用户模块与电气控制模块，通信模块设有云服务器和3G路由器，云服务器具有用户数据库、订单数据库、加工状态数据库；
[0010]所述3G路由器用于实现云服务器与电气控制模块之间的数据传递，其内置封装与解封装TCP/IP报文的程序，3G路由器内插移动电话卡，并且配备天线及RS-485串口，通过移动网络与云服务器建立连接，3G路由器解封装TCP/IP报文并获取数据后，通过串口写入电气控制模块，电气控制模块向云服务器反馈数据时，上述数据处理过程则相反；
[0011 ]所述电气控制模块连接至机械模块，电气控制模块设有PLC控制器、伺服驱动器和HMI触摸屏；
[0012]所述PLC控制器内置运动控制模块，PLC控制器接收3G路由器的串口报文产生特定指令，将结果以串口报文形式反馈给云服务器，随即开始加工任务；
[0013]所述HMI触摸屏通过RS-232串口与PLC控制器相连；
[0014]所述机械模块设有入库区、线性模组、直线导轨、加工工位、真空吸盘、激光器、出库区和负载底座；
[0015]所述入库区设有三个原料口，每个原料口设有一个光电传感器和一个推进气缸，根据用户所选的原料颜色，推进气缸推出对应的原料；
[0016]所述线性模组搭建在X，Y两个方向上，每个方向均由一个单轴机器人与一个伺服电机连接组成，每个单轴机器人上设有两个行程开关和一个微型光电传感器，微型光电传感器用于标定行程原点，X方向单轴机器人的一端固定在Y方向单轴机器人的滑台上，X方向单轴机器人的另一端固定在直线导轨的滑台上，直线导轨用于平衡线性模组的重心，避免运动抖动；
[0017]所述加工工位包括双轴气缸、夹紧气缸、旋转气缸和加工平面，夹紧气缸夹取原料，配合加工平面使原料处于水平，夹紧气缸连接旋转气缸实现对原料的水平翻转；
[0018]所述真空吸盘与激光器固定在X方向单轴机器人的滑台的不同位置上，在行程平面内自由移动，真空吸盘从入库区吸取原料，移到加工工位，待加工完成后再将成品移到出库区，真空吸盘连接至气缸实现上下移动，激光器连接至PLC控制器的输出端；
[0019]所述出库区是铝制三角形轨道，出库区固定在负载底座的边缘；
[0020]所述负载底座为矩形铁板，承载机械模块的其他部件，采用多螺纹孔设计，根据原料大小调整加工工位和出库区的物理位置。
[0021]本实用新型的有益效果是:由于用户模块与通信模块均接入互联网，用户可按照自己需求定制个性产品，付款下单直至加工完成无需人工操作，不仅极大地提高了销售生产效率，还减少了大量人力成本；由于云服务器远离工厂，不仅安全存储重要生产数据，而且避免了现场断电、资料窃取和人为破坏等工业现场突发情况，真正意义上成为了设备的数据中枢；由于云服务器可通过3G路由器远程读写PLC控制器，因此配合传感器与执行器，本实用新型可更全面地实时监控加工状态；由于ERP管理系统可以通过网络访问数据库，因此在地点上变得更加灵活；由于线性模组选用了单轴机器人及伺服电机，加工工位配备了旋转气缸，因此不仅移动精度比普通激光雕刻机高很多，而且可雕面积更大，有益于增加产品的美感。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型实施例的设备架构图。
[0023]图2为本实用新型实施例的整体机械图。
[0024]图3为本实用新型的机械模块结构图。
[0025]图4为本实用新型的加工工位细节结构图。
【具体实施方式】
[0026]以下通过实施例结合附图对本实用新型作进一步的描述。
[0027]参见图1?4，本实用新型实施例设有用户模块1、通信模块2、电气控制模块3和机械模块4;
[0028]所述用户模块I设有手机客户端11和ERP管理系统12;
[0029]所述手机客户端11为展示产品的网页或移动应用，用于提供预先设置的雕刻图案供用户选择，允许用户上传自己的图案、输入一串英文字符串、选择特定的原料颜色，并且具有在线支付和在线查询功能，首先提示用户输入必要个人信息，用户选购图案或上传图案、选择原料颜色并输入英文字符串后，该模块获取用户信息及订单信息以向用户确认，用户确认订单并付款后，可用的用户信息、图案编号、原料颜色、英文字符串和用户上传的图案文件将通过Php或java传入通信模块2。下单后，用户可通过根据订单号查询订单加工状态与物流状态。
[0030]所述ERP管理系统12连入互联网，与云服务器保持实时连接，获取用户信息、订单信息以及加工状态信息，实时显示在上位机界面上；
[0031]所述通信模块2同时连接用户模块I与电气控制模块3，通信模块2设有云服务器21和3G路由器22，云服务器21具有用户数据库、订单数据库、加工状态数据库；
