1 中国水利水电第七工程局有限公司 四川彭山 620860;2四川川安国购机器人科技有限公司 四川广汉 618300
摘要：近年来，随着科技的不断进步，机器人在各行各业的应用越来越广泛，机器人的应用技术也越来越趋于成熟、稳定、可靠。本文主要总结了采用机器人在工业生产中的应用经验，结合与数控切割机的比较，总结出机器人在工业切割上有一次性完成坡口切割、能自动定位，找准切割点，灵活、自动应用性强以及能源选择的多样性、速度快等优势。
关键词：机器人切割数控
1、前言
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多种学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，具有仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的能力，特别适合于多品种、变批量的柔性生产，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。目前，机器人已经广泛应用于搬运、焊接、喷涂、码垛等工业岗位。
本文主要研究将机器人应用于水电站压力钢管钢板下料工序，相比传统的数控火焰切割技术，充分发挥工业机器人自动化、智能化、三维空间作业的特点，提高钢板下料作业质量和效率。
2、数控切割
在机械加工过程中，常见的板材切割方式有手工切割、半自动切割以及数控切割、机器人切割等。手工切割具有方便、灵活的特点，但在大型板材切割中，局限性太大，而且手工切割还存在误差大、精确度低、生产效率低等致命缺陷。半自动切割机虽然精确度提高，但其功能简单，往往只能切割一些规则的形状或必须使用切割模具，不适合大型板材切割或者单件、小批量生产，切割质量受操作者的技能影响较大。数控切割机相比于手工、半自动切割，具有功能强大、切割效率高、质量好等特点，而且能减少操作者的工作量。
所谓数控切割机，就是用数字程序驱动机床运动，随着机床运动时，随机配带的切割工具对物体进行切割。这种机电一体化的切割机就称之为数控切割机。如图2.1所示，为常见的小龙门数控火焰切割机。
图2.1数控火焰切割机
从目前市场上几种通用数控切割机的应用情况来看，就数控火焰切割机功能和性能已比较完善，但其只能切割碳钢板，就其材料局限性，切割速度慢，生产效率低等劣势，适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。
而其他几种介质的切割机都有着或多或少的硬件缺陷，致使工业切割质量都无法得以提升。如等离子数控切割机，不只是等离子电源技术方面存在缺陷，目前数控系统的先进性也未能很好地适应等离子，使其发挥最好的效果。最主要的还是等离子、激光等其他介质的切割机所能切割的厚度无法达到压力钢管70~120mm的要求。
3、工业切割机器人
众所周知，工业机器人并不是人，而是一只“手臂”。这只“手臂”有多个关节，可以实现在三维空间里全方位无阻碍运动。经过设计人员的进一步开发，即为“手臂”装上“手抓”，应用在各行各业的各个领域，既节省人力物力，也充分体现出先进性。
3.1切割机器人
针对工业切割，我们采用日本川崎公司的一款通用型机器人，RS20N。如图3.1所示为川崎公司RS20N通用型机器人的运动范围,表3.1为川崎公司RS20N通用型机器人的规格。
RS20N型机器人为六轴增强型工业机器人，即关节型手臂机器人，采用的新型交流伺服电机具有紧凑、高输出、相应快、高可靠性等特点。机器人的手臂具有细长而紧凑的设计，由于各个轴的动态性能高，保证了优良的切割精度、速度和可重复性。
高强度的手臂与最先端的伺服控制技术有效提高了各轴的动作速度及加减速的性能。运动的作业时间缩短了15%以上，实现了行业内最高的生产能力。电机传动轴上安装有制动器，通过闭合电路原理动作，在失电的情况下自动抱闸，避免危险性的动作。
*测量条件
?机器人牢牢地固定在平坦的地面上。
?在距离关节1（JT1）旋转中心3000㎜的地方测量。
