圉机器人技术 ＲＯＢ０Ｔ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 水射流 ．Ｉ 机器人 及 川 诺伯特智能装备（山东）有限公司李霞苏渊博 摘要：随着高压水射流技术和机器人技术的不断发展，高压水射流机器人作为一种新兴的环保、安全的切 割设备，必将有更广阔的应用前景。本文阐述了高压水射流切割机器人技术的特点、参数、系统组成及其关 键技术，介绍其在工业、航天和医学等方面的应用，以及国内外发展方向。 关键字：水射流技术；水射流切割；机器人；高压水射流 １引言 破碎，主要是利用漩涡水射流的刚性；而对材料的清洗，更 “水滴石穿”的实质是微小的冲量对时间的积分。高压 多的是对水射流的柔性。现代的水切割技术，通常和数控技 术集成，构成数控水切割机床，｝｝１数控系统操纵水月，完成 复杂轨迹的切割。高压水射流切割原理如图１所示。 水射流加１一技术正是利用相同的原理，把动量加大，缩短时问， 达到断石、断铁、切割的目的。 高压水射流切割 不仅可以切割各类金属或非金属、 性或脆性硬材料，而且是冷切割下艺，因此材料的物理、 机械性能及材质的品间组织结构不会遭到破坏，且免除了后 序加 尤其对特种材料，如钛合金、碳纤维材料等，其切 过滤器 割优势更无法比拟。 水ｌ１】加入相应添加剂，在水 达到２００ＭＰａ的情况下， 切割材料的范闱更广。因此，高压水射流机器人切割堪称近 年来切削加Ｔ领域里的一次技术革命。 高压水射流切割机器人是专为有立体切割要求的工件而 开发的，通过更换程序，即可进行不同形状零件的切割加工。 其优点超过传统的切割方式，如：切速快，切口平整：无尘埃、 无臭、无热效应、不变形；可保持环境清洁、无污染，确保 材料切边品质；减少材料浪费；加砂水刀能切割所有高强度 材料，Ｈ．其切边晶质优良。 图１高压水射流切割原理 Ｔ作时，首先通过增压器将水乐升到３００～ｌＯ００ＭＰａ（动 能转变为压力能），然后使高压水通过直径为０．１～０．６ｒａｍ 的喷嘴，以２～３倍声速喷 （压力能转变为动能）。当水 射流冲击被切割材料时，如果乐力超过材料的破坏强度，即 可切断材料。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料 切割，如纸张、皮革、木材、塑料、各种纤维材料等，进一 ２基本原理和系统组成 ２．１基本原理 步提高压力后可用于切割较薄的金属材料，如飞机蒙皮等。 实践中，人们发现通过在水射流中加入磨料可以大幅度 提高水射流的切割能力，其原因在于磨料的密度较大，可以 使水射流动能更为集中，冲击力也就更为集中，同时磨料表 而锋利的尖刃可以对切割靶物进行微切削，含有磨料的水射 高压水射流切割技术，是利用高压水发生设备产生高压 水 通过喷嘴将压力能转变为高度聚集的水射流动能，用这 种射流对物料进行切割、破碎和清洗。其中对材料的切割和 ５２ Ｉ智能机器人 流的 Ｉ 就像砂轮一样，只小过·般砂轮的软质ＪＩ 体住 这Ｉｉ 做水射流代 Ｊ 。 料刺 流ｂＪ？￣Ｊ 磨料ｌ力ｌ１人的ｈ‘淡义分成前混ｆ１１ Ｊ 混 种。 