解析热切割技术发展态势

　　

 

在切割过程中伴有热量释放的切割方法统称为热切割，现代制造业用到的热切割方法主要有：(氧—燃气)火焰切割、等离子弧切割和激光切割，而与之相配的自动化执行机构通常分为数控切割机和切割机器人两大类。

世界上第一台数控切割机放生至今已走过了40多年的历史，在全球科技人员持续不懈地努力开发下，数控切割的技术、工艺、配套软件等各方面已取得了丰硕的成果，并向市场提供了门类齐全的用于板材切割、型材切割、管子相贯线切割、3D曲面切割的数控切割设备。

自20世纪80、90年代起，借助计算机、微电子、网络和光、机、电一体化技术水平的迅速提高，工业机器人技术及其应用获得了前所未有的进展，工业机器人技术及其应用获得了前所未有的进展，工业化国家把发展机器人技术提升到未来工业自动化象征的高度来看待。(焊接)切割机器人历来在工业机器人应用领域中占据着相当重要的位置，随着全球制造业的复苏及新一轮的迅猛发展，焊接、切割的工作总量、复杂程度和技术要求都在不断提高，而机器人切割设备的成功应用也向世人充分展示了其在解决技术劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面的显著作用，日益成为汽车、航空航天、造船、海洋平台、钢结构等行业在型材切割、三维曲面切割、柔性切割等方面保持产品竞争能力的一支不可缺少的关键力量。

1热切割源技术现状

1.1等离子弧切割

    人类利用等离子弧切割金属材料已有近50年的历史，其良好的适用性和经济性已在长期的生产实践中得到了验证。所以，目前和今后一段时期内，在l~38mm厚的碳钢以及有色金属的切割中，等离子弧切割仍然将占据主导地位，并且有广阔发展空间。

    为了充分体现自动化等离子弧切割优质、高效、低成本的优势，制造商开发了各种规格型号的机载式等离子弧切割系统，并始终坚持将当代最新的技术、工艺和使用功能及时移植到产品的设计开发过程中去，以适应不断发展变化的自动化切割的需求，具体举例如下：

    a．采用100％的高负载持续率等离子电源，以满足自动切割高负荷连续工作的要求。长寿命氧气等离子弧、水射流等离子弧、大电流干式氧气等离子弧和精细等离子弧等新型等离子切割技术的应用，增大切割能力，改善切割质量，降低切割成本。

    b．设置独立的远程高频发生器箱（RHF）或固态引弧控制箱，既减小了等离子电源所产生高频干扰的影响，又能使机载割炬在远离等离子电源超过60m的地方仍可以稳定的工作，这为实现长距离移动的多工位自动化等离子切割创造了条件。

    c．数字式的电流／弧压控制箱，切割电流、弧压动态实时显示；数字化气体控制箱，配有LED工作状态显示，并能直接显示系统的出错代码，为排除故障提供了参考。新型数字化控制单元抛弃了传统的旋钮式操作及指针式表具显示的控制面板，采用触摸键数字化设定和 LED显示，观察更直观、调整更方便、性能更可靠，已成为发展的主流。

    d．有机器人和数控切割2种类型的机用割炬供选择；配置割炬初始高度设定和割炬切割高度自动控制装置，以适应全自动切割的需要，并保证得到良好的切割断面质量。

    e．等离子系统采用微处理机控制，保证了各项加工参数的精确，以获得稳定的切割质量和较长的消耗件使用寿命。现在，可根据待加工工件的材料和厚度自动调整切割电流和弧压，选择气体的

1.2火焰切割

    （氧乙炔）火焰切割作为最古老的热切割方法，从其诞生之日算起，已经历了整整一个世纪。迄今为止，它仍是机械制造中一种不可缺少的热切割加工手段，并在切割中、大厚度钢板、切割多种形状的焊接坡口和多割炬大批量切割直条钢板等应用场合还有一定的优越性，因此，火焰切割在今后相当长的时期内，将作为其他先进热切割的补充，继续发挥其作用。

    近年来，我国（自动化）火焰切割所取得的明显进步表现为：在切割用氧气方面，积极提倡使用具有显著技术和经济价值的高纯度液态氧；而在切割用燃气的选用上，则大力推广用经济、安全、切口质量好、环保无污染的液化石油气等新型工业燃气来替代乙炔。目前看来，这两项工作收效显著，发展势头良好。