[0032]所述3G路由器22用于实现云服务器21与电气控制模块3之间的数据传递，其内置封装与解封装TCP/IP报文的程序，3G路由器22内插移动电话卡，并且配备天线及RS-485串口，通过移动网络与云服务器21建立连接，3G路由器22解封装TCP/IP报文并获取数据后，通过串口写入电气控制模块3，电气控制模块3向云服务器22反馈数据时，上述数据处理过程则相反；
[0033]所述电气控制模块3连接至机械模块4，电气控制模块3设有PLC控制器31、伺服驱动器32和HMI触摸屏33;
[0034]所述PLC控制器31内置运动控制模块，PLC控制器31接收3G路由器22的串口报文产生特定指令，将结果以串口报文形式反馈给云服务器21，随即开始加工任务。
[0035]所述HMI触摸屏33通过RS-232串口与PLC控制器31相连。
[0036]在图2中，标记5为铝型材框架及亚克力板，6为散热风扇。
[0037]所述机械模块4设有入库区41、线性模组42、直线导轨43、加工工位44、真空吸盘45、激光器46、出库区47和负载底座48;
[0038]所述入库区41设有三个原料口，每个原料口设有一个光电传感器和一个推进气缸，根据用户所选的原料颜色，推进气缸推出对应的原料；
[0039]所述线性模组42搭建在X，Y两个方向上，每个方向均由一个单轴机器人与一个伺服电机连接组成，每个单轴机器人上设有两个行程开关和一个微型光电传感器，微型光电传感器用于标定行程原点，X方向单轴机器人的一端固定在Y方向单轴机器人的滑台上，X方向单轴机器人的另一端固定在直线导轨43的滑台上，直线导轨43用于平衡线性模组42的重心，避免运动抖动；
[0040]所述加工工位44包括双轴气缸441、夹紧气缸442、旋转气缸443和加工平面444，夹紧气缸442夹取原料，配合加工平面使原料处于水平，夹紧气缸442连接旋转气缸443实现对原料的水平翻转；
[0041]所述真空吸盘45与激光器46固定在X方向单轴机器人的滑台的不同位置上，在行程平面内自由移动，真空吸盘从入库区吸取原料，移到加工工位，待加工完成后再将成品移到出库区，真空吸盘连接至气缸实现上下移动，激光器连接至PLC控制器的输出端；
[0042]所述出库区47是铝制三角形轨道，出库区47固定在负载底座48的边缘；
[0043]所述负载底座48为矩形铁板，承载机械模块4的其他部件，采用多螺纹孔设计，根据原料大小调整加工工位和出库区的物理位置。
[0044]通信模块2同时连接用户模块与电气控制模块，其包括云服务器21与3G路由器22，云服务器21具有用户数据库、订单数据库、加工状态数据库及数据处理程序，所述数据处理程序接收用户模块传入的用户信息和订单信息，同时实时读取电气控制模块3的运行状态，更新用户数据库、订单数据库和加工状态数据库;对于用户自行上传的图案，数据处理程序对图案进行平滑滤波和二值化处理，将二值图像处理成G代码文件，存入订单数据库；下发订单时，数据处理程序首先确定此时机械模块4是否空闲，若机械模块4空闲，则数据处理程序将可用的图案编号、原料颜色、英文字符串和G代码文件转化为电气控制模块可读取的串口报文，由服务器底层封装成TCP/IP报文，通过网络发送至3G路由器22，同时在订单数据库中修改订单状态为“正在加工”。
[0045]3G路由器22内插移动电话卡，内置封装与解封装TCP/IP报文的程序，并且配备天线及RS-485串口。3G路由器22通过移动网络与云服务器21建立连接，通过RS-485串口与电气控制模块3建立连接。云服务器21发送的TCP/IP报文中数据段为串口报文，因此TCP/IP报文由天线进入3G路由器22后，经解封获得数据段的串口报文，从RS-485串口输入电气控制模块3。反过来，电气控制模块3输入3G路由器22的串口报文将被封装为TCP/IP报文，由天线发往云服务器21。
[0046]控制模块3包括PLC控制器31、伺服驱动器32和HMI触摸屏331LC控制器内置运动控制模块，PLC控制器根据3G路由器传入的不同串口报文执行读寄存器或写寄存器命令。在本例中，PLC控制器将图案编号、原料颜色、英文字符串和G代码写入不同的寄存器中。随后开始执行加工任务，PLC控制器31读取各传感器的值，控制执行器通断，其中的运动控制模块通过伺服驱动器控制伺服电机转动。
[0047]所述HMI触摸屏通过RS-232串口与PLC控制器连接，通过对触摸屏编程，实现其现场控制的功能。
[0048]机械模块4包括入库区41、线性模组42、直线导轨43、加工工位44、真空吸盘45、激光器46、出库区47和负载底座48。
[0049]本实施例中优选的被雕原料是长宽厚分别为6cm，6cm和Icm的木片，并且设计有红黄蓝三种颜色，因此入库区41具有三个原料口，每个原料口设有一个光电传感器和一个推进气缸，根据用户所选的原料颜色，推进气缸推出对应的原料，光电传感器用于检测原料是否不足。