科射流 刊足 水射流彤战前，使水、 料均匀 混合，之 ｆ Ｆ水和晰料从唢嘴－｝ 高述喷ｆ｛｛， 料和水 流！ｌ仃桐 的 ，ＪｆＩ】述度， 脱订·定难度。 混 料射 流 州足 尚 水射流肜成后，依 ｌ■ 水流 过水喷嘴口１『 Ｊ 。ｆ。ｎ 饥 米吸酱 述 料 瞪料很难进入射流的 心 得到允分』ＪＩＪ述， 瞎料 难达剑水的述 ，这 敛能 １＇１９浪 。脯料通常采川粉腹为８０～１ ５０¨的二瓴化 、氰 化｛｝｛、惭槲 ， 料的状态仃ｆ 』 ｆ１Ｉ湿式Ｉ从ｉ种，』ｅ供给力’ 分…Ｉ『殷式干【ｌ动 Ｊ机微（乐缩 气 ）输送式，人多数使 ｆ＝ｆＩＪ ｆ 』ｌ＝睽料，供给，Ｊ 』 采川一吸 。 爪意冈如 ２ 爪。 【 ２工一１１＝可：搿、【 ２．２系统组成 他川 ¨ｊ消洗饥逊 水ｂＪｉｉｆ０址指将水增至剑 状态， 然 嗵过１ 流小孔，ｉｌ：水 的热能转化成射流功能，址＿后果 『｛』这种 逑惭 的水射流球逊｛ 剂施 瞎料水射流 割 就址ｌｊｆ 水射流，ｔ·』ＪＩ】入瞵卡：ｔ． 了， 合管形成 料ｇ 流进 仃｜ＪＪ 刊。离¨｛水射流 Ｉ 机器人系统 成如ｌ戈１ ３所爪。 蓄压器 启闭阀 ＮＴ Ｅ Ｌ ＬＧＥＮＴ ＲＯ ＢＯＴ 智能机器人》Ａｕｇｕｓｔ．２０ １ ８ 实现ｆ 述』ＪＪ能的部什分圳址： （１）机 人系统 机 人系统ｒｆ，包 机 人、 制 、爪微 呔 及水刀头央持治ｊ ，足水，ＪｌＪＪ 刊系统『ｆｌ的 ；ＩｌｌＪ 分， 水 Ｊ的切割流 制切割路 姚 Ｉ Ｉ外 没衙的１１＞ｌ，ｄ ；ｌｉ０。 （２）供水 就是将水质软化，这址 削 业 必 的条什，没仃供 水裴臀， 达到 俐的Ｈ的琊简１ ｉ＝桃址 想， 小小¨丁能 ， 【 此，供水装 势必不川‘缺的。 （３）增 装 增 装 址 备的 缃战 什，ｊ￡ ｆｌ，址增 。增 器能够使水刮达可以ｌＩ ｉ ｆ１ 的水 ，确ｆ ｝ Ｆ纾的按 【Ｊ１ｆ完成， 此，这一构ｆ＇ｔ：也址 ？ 暇 的。 （４）高Ｊ｝ 水路装 增 系统干¨ｂＪ？０头装 ｉｔＩｆ ’ 水蹄ｊ生披的．， ！Ｉ怵拖 Ｉ 时， 采川趟舟 钢１ ：卞¨旋转于２乏尖，钢１ ：－ 仃挠钩一ｒｌ：， 接头赏埘ＩＩ Ｊ、川‘ 、灵活，除此之外，挺转拔 多种 旋向 式和‘定的Ｉ 作辱命， 。能 证 削ｌ 作的ｔｌ ； 运仃。 （５） 料供给装 这一装 也 料仓、晰料、流罐ｆＩ１输送１ ：。 （６）｝ＪＪ俐 装置 切割头装 也捅—— 水 父 ｌ 水 料 濉合审干¨混合竹 邝件。 （７）运动 制装 现 今的ｂＪｉ￣ｆ０没备荇『５址ｆｌｌ微＋ｈ ｆ－控制或ＩＪｌ｝１ 、 ｌｆＪｌ 人 ， …’实 门Ｉ轴职动。 此行束，ｆ；、 水射流［－ｊｊ＇，ｔ 址．种『Ｙ＇ｊ精】蔓 的切割Ｉ：艺力‘法，必彻…ｆ 精 ｈ：（ｊｈ｝』Ｊ； ０设 水充分 合／ｊ‘能 满足Ｉ 作的 求。 （８）接收 切Ｉ 什干¨ 刊、大的处于接收 的Ｉ ，Ｊ’，接收 就』 川 求收集｝ＪＪ割剩余口Ｉｆ流。 有淌能、降噪、防溅ｆ１Ｉ 奠个 Ｊ＿ＪＪ能。 ３ 流 ＆永∞丁∑ 面一 使』Ｈ水射流妓术可以 多种操作，例 削、悦 、 ｛『ｌｆｉ占＿、钻孔、修边、 惜以技¨个表 料ｎ 除 ’。Ｉ‘、ｌ 的发胰以及新材料的小断ｉｆ１ｊ脱刈‘』Ｊ『 ｌＩ 过 捉…Ｊ 新的 求。 