种类和流量，显示所需的割炬消耗件品种，甚至监控电源情况。冷却水温度和其他重要参数的全自动操作系统。

1.3激光切割

    工业切割常用的激光源主要有2种，即CO2气体激光和Nd：YAG固体激光。这2种激光的波长是不同的，前者为10.6μm，后者是1.06μm。短波长的Nd：YAG激光最突出的优势是激光束可以通过光纤维传输，加工柔性好，能方便地用作（机器人）三维切割；而CO2激光是靠光学反射镜传送的，尽管它也能用于三维切割，但实现起来比较麻烦，因而它更多地被用在（数控）二维平面切割中。

激光切割能量密度高，加工过程中输入工件的热量小，因而热影响区和热变形小；切割所形成的割缝窄，能显著提高零件尺寸精度和材料利用率；切口光洁、边缘垂直；另外，激光切割产生的噪声和粉尘小，对环境的污染少。激光切割的上述特点使其一直都是高精度、高效率切割薄板的首选工具。

自动化激光切割技术自成功地用于工业生产以来，人们对激光发生器的效率、切割技师、运行的可靠性、使用和维护成本等多项指标提出了越来越高的要求。经过制造商长期不断地改进和完善，目前在增大激光发生器的功率、改善激光束的品质以及提高其耐用性和经济性方面，已经取得了巨大成就，具体表现为：a.激光发生器模式不断地改进和提高；b.计算机控制、数字化和网络技术被用于激光发生器已成为一种趋势；c.激光切割中、厚板材的技术日见精良；d.各种新的激光切割工艺不断涌现；e.激光切割的作业成本(元/kW)下降。这一系列成果的取得，使激光切割在技术进步和综合经济效益方面较传统热切割方法的优势逐渐显现出来，从而更加坚定了各界人士对其未来美好前景的信心。

2  自动化热切割技术发展动态

2.1.数控等离子、火焰切割机

    我国数控切割技术的开发工作开始于20世纪80年代初，起步是数控火焰切割机。到了20世纪90年代，在数控火焰切割技术趋于成熟并获得广泛应用的基础上，又通过嫁接引入国际上先进的等离子切割系统，采取引进和自主开发相结合的方法，开展了数控等离子切割机的研制。历经20多年，终于取得了可喜的成就，目前国产数控等离子、火焰切割机门类和规格已相当齐全，其中部分产品在技术性能指标和功能上均已接近或达到国际水平，产业化进展顺利，并已具备一定的经营规模。

    伴随着数控等离子、火焰切割技术的成熟，其在国内造船、压力容器、工程机械、电站设备、桥梁和钢结构等行业得到了广泛应用，彻底改变了以往手工和半自动切割的低效率状况，从根本上缓解了我国机械制造业飞速发展所带来的钢板和其他金属板材切割量急剧增大的巨大压力，为今后在整个制造业扩大应用数控等离子、火焰切割机，以应对未来新的挑战打下了基础。

2.1 .1 数控切割

数控切割指应用计算机数字程序控制(Computer Numberical program Control)的全自动化切割方法，简称CNC切割。人们借助计算机辅助设计程序，把所要切割零件的形状、尺寸、切割顺序及切割过程中的各项辅助功能按一定的语言程序规则进行编程，然后输入数控切割机的控制系统，经运算后发出运动控制及切割辅助功能指令，再由伺服驱动系统和切割执行机构协调动作，最终完成所需零件的切割。

数控切割的主要优点在于：a.功能齐全，实现了切割全过程的自动化控制；b.无需划线即可完成切割，同时可配置多个割炬同时工作，生产效率高；c.采用排版套料切割程序，提高了钢板利用率；d.能合理选定切割路径，减小切割热变形，加工精度高，切割质量好，减少了后续打磨和装焊工时；e．切割信息可储存到计算机、软盘或U盘之中，易于准备、修改和保存，并可省去制作划线样板的材料、人工工时及堆放场地。

 

2.1.2数控激光切割机

    将激光束作为切割介质用在数控切割机上就组成了数控激光切割机。按照割炬（激光束）与工作台相对移动的方式，数控激光切割机可分为光束固定、光束移动（飞行光路）和混合式（割炬沿y轴方向移动，而工作台在x轴方向移动）3种类型。