[ΟΟδΟ]线性模组42搭建在X ,Y两个方向上，每个方向均由一个单轴机器人与一个伺服电机连接组成，伺服电机与单轴机器人内的滚珠丝杠紧密连接，滚珠丝杠转动时带动滑台做线性运动。每个单轴机器人上设有两个行程开关和一个微型光电传感器，微型光电传感器用于标定行程原点，X方向单轴机器人的一端固定在Y方向单轴机器人的滑台上，另一端固定在直线导轨43的滑台上，直线导轨43用于平衡线性模组的重心，避免运动抖动。
[0051]真空吸盘45与激光器46固定在X方向单轴机器人的滑台的不同位置上，在行程平面内自由移动，真空吸盘45从入库区41吸取原料，移到加工工位44，待加工完成后再将成品移到出库区47，真空吸盘45连接至气缸实现上下移动，激光器46由PLC控制器31的输出端控制通断。
[0052]加工工位44包括双轴气缸441、夹紧气缸442、旋转气缸443及加工平面444。
[0053]真空吸盘45将木片移送至加工工位44后，加工平面444被双轴气缸441推到加工位置，上表面托放木片，夹紧气缸442在两侧夹紧木片，激光器46在木片正面完成图案雕刻后，双轴气缸441向后拉回加工平面444，然后旋转气缸443带动夹紧气缸441水平旋转180度，双轴气缸441再次推进加工平面444，使其上表面托放木片，激光器46随即开始雕刻反面英文字符串。
[0054]加工过程中，传感器与执行器的状态均反映在PLC控制器的寄存器中，因此云服务器21通过发送“读寄存器”的串口报文，可实时获取加工状态信息并更新加工状态数据库，用户可在手机客户端11随时查询产品加工状态。
[0055]当加工任务全部完成时，真空吸盘45吸取木片，移送至出库区47。随后产品通过快递方式发送给用户，用户根据快递单号在手机客户端11查询物流状态。
[0056]在整个销售生产流程中，ERP管理系统12连入互联网，保持与云服务器21的通信，从用户数据库、订单数据库和加工状态数据库获取所需信息，通过编程转化为直观的数据显示在上位机界面上，工厂管理层可通过ERP管理系统12实现对用户信息和订单信息的动态管理，以及对加工状态的实时监测。
[0057]本实用新型的用户模块具有面向用户与面向工厂的两部分，用户能够定制产品的加工信息并将订单信息传入通信模块，工厂能够动态管理用户信息及订单信息，并且监控加工状态;通信模块实现对信息的管理，加工数据远程发送至电气控制模块;电气控制模块获取加工数据，控制机械模块自动完成入库、加工和出库的过程，并实时反馈加工状态至通信模块。整套系统满足了工业4.0时代数字化企业平台对网络通信、数据处理和定制的要求。
【主权项】
1.基于工业4.0的激光雕刻装置，其特征在于设有用户模块、通信模块、电气控制模块和机械模块； 所述用户模块设有手机客户端和ERP管理系统;所述手机客户端用于提供预先设置的雕刻图案供用户选择;所述ERP管理系统连入互联网，与云服务器保持实时连接，获取用户信息、订单信息以及加工状态信息，实时显示在上位机界面上； 所述通信模块同时连接用户模块与电气控制模块，通信模块设有云服务器和3G路由器，云服务器具有用户数据库、订单数据库、加工状态数据库及数据处理程序;所述3G路由器用于实现云服务器与电气控制模块之间的数据传递； 所述电气控制模块连接至机械模块，电气控制模块设有PLC控制器、伺服驱动器和HMI触摸屏;所述PLC控制器内置运动控制模块，所述HMI触摸屏通过RS-232串口与PLC控制器相连； 所述机械模块设有入库区、线性模组、直线导轨、加工工位、真空吸盘、激光器、出库区和负载底座;所述入库区设有三个原料口，每个原料口设有一个光电传感器和一个推进气缸，根据用户所选的原料颜色，推进气缸推出对应的原料； 所述线性模组搭建在X ,Y两个方向上，每个方向均由一个单轴机器人与一个伺服电机连接组成，每个单轴机器人上设有两个行程开关和一个微型光电传感器，微型光电传感器用于标定行程原点，X方向单轴机器人的一端固定在Y方向单轴机器人的滑台上，X方向单轴机器人的另一端固定在直线导轨的滑台上，直线导轨用于平衡线性模组的重心，避免运动抖动； 所述加工工位包括双轴气缸、夹紧气缸、旋转气缸和加工平面，夹紧气缸夹取原料，配合加工平面使原料处于水平，夹紧气缸连接旋转气缸实现对原料的水平翻转； 所述真空吸盘与激光器固定在X方向单轴机器人的滑台的不同位置上，在行程平面内自由移动，真空吸盘从入库区吸取原料，移到加工工位，待加工完成后再将成品移到出库区，真空吸盘连接至气缸实现上下移动，激光器连接至PLC控制器的输出端； 所述出库区固定在负载底座的边缘。
【文档编号】G05B19/418GK205725860SQ201620664710
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】许英杰, 郑天宇, 张喆, 林鹏
【申请人】厦门大学