基于工業機器人空氣等離子切割系統設計

林元明

（廣西藤縣電力管理站，廣西 梧州 543300）

0 引言

對切割機的研究已經較為深入，技術也很成熟了，市場上多種品牌的切割機還是要人工切割。雖然這些產品使用輕巧方便，但畢竟人工切割的產品總有一些問題，比如人工切割時因為手抖、動作的姿勢不便而間斷、或許外界因素等從而導致切割出錯，切口不均勻平整。因而需要進行二次加工切口，甚至切割物不合適而報廢，浪費材料，在精度要求高的行業人工切割根本很難滿足，即使有更好的經驗，也很難實現。隨著時代的發展，在汽車和船舶制造業中，切割和焊接的加工手段成了重要的技術，而在自動化加工領域中，可以實現很多不同類型的加工，根據需要完成切割或者是焊接加工工作的就是機器人，可見機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，如蘇聯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。蘇聯生產的KPHCTA型等離子切割機，切割板嗥為2～l00 mm，切割速度 可達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切割機以及相應的水工作臺裝置[2]。在國內，北京林克曼數控公司生產的型鋼和坡口切割機器人，它能自動完成各種型鋼和任意曲線焊接坡口的切割加工，還有庫開機電科技三維激光切割系統，以ABB IRB2400系列機器人為載體，搭載激光器來切割鈑金件[3]。機器人切割從無到有，從有到精的這個發展歷程，機器人代替人工進行切割工作是非常有意義的發展。機器人切割不僅僅效率高，能夠長時間地進行工作，但人工作是需要休息的；而且切割效果非常好，切割板材切口細小而平整均勻穩定，人工切割粗糙而凹凸參差間斷是達不到機器切割的效果；同時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 試驗系統及裝置

工業機器人空氣等離子切割系統硬件結構分別由空氣等離子切割機、工業機器人本體和空氣壓縮機三大部分組成?？諝獾入x子切割機是由空氣壓縮機提供氣壓源，利用工業機器人本體控制切割機運動切割，工業機器人代替人工切割，硬件結構框架圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框架圖

1.1 空氣等離子切割機

空氣等離子切割機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 空氣等離子切割機原理

空氣等離子切割機工程過程如下，安裝和接通線路以及接通氣壓后，閉合開關K1，電源指示燈XD亮，則表示電源已接通；并且切割機內部冷卻風機FM開始啟動，切割機待機準備；按下割槍上K3，繼電器J1通電動作，則J1常開輔助觸點J1-2動作，電磁閥DF接通，因此空氣通路打開，割炬試氣成功[5]。同時繼電器J1另一常開輔助觸點J1-1閉合，接通電阻R3，電容C11充電，二極管D7和電容C11組合成延時電路，延時3～5 s時間充電完畢，則繼電器J2通電動作，J2常開觸頭J2-1閉合，接觸器KM接通[6]，主電路接通，經過變壓器B1和三相整流后，正極流經電感B5，通過連接線連接到工件上，負極流經變壓器B2構成電路回路[7]。在主電路連通時，接觸器KM常開觸點連通，接通繼電器J3，又因為DK是常閉，繼電器J3常開觸點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，經過B2電壓疊加到工件處，噴嘴連接工件，引弧成功。

1.2 工業機器人的運動學原理

運動學正解是根據機器人軸的旋轉角度，推算出機器人的空間姿態和TCP的空間坐標[9]。而運動學反解是根據機器人TCP位置坐標，反過來推算出每個軸的旋轉角度，這兩個是運動學原理的基礎?？梢姡\動學正解和運動學反解的條件和結論正巧是相互反過來，知道了工作點的位置，機器人的運動就是根據所選的運動方式運動到位置點而形成軌跡的過程。工業機器人控制柜中共有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的傳感器設備，將需要檢測進行控制開始啟動的信號傳給控制系統；輸出端口可以將系統處理的信號輸送出去，進行控制各種設備的開與關動作。在本設計中使用一個EXO輸出端口，輸出端口與一個繼電器相連接，繼電器和切割機的控制按鈕連接，所以通過控制繼電器吸合和斷開達到控制切割機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 夾具系統設計

本設計使用的工業機器人是六自由度的機器人，設計的夾具是在機器人第六自由度上面固定添加的，從而實現兩者的連接[10]。夾具是根據機器人第六自由度上的形狀而設計，利用SolidWorks繪圖軟件設計模型，然后通過3D打印機將模型打印出來，如圖5所示。夾具可以將切割機上的割炬夾緊，通過控制機器人各個軸關節移動進行切割。