例如，谯航空制造业中使川Ｉ Ｊ －Ⅱ 特干叶 料， 钛俞 、似 乡｜维复台材料、增强 料玻璃 ，这些材料川ｊ 它，Ｊ法难以 ５３ ｆ智能机器人 ■机器人技术 ＲＯＢＯＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 进行切割或存在加工质量问题。对于高强度高硬度材料（如 钛合金），若采用激光切割，由于激光切割是在高温下进行的， 在材料切口处会产生热影响区，热影响区对材料的性能有严 重的危害，所以必须通过磨削彻底消除热影响区，增加了加 花岗岩、陶瓷等，造纸业中加工成品纸卷、瓦楞纸、卫生纸等 木材业中加］ 胶合板、木板等。 ４国外发展动向 Ｔ １：序，降低了生产效率。而对于碳纤维复合材料，在用普 通疗法高速切割时，易在刀具卜产生缠绕。高压水射流切割 由于其独特的优点，对这些用其它方法难以切割的航空材料， 是非常理想或唯一的加 手段。 高压水射流［９ 中的混合管寿命取决于磨料的流速，即流 速越快，磨损越快。｛昆合管磨损后 】，会导致。１ 件的切割缝 变宽，不能达到预期的公差极限，更换混合管需要重新定位 混合管水射流中心，因而耗费大虽的工时。 在切割过程中，当磨料颗粒从射流中脱离出来后，会在 丁件表面产生喷砂现象，这对铜、玻璃等表面要求光亮度较 高的材料来说是最不希望的。新发明防喷装置，同定在切割 日前一１ 业中使用的水射流技术主要有两种实现方法：纯 水射流和磨料水射流。在过去的２０年中，纯水射流已经得到 了广泛的应用，并为磨料水射流技术奠定了基础，使用纯水 射流可以进行清洁和去毛刺等操作。当水压在１００ＭＰａ以卜 时，塑料、纸张和纺织晶等软材料可以被切割。然而，对于 硬质材料的切割而言，南喷嘴射出的高压水的力量还不够充 足。将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中。磨料 的加入使得水射流具有了锯条的特性，射流的力量被大大加 头卜，环绕着切割流，既可阻止磨料从射流中跑 破坏工件 表面，又可降低加工噪声。射流切割时的偏转当射流在工件 表面移动时，将会沿１二件的切割缝发生偏转。射流移动越快， 偏转（Ｌ）越严重。对于直线切割来说，对 件切割精度影响 不大；但对于切割转角及复杂曲线时，就会影响加工精度。 所以操作者必须根据切割的材料种类、磨料类型、喷嘴压力、 强ｒ。磨料水射流几乎可以切割任何材料，例如玻璃、金属、 合金、陶瓷材料和碳化金属。近年来，高压水射流技术的应 用获得丁极大发展。在同外，水切割还被作为一利 革命性的 应用于外科手术当中。 ＿】 业｝ 常用的磨料水射流切割技术包括磨料注射切割和 喷管直径、磨料流量、混合管直径以及材料厚度等参数，综 合计算出加＿Ｉ Ｔ作路径１－．任一点的切割速度，然后在加工过 程中不断调整喷嘴射流移动速度，以确保在所有加 时间内， 使射流以最快速度移动并既保证生产率，又不降低切割精度。 达此目标既要有理论计算，又需要实际经验，不然是很难完 成的。现已开发出一种智能型控制系统，在切割前把所有参 数输入到微机中，对整个切割线路进行优化，由微机控制实 现最佳速度切割。