林元明

（廣西藤縣電力管理站，廣西 梧州 543300）

0 引言

對切割機(jī)的研究已經(jīng)較為深入，技術(shù)也很成熟了，市場上多種品牌的切割機(jī)還是要人工切割。雖然這些產(chǎn)品使用輕巧方便，但畢竟人工切割的產(chǎn)品總有一些問題，比如人工切割時(shí)因?yàn)槭侄?、?dòng)作的姿勢不便而間斷、或許外界因素等從而導(dǎo)致切割出錯(cuò)，切口不均勻平整。因而需要進(jìn)行二次加工切口，甚至切割物不合適而報(bào)廢，浪費(fèi)材料，在精度要求高的行業(yè)人工切割根本很難滿足，即使有更好的經(jīng)驗(yàn)，也很難實(shí)現(xiàn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，在汽車和船舶制造業(yè)中，切割和焊接的加工手段成了重要的技術(shù)，而在自動(dòng)化加工領(lǐng)域中，可以實(shí)現(xiàn)很多不同類型的加工，根據(jù)需要完成切割或者是焊接加工工作的就是機(jī)器人，可見機(jī)器人占有很重要的地位[1]。八十年代初期國外就開始研究空氣等離子切割機(jī)，如蘇聯(lián)巴頓電焊研究所與民主德國Dresden的Manfred Arden研究所和Mansfield公司合作，研制空氣等離子切割機(jī)。蘇聯(lián)生產(chǎn)的KPHCTA型等離子切割機(jī)，切割板嗥為2～l00 mm，切割速度 可達(dá)5 m/min。之后，瑞典ESAB公司、奧地利MESERR GRISHEIM公司及英國氧氣公司（British Oxygen）都研究制造了程控空氣等離子自動(dòng)切割機(jī)以及相應(yīng)的水工作臺(tái)裝置[2]。在國內(nèi)，北京林克曼數(shù)控公司生產(chǎn)的型鋼和坡口切割機(jī)器人，它能自動(dòng)完成各種型鋼和任意曲線焊接坡口的切割加工，還有庫開機(jī)電科技三維激光切割系統(tǒng)，以ABB IRB2400系列機(jī)器人為載體，搭載激光器來切割鈑金件[3]。機(jī)器人切割從無到有，從有到精的這個(gè)發(fā)展歷程，機(jī)器人代替人工進(jìn)行切割工作是非常有意義的發(fā)展。機(jī)器人切割不僅僅效率高，能夠長時(shí)間地進(jìn)行工作，但人工作是需要休息的；而且切割效果非常好，切割板材切口細(xì)小而平整均勻穩(wěn)定，人工切割粗糙而凹凸參差間斷是達(dá)不到機(jī)器切割的效果；同時(shí)也大大地降低了長期切割給人身帶來的健康安全的傷害。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

工業(yè)機(jī)器人空氣等離子切割系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分別由空氣等離子切割機(jī)、工業(yè)機(jī)器人本體和空氣壓縮機(jī)三大部分組成?？諝獾入x子切割機(jī)是由空氣壓縮機(jī)提供氣壓源，利用工業(yè)機(jī)器人本體控制切割機(jī)運(yùn)動(dòng)切割，工業(yè)機(jī)器人代替人工切割，硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框架圖

1.1 空氣等離子切割機(jī)

空氣等離子切割機(jī)原理圖中主電路有接觸器KM、三相變壓器B1、三相橋式整流器[4]（D1～D6、C1～C6）、高頻振蕩器（B2、B4、FP、C12）；控制電路部分有控制變壓器B3和J1、J2、J3、D7、C11、R3等元件；空氣通路由減壓及電磁閥DF組成，如圖2所示。