圖5 夾具

夾具設計和組裝好，準備開始調試工作，系統的工作過程如圖6所示。在開始切割前需要對工具坐標系進行重新標定，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生等，和應該注意的問題，從而有應對的措施和辦法。切割測試完成后，開始切割圖案準備工作，即記錄圓圖案的位置點，確定切割圓圖案的切割軌跡，編寫程序，空運行程序調試軌跡，調試軌跡無誤后，添加切割動作，開始切割圓。同樣的方法，記錄五角星圖案的位置點，編寫軌跡程序并調試，調試成功添加切割控制，開始切割五角星圖案。

圖6 系統工作流程圖

選擇工具坐標系，對路徑的規劃，在短時間內可以完成切割板材的工作[12]。工業機器人選擇在某個坐標系方式下控制，前提是需要對坐標系進行重新標定。不然很難控制機器人在系統原有的坐標系下簡單而快速地進行工作，更不能說能夠精準地工作來實現操作。本設計選擇工具坐標系方式，其中2點法、3點法、4點法、6點法是標定工具坐標系的四種方法[13]。

2 試驗結果與分析

機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，則誤差結果為10.10-9.38=0.72 mm，而機器人切割直線效果是線性，誤差基本上可以忽略，從0.72 mm這個數據來看，數據本身不大，1 mm很小，但從切割的效果上和相比機器人切割效果上看，這數據相差起來就非常大，顯而易見。在切割圓和五角星的時候由于機器人本體的抖動和記錄位置點的細微偏差等緣故，在切割過程中機器人出現姿態有細微的偏差，從而導致在兩點的過渡時發生偏斜切割，如圖7（c，d，e）所示。從圖7（c）和圖7（d）中顯示，測量結果為70.37 mm和72.34 mm，所以發生偏斜有72.34-70.37=1.97 mm距離，即在切割圓時機器人發生了1.97 mm的姿態偏斜。從圖7（e）中測量得到的數據為67.37 mm，即在前面介紹到的五角星的一個尖頂點與中心點（O點）連線延長線相交點距離是67.37 mm，和在計劃設計中的距離為69.10 mm，兩者相差有69.10-67.37=1.73 mm，這個數據是最大的數據差，切割縫隙的最外邊距離，這個距離跟切割機的割炬噴嘴也有關系，因為噴嘴也有一定大的距離小嘴口。

圖7 工業機器人切割試驗效果圖

切割的效果好，有3個方面的因素。（1）在切割的過程中都非常平穩，能夠在與鋼板面幾乎平行的一個平面平穩地前進，割炬與鋼板的距離不會出現時高時低的情況；（2）能夠呈現線性運動，按照調試時規定的軌跡路徑前進，不會偏離路徑軌跡前進；（3）切割速度非常均勻，每兩個位置點間每時每刻的速度都是勻速前進，而手工切割根本無法實現勻速前進，只能達到相對達到勻速。這3個因素都是基于機器人上實現，都能夠達到這些因素的要求，可以調平面、定軌跡、改速度，并且能夠實現點與點之間的連續性，即兩點間的過渡。因為這些因素都會影響到切口的平滑性，正是因為人工切割時手的抖動性大，影響到割炬的噴嘴與鋼板面的距離時大時小，軌跡左右偏移，速度的時快時慢，所以導致切口處非常粗糙，不均勻，并且殘渣多而難清理，因而經常需要進行二次加工處理。切割圓和五角星的過程中出現細微的偏差。存在這個問題的原因歸納有4點因素：（1）在采用6點法進行工具坐標系標點的時候，前面4個位置點的標定存在的誤差很大，導致標定的工具坐標系有誤差；(2)記錄切割位置點的差距大；（3）機器人在拐點處發生細微的抖動偏差，過渡的時間和速度的偏差，在程序中沒處理好；（4）構建切割平臺沒有相對平整等因素所導致。因為在進行標定坐標系和記錄位置點的過程有的是通過人的肉眼進行判定的，有的雖然通過計算機計算位置點坐標數據并進行標定，但仍會有誤差，所以沒有絕對的精準。

3 結語

探索空氣等離子切割問題并對工業機器人控制操作以及編程展開探討。通過采用空氣壓縮機壓縮空氣作為空氣等離子切割機的氣源，利用SolidWorks繪圖軟件為切割機和機器人連接在一起量身定制，設計出一款獨有的夾具。經過多次對硬件架構連接的調節和軟件編程的調試及篩選，實踐表明，最終選擇利用工業機器人在工具坐標系下操作控制，利用六點法進行重新標定工具坐標系，工業機器人便能夠在標定的目標點平穩執行切割任務，實現預期的目標。