三维切割在中厚板行业中的应用

汪永刚

1. 概述

我公司以设计制造切割和焊接自动化装备为主导产品。在热切割领域，研发和生产火焰、等离子及激光三种切割方式的自动化装备。产品主要应用于船舶海工制造、桥梁钢结构、工程机械、压力容器及石油化工等众多行业。

早期，我们采用多轴数控控制方式，将热切割工艺运用到三维切割方面，如管子空间三维切割、H型钢三维切割等。近几年，随着工业机器人的发展，陆续开发了以机器人为执行本体的PRG球扁钢机器人切割生产线、PKG型钢机器人切割等生产线。

2. 目前三维切割国内应用情况

随着近年来我国经济高速增长，三维切割的应用也开始快速发展。三维切割应用较早和较广的应属于汽车制造行业。汽车钣金由于板材薄、批量大，激光三维切割应用比较广，应用也较为成熟。

在中厚板的三维切割应用中，市场发展相应比较缓慢，其主要原因是中厚板三维切割工件大，零件及工装设计复杂，同时变形量难以控制。很多时候为小批量、多批次的加工。因此，更多时候需要离线式编程以及高精度测量跟踪等方式来满足这种情况，因此推广应用相对缓慢。

3. 三维切割在船舶行业的应用

在船舶制造过程中，有大量型材作为船体的龙骨需要切割。由于型材形状不规则，大部分造船厂采用手工切割方式，这种切割方式存在劳动强度大、效率低、切割质量较差等不足。为此，我公司开发了船用PRG球扁钢机器人切割生产线，解决连续、批量、高效加工以及劳动成本日益突出等问题。

PRG球扁钢机器人切割线分自动上料、自动寻料夹紧、激光扫描检测及机器人对型材面的三维切割等环节。主执行机构为6关节的机器人，PRG自动生产线如图1所示。

图1 PRG自动生产线

图2 船用球扁钢

由于球扁钢（见图2）在运输、堆放等过程中易造成原料变形，因此，在机器人切割前，先需对切割路径进行激光扫描，将其偏差值通过系统软件补偿后再由机器人进行切割。这样既可以避免机器人关节碰撞，又可减少切割后零件的偏差。

PRG型材生产线还配备专用的Tribon接口套料管理软件Bulb Steel Nest，可将Tribon设计生成的Gen文件直接导入PRG系统进行加工，也可以通过导入Bulb Steel Nest进行排版套料，最后生成加工程序导入PRG系统进行加工。

4. 三维切割在钢结构行业的应用

在钢结构行业，H型钢的端面经常需要加工，并在腹板和翼板存在较多的螺栓连接孔。传统的做法是通过人工方式，将腹板与翼板进行火焰切割，并通过三维钻加工腹板翼板的螺栓孔。

为此，我公司开发了PKG型钢切割生产线，通过等离子或火焰方式，对H型钢的三个面进行切割加工。同时，通过特殊的小孔切割工艺，使小孔切割精度满足螺栓孔切割精度要求。

5. 三维切割未来研发和发展的期待和建议

目前，三维切割在我国大量应用还存在以下几个方面的问题：

（1）三维切割集成成本较高 作为主流三维执行机构的工业机器人，目前几乎国内市场还是四大家族为主，ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四家占据了我国约80%的市场份额。机器人价格虽然随着市场的竞争逐年在下降，但由于在一些复杂应用环境和需要开通特殊功能或离线编程时，外资企业仍然通过高昂的软件费用，让复杂三维集成应用变得成本太高。目前，我国在机器人的自动化、智能化软硬件方面还与其有不小的差距。

（2）传感检测技术 快速精准的轨迹路径检测是空间三维切割的必要手段之一。激光检测技术、图形检测技术的发展，给三维切割带来新的检测方式。但由于目前图像处理方面，其对光感要求较高，激光检测时检测速度过慢，且目前市场应用产品，均为外资品牌，价格比较昂贵。

（3）三维设计及三维模拟软件的集成应用 空间结构件使用单位有些仍然采用平面CAM设计，无法实现在三维模拟软件下的应用；有些使用了三维设计软件，但由于现在机器人公司提供的三维软件过于复杂，效率比较低，所以应用相对较少。

（4）大型构件的工装夹具设计 在三维切割时，切割时间相对较少，而约三分之二的时间是在上料、装配及其他辅助工作。精巧灵活的专业工装夹具设计，可以保证工件可靠的定位和夹紧以及工件的装卸，同时良好的工装也可扩大先进工艺的使用范围。

生产过程的自动化和对生产设备的高度适应能力的需求，必将促进空间三维切割的快速发展。随着工业4.0在全球的快速发展，以及我国逐渐进入人口红利末期，高度自动化的三维切割市场将会进入快速发展阶段。