圖2 空氣等離子切割機(jī)原理

空氣等離子切割機(jī)工程過程如下，安裝和接通線路以及接通氣壓后，閉合開關(guān)K1，電源指示燈XD亮，則表示電源已接通；并且切割機(jī)內(nèi)部冷卻風(fēng)機(jī)FM開始啟動(dòng)，切割機(jī)待機(jī)準(zhǔn)備；按下割槍上K3，繼電器J1通電動(dòng)作，則J1常開輔助觸點(diǎn)J1-2動(dòng)作，電磁閥DF接通，因此空氣通路打開，割炬試氣成功[5]。同時(shí)繼電器J1另一常開輔助觸點(diǎn)J1-1閉合，接通電阻R3，電容C11充電，二極管D7和電容C11組合成延時(shí)電路，延時(shí)3～5 s時(shí)間充電完畢，則繼電器J2通電動(dòng)作，J2常開觸頭J2-1閉合，接觸器KM接通[6]，主電路接通，經(jīng)過變壓器B1和三相整流后，正極流經(jīng)電感B5，通過連接線連接到工件上，負(fù)極流經(jīng)變壓器B2構(gòu)成電路回路[7]。在主電路連通時(shí)，接觸器KM常開觸點(diǎn)連通，接通繼電器J3，又因?yàn)镈K是常閉，繼電器J3常開觸點(diǎn)J3-1接通，所以變壓器B4電路連通[8]。變壓器B4初級電壓是220 V，是來自變壓器B3初級自耦抽頭，變壓器B4次級電壓是2.5 kV左右，輸出到高壓電容C12和變壓器B2中，經(jīng)過B2電壓疊加到工件處，噴嘴連接工件，引弧成功。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是根據(jù)機(jī)器人軸的旋轉(zhuǎn)角度，推算出機(jī)器人的空間姿態(tài)和TCP的空間坐標(biāo)[9]。而運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是根據(jù)機(jī)器人TCP位置坐標(biāo)，反過來推算出每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角度，這兩個(gè)是運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的基礎(chǔ)?？梢?，運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的條件和結(jié)論正巧是相互反過來，知道了工作點(diǎn)的位置，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)就是根據(jù)所選的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)到位置點(diǎn)而形成軌跡的過程。工業(yè)機(jī)器人控制柜中共有16路EXI輸入端口和16路EXO輸出端口，如圖3所示。輸入端口可以添加檢測信號(hào)的傳感器設(shè)備，將需要檢測進(jìn)行控制開始啟動(dòng)的信號(hào)傳給控制系統(tǒng)；輸出端口可以將系統(tǒng)處理的信號(hào)輸送出去，進(jìn)行控制各種設(shè)備的開與關(guān)動(dòng)作。在本設(shè)計(jì)中使用一個(gè)EXO輸出端口，輸出端口與一個(gè)繼電器相連接，繼電器和切割機(jī)的控制按鈕連接，所以通過控制繼電器吸合和斷開達(dá)到控制切割機(jī)的開始和停止切割的目的，如圖4所示。

圖3 輸入輸出端口

圖4 繼電器連接圖

1.3 夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的工業(yè)機(jī)器人是六自由度的機(jī)器人，設(shè)計(jì)的夾具是在機(jī)器人第六自由度上面固定添加的，從而實(shí)現(xiàn)兩者的連接[10]。夾具是根據(jù)機(jī)器人第六自由度上的形狀而設(shè)計(jì)，利用SolidWorks繪圖軟件設(shè)計(jì)模型，然后通過3D打印機(jī)將模型打印出來，如圖5所示。夾具可以將切割機(jī)上的割炬夾緊，通過控制機(jī)器人各個(gè)軸關(guān)節(jié)移動(dòng)進(jìn)行切割。

圖5 夾具

夾具設(shè)計(jì)和組裝好，準(zhǔn)備開始調(diào)試工作，系統(tǒng)的工作過程如圖6所示。在開始切割前需要對工具坐標(biāo)系進(jìn)行重新標(biāo)定，然后開始測試工作，即在鋼板上切割直線測試[11]，測試切割的工作方式和熟悉切割的工作，通過這個(gè)切割測試過程情況，考慮在切割過程中有可能遇到的問題以及如何避免發(fā)生等，和應(yīng)該注意的問題，從而有應(yīng)對的措施和辦法。切割測試完成后，開始切割圖案準(zhǔn)備工作，即記錄圓圖案的位置點(diǎn)，確定切割圓圖案的切割軌跡，編寫程序，空運(yùn)行程序調(diào)試軌跡，調(diào)試軌跡無誤后，添加切割動(dòng)作，開始切割圓。同樣的方法，記錄五角星圖案的位置點(diǎn)，編寫軌跡程序并調(diào)試，調(diào)試成功添加切割控制，開始切割五角星圖案。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

