浅谈机器人等离子数控切割

莫云霞，孙淑华，石林潇，路 坤，张建设，宫 宁，宁 波

（国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306）

随着国内卡车行业的飞速发展，客户的个性化需求越来越多，各种各样的车架层出不穷。车架是卡车中最重要的承载部件，而车架纵梁又是其中的关键零件之一。纵梁加工的传统切割工艺，已经不能很好地满足用户多样化的需求。

机器人等离子数控切割生产技术是集计算机控制技术、机器人技术、等离子切割技术以及精密机械技术于一体的新技术。传统的热切割工艺存在效率低、质量差、劳动强度大而且环境脏乱差的问题。发展机器人等离子数控切割生产技术，可以从根本上改变传统切割技术的弊端。

本文介绍了一种机器人等离子数控切割设备，通过机器人示教再现功能完成纵梁切割，实现了车架纵梁的柔性化加工，可适应多品种、小批量生产，满足不同规格纵梁和加强梁的切割需要。该设备主要依托于济南铸造锻压机械研究所研发的机器人等离子数控切割生产线。

1 切割方式对比

目前热切割的三种主要方式为火焰切割、激光切割和等离子切割。

火焰切割是最古老的热切割方式，成本低，并且是切割厚金属板的唯一经济有效的办法。但是火焰切割变形较大，适应不了高精度的切割需要，切割的准确性对操作人员的技术要求高；而且切割速度慢，难以适应无人化操作。

激光切割，是用聚焦镜聚焦从激光器输出的激光光束作为高密度能量，照射在材料上，使材料受热熔化（蒸发）而切割的方法。辅助气体与激光束同轴喷射，用于吹掉熔融金属以保护聚焦镜。与火焰切割以及等离子切割相比，由于单位面积的能量大，所以激光切割的能量密度高，割缝宽度小、热影响区域小，精度高。聚焦镜和辅助气体喷出装置构造如图1所示。激光切割的缺点是价格相对昂贵，而且随着切割厚度的增加切割速度明显下降。

图1 切割聚焦示意图

图2 等离子切割示意图

等离子数控切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法，如图2所示。等离子切割范围宽，可切割一切金属板材和许多非金属材料。切割后的割口面一般情况下不需要进行表面加工。切割表面质量与激光切割近似，但切割成本远低于激光切割，约为其1/3。等离子数控切割具有自动化程度高、使用方便、精度高、可靠性高、价格低，易操作维护等优点,广泛适用于各种机械制造业中金属板材的下料切割。因此，研究推广数控等离子切割技术具有重要的意义。

2 设备组成

该机器人等离子数控切割设备主要由纵向进料系统、中间支撑横梁、机器人系统、等离子切割单元、纵向出料系统、安全防护系统等组成。

2.1 纵向进料系统

纵向进料系统包括送进架、送料支撑及动力装置以及伺服送料小车。

送料支撑及动力装置与送进架并排安装，分为送料支撑装置部分及动力装置两部分，负责板料的支撑及侧向定位；动力装置负责将纵梁送至伺服送进小车夹钳工作区域。

伺服送料小车结构如图3所示，该伺服送进小车以伺服电机为精准送料动力，利用夹钳夹持纵梁进行送料，该送料方式可实现对纵梁全长范围内数控定位，使梁在任意位置精确定位，确保纵梁无切割盲区，其重复定位精度±0.5mm。切割完成后，自动出料。

图3 伺服送料小车示意图

2.2 中间支撑横梁

中间支撑横梁结构如图4所示，安装在切割房内，其中心部分为板料的切割区，起支撑板料及侧导向作用。当板料送至切割位后，将板料支撑住，进而按照要求进行切割。中间支撑横梁具有调节功能，在切割不同纵梁产品时可任意调整。

图4 中间支撑横梁结构

2.3 机器人系统

选用ABB机器人，带有弧压调高、示教再现以及防碰撞功能。通过示教再现功能，机器人调用相应的切割程序完成切割要求。对机器人进行示教的新程序，可在触摸屏内手动调用。弧压调高功能，能够保证切割质量，不断弧、不撞枪。防碰撞功能，能够保证在发生意外碰撞时，机器人可立即停止动作，或通过其他方式防止机器人受到损伤。机器人结构如图5所示。

图5 机器人结构

机器人具备对不同规格产品进行程序预设置及存储的功能，切割设备可以针对不同规格产品，自动调用对应切割程序完成加工要求。

2.4 等离子切割单元

等离子切割电源选用德国凯尔贝精细等离子切割电源。低频启动，因而对于CNC数控系统没有干扰。由于没有切割引弧时的高频干扰，调试和实际使用都非常稳定。

切割电流可以调节，切割不同厚度材料可以选择不同的电流，有利于切割不同厚度工件，保证切割质量。

割炬为水冷式设计，不仅可直接冷却电极，同时可直接冷却喷嘴，易损件的寿命较竞争对手明显延长，因此使用成本大幅度降低。两种割炬对比如图6所示。

图6 割炬对比

2.5 纵向出料系统

纵向出料系统包括送料支撑及动力装置。送料支撑装置负责板料的支撑及侧向定位；动力装置负责将纵梁可下料区域。

2.6 安全防护系统

该设备配有相应的切割房，操作面留有观察窗，操作人员可在外面观察机器人切割态势。切割房上部留有除尘管道接口，配有除尘器，满足环境排放要求。

3 主要性能特点

（1）进料独立循环、切割独立循环、出料独立循环，三个独立循环系统，使上下料动作同时进行，缩短了上下料时间。

（2）能适应多品种柔性化生产，满足不同规格工件切割需要。

（3）操作维护傻瓜型。配液晶显示器，使用非常明了方便。

（4）系统的可靠性高，可故障自诊断。

（5）采用模块化设计，维修更换方便。

4 结束语

机器人等离子数控切割设备，具有极高的柔性化，对于不同宽度、高度、长度的纵梁，可通过触摸屏调用对应的切割程序完成切割工序；非常适合现代化工厂多品种、小批量的生产状况，又可适应纵梁的大批量生产，同时大大减轻工作人员的劳动强度，提高切割速度和产品质量，具有广阔的市场应用前景。