（噪音等级依条件变化而改变。）
如表3.1所示，JT1~JT6分别表示机器人的六个关节，从每一个关节的运动范围不难看出，机器人在三维空间里的运动基本无死点。这就使得坡口切割或者绕过障碍切割能轻松实现。
3.2压力钢管高强钢板切割下料机器人系统
如图3.2所示，是我们根据现场应用要求设计的切割机器人系统。该系统类似于小龙门数控切割机，能实现数控切割机的所有功能，不仅能取代数控切割机的所有功能，而且还有多方面的优势，我们将在后面章节通过比较得出结论。
图3.3火焰切割系统
2）坡口打磨机：通过变换手爪位置，可以使用打磨机按照程序轨迹对坡口进行打磨加工。专门设置有打磨手爪，根据程序选择，机器人可以更换配备打磨机对坡口进行打磨修平，如图3.4。
图3.4气动打磨系统
3）轨道行走机构：两台伺服电机驱动精密减速器齿轮齿条传动，配备两条高精度轨道，实现机器人行走，如图3.4。
图3.6切割打磨工艺
4、工业切割机器人的优势
4.1无需二次加工，一次性完成坡口切割。
切割是焊接的前道工序，切割为焊接服务。坡口切割就是打好焊接需要的坡口，做好焊接准备，使产品能够焊透、焊牢。我们切割压力钢板的目的，也是为了将钢板焊接成钢管。目前我国切割焊接企业一般都是使用数控切割机加上刨边机、小车切割机，或是手工加工等方式，经过二次甚至三次加工，才能完成坡口焊接，坡口焊接余量就需要放得很大。因此，数控坡口切割不仅切割生产效率低，而且会造成钢材的严重浪费。
而采用六轴机器人实现对钢材的切割，由于我们的机器人切割系统集成了基于AutoCAD的编程系统，因此只要求加工者将AutoCAD所绘的dwg文件导入机器人系统，选择切割程序，设定参数即可完成切割。
机器人切割成品不像数控火焰切割成品存在大量熔渣，切割面几乎不需要深度打磨。
4.2无需精确摆放钢材，自动找准参考点，灵活多变，姿态万千。
正因为机器人有六个关节，使其得以更加灵活优美地完成各种切割工作。无论竖立、平躺、或者倾斜，只要不超出工作范围，机器人都能依靠自身的一些图像识别功能或者是其他传感器识别功能，自动找到参考点，对切割位置进行修正。而数控切割机则对钢材的摆放精度要求很高，需要找正对中，或者必须横平竖直。机器人切割系统能完成各种方位、任意调换角度的切割，无论垂直切、坡口切还是仰切，对于我们的机器人切割系统都是得心应手。
也正是因为它的六轴灵活多变，使得我们在切割环境有障碍的情况下，能轻松绕过障碍物，完成切割工作。这一点，是数控切割机无法或者说很难做到的。
4.3机器人自动应用性强
在切割过程中，当要切割不同厚度的钢板时，只需要在控制系统参数设置里输入钢板厚度，机器人就会根据钢板厚度自动调节火焰高度。所能达到的最大切割厚度在120mm以上。
在压力钢管下料制造中，目的是要将钢板焊接成钢管，切割只是粗加工或毛坯加工，对精度的要求并不是很高。机器人切割系统的自动应用性很强，对钢板的平整度要求也不高，而机器人的切割精度为±4.5，完全能满足压力钢管切割的精度要求。
4.4能源利用的多样性
我们所设计的机器人切割系统基本可以通用，当普通的火焰切割无法满足需求时，只需要更换成等离子、激光、乙炔等切割介质。切换能源很方便，能源的多样性、快捷性、选择性也很强，这也是数控切割机所无法实现的。
5总结
这些年自动化行业的强烈竞争，零部件成本的下降，机器人行业在发展技术的同时也降低了成本，使得机器人的应用不再是望而不可及。机器人的未来旨在取代人工，实现任何行业都能用机器人，都用得起机器人。
我们的机器人应用技术在不断发展，数控技术也没有止步不前，这对我们来说是一件好事，没有竞争就没有进步。我们会竭尽全力做到，别人无法实现的我们来实现，别人想不到的我们想得到。
论文作者:龙绍飞1,粟皓维1,肖丹亚2,朱玉堂2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/7
标签：机器人论文; 切割机论文; 数控论文; 钢板论文; 工业论文; 系统论文; 钢管论文; 《防护工程》2018年第3期论文;