    采用飞行光路的切割机，在切割过程中，只有割炬沿x、y方向移动，工作台位置固定。这类切割机加工的板材尺度大、质量大；设备占地面积小，加工工件无需夹紧，上、下料方便；机器加速性能佳，定位精度高。所以倍受市场推崇，并且成为近来发展的主流。同时，为了最大限度地使移动的激光束在工作台的不同位置能保持恒定不变的光斑直径及光束特性，保证切割质量免受光束飞行带来的影响，制造商对光束传输系统采取了一些特殊设计，如：切割头增加一个可控制聚焦镜独立移动的F轴、添加由CNC控制的补偿光路系统、铰接活动臂固定光程飞行光束传输系统，以及采用可受控改变聚焦曲率的光学镜等措施。

    除了普遍应用飞行光路以外，为了充分体现激光切割的高自动化、高效率和高精度，世界上许多著名的数控激光切割机生产厂家还在以下几个方面下了一番功夫：

    a．采用动态性能超群的现代驱动技术。

    l）Bystronic高扭矩、高刚性交流伺服盘式马达（无齿轮箱）直接驱动，能够实现 169 mm／min高速度精确定位。而在新款BYSPEED超高速激光切割机上采用了最新研制的直启螺旋电机（DHM）啊驱动系统，其扭矩是其他系统的3倍以上，定位加速度高达 30 m／s2，加工精度±0.05 mm。生产效率更是惊人，如加工薄板孔（φ2 mm，间距 3 mm），每分钟可切割600多个。

    2）Trumpf、Lasercut、Whitney fo Nisshinbo＆Balliu等制造商纷纷选用直线电机（Liner Motor）来作为激光切割机x、y的轴向驱动。由于直线电机属于直接驱动的机构，省去了把旋转运动变成直线运动的其他传动装置以及消除了由此引起的各种定位误差，而且可以实现无接触的力传递，几乎不存在运动摩擦，从而保证了机器结构简单，并具有更高的反应速度和灵敏度，随动性好、定位精确、运动平稳。机器的运行速度超过300m／min。

    b．配置有效及合理节奏的装载和卸载系统。

    激光切割机一般都配置自动交换工作台，即当前一个工作台在切割工件时，后一个工作台的上下料正在同时进行，反之亦然，从而能大大减少待机时间，提高生产效率。近几年，不少厂家还推出了模块化设计的激光切割自动化系统，即以激光切割机为核心，然后分别配上自动立体料库及悬臂式真空吸盘自动上下料系统，实现了激光切割的全自动化。

    c．增加功能，拓宽应用范围。

    在同一台机架横梁上配置2套激光切割头或在一台切割机机座上安装2套独立驱动的工作机架，以此来提高机器的生产效率。有些机器可以通过添加数控旋转轴，以及尾架自动夹紧卡盘和移动管子支撑架、高效专用的管加工软件等附加的内容来实现管材切割加工功能，达到一机多用的目的。

    d．科学严密的安全防护及环保措施。

    切割工作区域与外界设置可靠的隔离保护屏障，所有的移动门都装配安全互锁开关。通过各种有效的方法和辅助设备（如：抽烟尘处理设备），将噪声和烟尘严格控制在标准允许的范围内。

    我国对激光技术的研究起步很早，同时激光和光电子被列入了国家“863”计划而受到广泛的重视。然而由于历史的原因，虽然我国的激光科研力量较强，但激光产业同国际水平间却存在着相当大的差距，数控激光切割设备中的许多关键器件都得依赖进口，我国在这方面技术水平已远远落后于发达国家。为了改变这一现状，近年来我国许多研究机构和企业，以面向市场、应用和未来的态度，对拥有的物质、人力、技术、科技成果、乃至运行机制进行了重新整合，并走出国门寻找合作伙伴，或引进外资和技术，以期借助于国外的资金、先进的技术和管理水平，实现在这一领域跨越式的发展，现取得了令人瞩目的成绩，其中，上海团结普瑞玛激光设备有限公司、沈阳普瑞玛激光切割机有限公司、楚天激光集团等企业已向市场推出了追赶当今世界水平的数控激光切割机。