選擇工具坐標(biāo)系，對路徑的規(guī)劃，在短時(shí)間內(nèi)可以完成切割板材的工作[12]。工業(yè)機(jī)器人選擇在某個(gè)坐標(biāo)系方式下控制，前提是需要對坐標(biāo)系進(jìn)行重新標(biāo)定。不然很難控制機(jī)器人在系統(tǒng)原有的坐標(biāo)系下簡單而快速地進(jìn)行工作，更不能說能夠精準(zhǔn)地工作來實(shí)現(xiàn)操作。本設(shè)計(jì)選擇工具坐標(biāo)系方式，其中2點(diǎn)法、3點(diǎn)法、4點(diǎn)法、6點(diǎn)法是標(biāo)定工具坐標(biāo)系的四種方法[13]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)器人切割和人工切割直線測試效果如圖7所示。將兩者切割效果進(jìn)行測量比較，選人工切割中相鄰差距最小部分測量，如圖7（a）和7（b）所示，測量顯示小的位置為9.38 mm，大的位置為10.10 mm，則誤差結(jié)果為10.10-9.38=0.72 mm，而機(jī)器人切割直線效果是線性，誤差基本上可以忽略，從0.72 mm這個(gè)數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)本身不大，1 mm很小，但從切割的效果上和相比機(jī)器人切割效果上看，這數(shù)據(jù)相差起來就非常大，顯而易見。在切割圓和五角星的時(shí)候由于機(jī)器人本體的抖動(dòng)和記錄位置點(diǎn)的細(xì)微偏差等緣故，在切割過程中機(jī)器人出現(xiàn)姿態(tài)有細(xì)微的偏差，從而導(dǎo)致在兩點(diǎn)的過渡時(shí)發(fā)生偏斜切割，如圖7（c，d，e）所示。從圖7（c）和圖7（d）中顯示，測量結(jié)果為70.37 mm和72.34 mm，所以發(fā)生偏斜有72.34-70.37=1.97 mm距離，即在切割圓時(shí)機(jī)器人發(fā)生了1.97 mm的姿態(tài)偏斜。從圖7（e）中測量得到的數(shù)據(jù)為67.37 mm，即在前面介紹到的五角星的一個(gè)尖頂點(diǎn)與中心點(diǎn)（O點(diǎn)）連線延長線相交點(diǎn)距離是67.37 mm，和在計(jì)劃設(shè)計(jì)中的距離為69.10 mm，兩者相差有69.10-67.37=1.73 mm，這個(gè)數(shù)據(jù)是最大的數(shù)據(jù)差，切割縫隙的最外邊距離，這個(gè)距離跟切割機(jī)的割炬噴嘴也有關(guān)系，因?yàn)閲娮煲灿幸欢ù蟮木嚯x小嘴口。

圖7 工業(yè)機(jī)器人切割試驗(yàn)效果圖

切割的效果好，有3個(gè)方面的因素。（1）在切割的過程中都非常平穩(wěn)，能夠在與鋼板面幾乎平行的一個(gè)平面平穩(wěn)地前進(jìn)，割炬與鋼板的距離不會(huì)出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的情況；（2）能夠呈現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)，按照調(diào)試時(shí)規(guī)定的軌跡路徑前進(jìn)，不會(huì)偏離路徑軌跡前進(jìn)；（3）切割速度非常均勻，每兩個(gè)位置點(diǎn)間每時(shí)每刻的速度都是勻速前進(jìn)，而手工切割根本無法實(shí)現(xiàn)勻速前進(jìn)，只能達(dá)到相對達(dá)到勻速。這3個(gè)因素都是基于機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)，都能夠達(dá)到這些因素的要求，可以調(diào)平面、定軌跡、改速度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的連續(xù)性，即兩點(diǎn)間的過渡。因?yàn)檫@些因素都會(huì)影響到切口的平滑性，正是因?yàn)槿斯で懈顣r(shí)手的抖動(dòng)性大，影響到割炬的噴嘴與鋼板面的距離時(shí)大時(shí)小，軌跡左右偏移，速度的時(shí)快時(shí)慢，所以導(dǎo)致切口處非常粗糙，不均勻，并且殘?jiān)喽y清理，因而經(jīng)常需要進(jìn)行二次加工處理。切割圓和五角星的過程中出現(xiàn)細(xì)微的偏差。存在這個(gè)問題的原因歸納有4點(diǎn)因素：（1）在采用6點(diǎn)法進(jìn)行工具坐標(biāo)系標(biāo)點(diǎn)的時(shí)候，前面4個(gè)位置點(diǎn)的標(biāo)定存在的誤差很大，導(dǎo)致標(biāo)定的工具坐標(biāo)系有誤差；(2)記錄切割位置點(diǎn)的差距大；（3）機(jī)器人在拐點(diǎn)處發(fā)生細(xì)微的抖動(dòng)偏差，過渡的時(shí)間和速度的偏差，在程序中沒處理好；（4）構(gòu)建切割平臺(tái)沒有相對平整等因素所導(dǎo)致。因?yàn)樵谶M(jìn)行標(biāo)定坐標(biāo)系和記錄位置點(diǎn)的過程有的是通過人的肉眼進(jìn)行判定的，有的雖然通過計(jì)算機(jī)計(jì)算位置點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)定，但仍會(huì)有誤差，所以沒有絕對的精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

探索空氣等離子切割問題并對工業(yè)機(jī)器人控制操作以及編程展開探討。通過采用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣作為空氣等離子切割機(jī)的氣源，利用SolidWorks繪圖軟件為切割機(jī)和機(jī)器人連接在一起量身定制，設(shè)計(jì)出一款獨(dú)有的夾具。經(jīng)過多次對硬件架構(gòu)連接的調(diào)節(jié)和軟件編程的調(diào)試及篩選，實(shí)踐表明，最終選擇利用工業(yè)機(jī)器人在工具坐標(biāo)系下操作控制，利用六點(diǎn)法進(jìn)行重新標(biāo)定工具坐標(biāo)系，工業(yè)機(jī)器人便能夠在標(biāo)定的目標(biāo)點(diǎn)平穩(wěn)執(zhí)行切割任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。