汪永剛

1. 概述

我公司以設(shè)計制造切割和焊接自動化裝備為主導(dǎo)產(chǎn)品。在熱切割領(lǐng)域，研發(fā)和生產(chǎn)火焰、等離子及激光三種切割方式的自動化裝備。產(chǎn)品主要應(yīng)用于船舶海工制造、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、壓力容器及石油化工等眾多行業(yè)。

早期，我們采用多軸數(shù)控控制方式，將熱切割工藝運(yùn)用到三維切割方面，如管子空間三維切割、H型鋼三維切割等。近幾年，隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，陸續(xù)開發(fā)了以機(jī)器人為執(zhí)行本體的PRG球扁鋼機(jī)器人切割生產(chǎn)線、PKG型鋼機(jī)器人切割等生產(chǎn)線。

2. 目前三維切割國內(nèi)應(yīng)用情況

隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)高速增長，三維切割的應(yīng)用也開始快速發(fā)展。三維切割應(yīng)用較早和較廣的應(yīng)屬于汽車制造行業(yè)。汽車鈑金由于板材薄、批量大，激光三維切割應(yīng)用比較廣，應(yīng)用也較為成熟。

在中厚板的三維切割應(yīng)用中，市場發(fā)展相應(yīng)比較緩慢，其主要原因是中厚板三維切割工件大，零件及工裝設(shè)計復(fù)雜，同時變形量難以控制。很多時候?yàn)樾∨俊⒍嗯蔚募庸?。因此，更多時候需要離線式編程以及高精度測量跟蹤等方式來滿足這種情況，因此推廣應(yīng)用相對緩慢。

3. 三維切割在船舶行業(yè)的應(yīng)用

在船舶制造過程中，有大量型材作為船體的龍骨需要切割。由于型材形狀不規(guī)則，大部分造船廠采用手工切割方式，這種切割方式存在勞動強(qiáng)度大、效率低、切割質(zhì)量較差等不足。為此，我公司開發(fā)了船用PRG球扁鋼機(jī)器人切割生產(chǎn)線，解決連續(xù)、批量、高效加工以及勞動成本日益突出等問題。

PRG球扁鋼機(jī)器人切割線分自動上料、自動尋料夾緊、激光掃描檢測及機(jī)器人對型材面的三維切割等環(huán)節(jié)。主執(zhí)行機(jī)構(gòu)為6關(guān)節(jié)的機(jī)器人，PRG自動生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 PRG自動生產(chǎn)線

圖2 船用球扁鋼

由于球扁鋼（見圖2）在運(yùn)輸、堆放等過程中易造成原料變形，因此，在機(jī)器人切割前，先需對切割路徑進(jìn)行激光掃描，將其偏差值通過系統(tǒng)軟件補(bǔ)償后再由機(jī)器人進(jìn)行切割。這樣既可以避免機(jī)器人關(guān)節(jié)碰撞，又可減少切割后零件的偏差。

PRG型材生產(chǎn)線還配備專用的Tribon接口套料管理軟件Bulb Steel Nest，可將Tribon設(shè)計生成的Gen文件直接導(dǎo)入PRG系統(tǒng)進(jìn)行加工，也可以通過導(dǎo)入Bulb Steel Nest進(jìn)行排版套料，最后生成加工程序?qū)隤RG系統(tǒng)進(jìn)行加工。

4. 三維切割在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的應(yīng)用

在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，H型鋼的端面經(jīng)常需要加工，并在腹板和翼板存在較多的螺栓連接孔。傳統(tǒng)的做法是通過人工方式，將腹板與翼板進(jìn)行火焰切割，并通過三維鉆加工腹板翼板的螺栓孔。

為此，我公司開發(fā)了PKG型鋼切割生產(chǎn)線，通過等離子或火焰方式，對H型鋼的三個面進(jìn)行切割加工。同時，通過特殊的小孔切割工藝，使小孔切割精度滿足螺栓孔切割精度要求。

5. 三維切割未來研發(fā)和發(fā)展的期待和建議

目前，三維切割在我國大量應(yīng)用還存在以下幾個方面的問題：

（1）三維切割集成成本較高 作為主流三維執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人，目前幾乎國內(nèi)市場還是四大家族為主，ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四家占據(jù)了我國約80%的市場份額。機(jī)器人價格雖然隨著市場的競爭逐年在下降，但由于在一些復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境和需要開通特殊功能或離線編程時，外資企業(yè)仍然通過高昂的軟件費(fèi)用，讓復(fù)雜三維集成應(yīng)用變得成本太高。目前，我國在機(jī)器人的自動化、智能化軟硬件方面還與其有不小的差距。

（2）傳感檢測技術(shù) 快速精準(zhǔn)的軌跡路徑檢測是空間三維切割的必要手段之一。激光檢測技術(shù)、圖形檢測技術(shù)的發(fā)展，給三維切割帶來新的檢測方式。但由于目前圖像處理方面，其對光感要求較高，激光檢測時檢測速度過慢，且目前市場應(yīng)用產(chǎn)品，均為外資品牌，價格比較昂貴。

（3）三維設(shè)計及三維模擬軟件的集成應(yīng)用 空間結(jié)構(gòu)件使用單位有些仍然采用平面CAM設(shè)計，無法實(shí)現(xiàn)在三維模擬軟件下的應(yīng)用；有些使用了三維設(shè)計軟件，但由于現(xiàn)在機(jī)器人公司提供的三維軟件過于復(fù)雜，效率比較低，所以應(yīng)用相對較少。

（4）大型構(gòu)件的工裝夾具設(shè)計 在三維切割時，切割時間相對較少，而約三分之二的時間是在上料、裝配及其他輔助工作。精巧靈活的專業(yè)工裝夾具設(shè)計，可以保證工件可靠的定位和夾緊以及工件的裝卸，同時良好的工裝也可擴(kuò)大先進(jìn)工藝的使用范圍。

生產(chǎn)過程的自動化和對生產(chǎn)設(shè)備的高度適應(yīng)能力的需求，必將促進(jìn)空間三維切割的快速發(fā)展。隨著工業(yè)4.0在全球的快速發(fā)展，以及我國逐漸進(jìn)入人口紅利末期，高度自動化的三維切割市場將會進(jìn)入快速發(fā)展階段。