    数控激光切割机在我国的汽车、电梯制造、包装机械、纺机、电气开关柜、航空航天等工业部门的钣金加工领域已取得了较为成功的应用，但在造船、工程机械等中、厚板材切割量庞大的行业应用甚少，相比之下，在这一点上我国与工业先进国家的差距就显得更大。同时这一现实状况又从另一个侧面预示了：性能优良、价格有竞争力、并且能够胜任中、厚板切割的高功率、大型数控激光切割机在未来中国的市场潜力是极其巨大的。

3机器人切割

    通过机器人操作机的终端手部来夹持切割割炬，以实现三维空间内各种切割加工要求的作业方法称为机器人切割。热切割和机器人的结合使大量要求高效率、高精度自动切割加工的3D工件找到了最佳的解决途径。目前，应用先进工业机器人技术的切割机器人正日益成为自动化切割生产线成套装备的主流，并且代表了未来热切割进一步向柔性化、自动化纵深发展的方向。

3．1机器人切割的主要优点

    a．良好的加工适用性和机动性。

    通常，切割机器人至少拥有6个自由度，可以满足切割头在三维空间内任意的位置和姿态要求，从而完成对其机器臂所能到达的区域内的各类特定需求的切割加工任务。与数控切割机相比较，机器人切割机更适合3D切割加工。切割机器人机座还能安装在移动机构上，达到增加切割作业空间的目的。

    b．容易实现集成化的自动加工。

    切割机器人具有占地面积小、动作灵活的特征，因此，人们能够在较小的作业单元内汇集一台或多台机器人，采用不同的切割工艺方法，甚至将切割与焊接组合起来同时加工一个工件对象，此种机器人集成化的自动加工方法，可以大大简化传统加工的工艺流程，提高生产效率，减少自动化设备及占用场地的投入。

    c．最具柔性化加工特点。

    由于机器人切割机使用柔性化的设计、加工程序和方法，所以它除了能够在同一个作业单元内完成对各种类型零件的切割加工之外，还能非常方便地被移动到另外的作业单元去执行新的切割任务，这是其他自动化切割设备无法比拟的。

3．2切割机器人技术现状

  a．机械结构形式。

    以垂直关节型机器人为主流，这类机器人的操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，其操作灵活性好，节奏快，能够执行360º全空间范围作业。

    切割任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求，同时要求其能在狭小的空间内自由运动，且具备防碰撞功能，故切割机器人的自由度至少为6个。为了保证灵活、准确、可靠地夹持切割割炬完成各项切割任务，一般要求切割机器人的有效负荷要大于10 kg。

b．驱动技术。

根据热切割对作业环境、运行速度和控制方式的适用要求，当前机器人切割机普遍采用交流伺服驱动形式。

c.控制技术

控制计算机为微型机，大多采用32位或64位(CPU，NC技术、离线编程技术和网络通信技术被大量采用。控制机不仅能够完成对切割机器人各关节位置、速度和加速度的控制，同时还可用于和机器人配合的辅助设备的控制。

d.越来越多地应用视觉和触觉等传感器。

e.切割机器人的编程。

要想让割炬按照加工所需要的路径运行，必须给切割机器人赋予位置和动作的执行程序信息，现在常用的方法有直接示教的离线编程2种。

f.嫁接采用精细等离子弧切割、激光切割等先进切割加工工艺，用以提高机器人切割的效率、精度和质量。

3.3   切割机器人技术发展方向

随着计算机技术不断向智能化方向发展以及切割机器人在柔性切割生产系统中的深化应用，切割机器人也在不断朝着智能化的方向前进，以适应多样化、个性化的切割加工要求。

a.在切割机器人的感觉功能方面实现多传感器信息的采集和融合，以监测多变的切割加工环境，作出判断和处理。

b.控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、模块化、网络化，使系统更可靠，操作更容易，维修更方面。

c.由示教再现向NC、离线编程发展，进而推广采用具有切割加工信息反馈的在线自适应实时控制，并最终实现运用多种传感器、能按作业指令、加工环境信息进行控制的智能化切割机器人。

3.4   切割机器人在我国的应用情况与前景

我国切割机器人在生产实践中的应用领域狭窄(主要出现在汽车制造、航空航天工业)，应用规模与国外相比差距更大。究其原因：首先，我国工业机器人整体技术水平与国际先进水平存在一定的差距，至今还没有形成自己的机器人产业，从现有的机器人产品来看，还存在着品种规格杂、零部件通用化程度低、功能不达标、质量及可靠性不稳定等问题；其次，我国切割机器人应用工程起步较晚，使得对适合切割作业机器人的操作机结构形式、控制技术、编程方法等知识了解掌握不够，外加相关的自动化成套装备的整体配套能力也未形成；再者，依据我国现时国情，用机器人替代原有的人工作业，一旦投入势必要考虑到产出回报率的风险，普及应用也因此多少会面临一定的阻力，如此方方面面的不如人意，造成了我国制造行业大部分企业不得已而仍然大量地沿用传统的生产方式。这种情形一方面制约了相关行业自身技术进步和产品质量的提高，另一方面也导致了我国自主设计和生产的切割机器人实用化和产业化步伐缓慢，现代化的切割机器人只得长期依赖进口，产品几乎被国外公司所垄断。就拿近几年的北京·埃森焊接与切割展览会来说，人们已经可以明显地感觉到：中国未来焊接与切割机器人巨大的市场潜力在吸引全球机器人制造商们关注的同时，也正在愈来愈被他们所瓜分和垄断，这当中包括了  FANUC、MOTOMAN、ABB、OTC、Panasonic、REIS等知名公司及其在展览会上向中国观众所展示的焊切机器人产品。

    回顾国内外切割机器人发展的历史、现状及近年来的动态，再结合如今我国的具体情况，我们以为如今的形势已是时不我待，要抓紧发挥产、学、研相结合的优势，在完善和提高已经取得的技术和应用成果的基础上，尽快化大力气拓展切割机器人的应用领域及应用规模。毋庸置疑，随着我国制造业产品升级和技术进步的加快，切割机器人自动化生产线及切割机器人自动化成套装备的市场会越来越大，除了在汽车制造、航空等领域外，还要加倍努力将机器人切割技术介绍、推广到造船、海洋平台、工程机械、钢结构等钢材切割量急剧增加的行业中去，这样一来，既能够解决这些行业对先进切割技术的迫切需求，又可以弥补过去在此层面上工作的  不足，逐步向国际潮流靠拢。

      机器人的研究、开发早已被列入了863高科技发展规划，充分体现了国家对这一问题的重视。国内的  切割机器人研究机构和制造厂商最了解我国企业的资源、生产和工艺的现状，因此我们有理由相信，国产切割机器人(包括已本土化生产的国外品牌产品），在产品价格、技术支持、售后服务、工程的设计和实施等方面占有优势，只要把握好当前良好的发展机遇，加快切割机器人的产业化进程，必定能够研制出适合国情、满足国内市场需求的产品和系统，从根本上扭转国外产品的垄断局面，振兴民族工业。

4  结   论

    传统的手工热切割方法不但要求工人掌握熟练的技能，而且加工效率低，切割质量难以保证，工时和材料浪费巨大。近年来我国技术工人紧缺，雇用技术劳动力的开支费用节节攀升，使许多企业深感压力倍增。为了降低技术劳动力成本，同时改变热切割手工作业的落后状况，科技界和企业界加快了研究开发自动化热切割技术及其装备的步伐，新技术、新工艺不断涌现，新的产品被及时投放市场。就目前而言，国产数控等离子、火焰切割机的主要技术性能指标已接近国际上同类产品的水平，并且由于存在价格及服务上的优势而被国内制造业界所认知和接受，获得了广泛的应用，情况令人鼓舞，后续发展态势健康良好。我国的数控激光切割机和切割机器人，在开发研制技术水平、产业经营规模、产品规格品种、应用领域和现役设备数量等许多面同发达国家相比还在着相当大的差距，我们要实事求是地面对这一落后的现实，同时充分意识到激光和机器人都是受国家产业政策扶植的“863”计划项目，坚定信心，把握住我国经济腾飞和制造业迅猛发展所带来的市场机遇，开拓出数控激光切割机和切割机器人研制和推广应用工作的新局面，力争使我国的自动化热切割事业早日跨入世界先进行列。

 

 

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