这种系统可在有ＤＯＳ系统支持的ＰＣ／４８６ ８Ｍ ＲＡＭ）微机上运行，由于系统通过并行口与微机相连，不 影响微机的升级换代。美吲现已成 水射流联合会（Ｗａｔｅｒｊｅｔ 磨料悬浮切割，即我们通常所说的前混合式磨料切割和后混 合式磨料切割。这两种方法的本质区别在于磨料加入水中的 方式不同，同时磨料悬浮切割技术能提供更好的切割效果。 还有一种被称为聚合物水射流的方法，即向水中加入少量高 分子长链聚合物的添加剂，提高射流密集度及射程，主要用 于切割较软或稍硬材料。 汽车Ｊ：业：加工各种非金属材料，如仪表板、地毯、石 Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ），用于联系全国的水（磨料）射流服务中心。该 联合会的成员几乎涉及所有水（磨料）射流切割的应用领域， 包括切割铝、铜、钛、碳钢、不锈钢以及各种化合物等等。 如此广一泛的应用，使得联合会能根据用户的需要向他们提供 最佳的服务。 棉刹车讨垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料、 燃气箱等，以及其他内外组件的成形切割。航空１二业：可切 割特种材料，如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层 卺金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片，叶片 的切割边缘无热影响区和加 Ｔ：硬化现象，省去了后序加１：。 铸造 业：铸造一Ｌ厂可用水射流切割技术去除丁件外部的氧 化钒、铸件上的型砂及陶瓷涂等。同时，可切割常规方法难 以ｔＵ割的灰铸铁件。电子及电脑工业，可以进行印刷电路板 ５技术发展方向 高乐水射流切割有着十分广阔的应用前景。我国的高压 水射流切割技术虽然有了很大的发展，与世界先进水平相比， 及薄膜形状的成形割。其他 业水射流和磨料射流切割技术 还可在其他＿ｒ业加１ 中应用，如用于建筑业中切割大理石、 在向商品转化方面仍有较大差距。发展方向主要有以下几个 方面： ５４ ｌ智能机器人 （１）４２－ Ｉ功 找ｌ１４Ｉ，１０Ｉ ’０ｊ 水射流ｆＪＬ纠Ｉ ＪＪ＿ｊ 多住５５～１３０ｋＷ之Ｉｌｌｊ， ｌＯＯＭＰａ以内。 · 瞅火… Ｊ ： 饥组功 多 １００～３００ｋＷ， ，Ｊ １００～２００ＭＰａ， 参数【１ｒ达功 ５００ｋＷ， ＪＪ Ｉ５０～２００ＭＰａ。人功半多为柴油机 ，除Ｊ 帆功、 ＿ｆ 、 Ｊ ｉＪ州１ 外，分动，Ｊ 动液 系统可以ｆ１ 为Ｊ州边波衙的 ¨３弧 （２）摊６ ｆ（，ｊ Ｊｆ； 功半小（ ｌ ５ｋＷ），以变压器ｆｆｌｌｆ１：为ｒ顷， 水 刊· Ｋ人功率（＞３０ｋＷ），以消水作ｒ质，ｌｉ＿连绒运ｉ ， 埘增 器的；出求橄 。 ｆ ｌｔｌ（系统的白『靠性，必须硫ｆ ，ｌ芏ｊ尚 惭蚶干｛ｌｉｆ－、…水阀 运｛ｔ ＩＩ ， ｎ’ｆＪ Ｉ满 所“眼 ｆ 什材料的选川、榆测 ｌ 岂的『 求。 （３）抛ｌ■喷嘴 命 水『ｊｌｆ流Ⅲ削喷嘴的研究· 址个热点，水喷嘴多采川脏 １】 ．， 命川题突ｆ¨Ｊ互映 料喷嘴卜。我【 材料 难过火， 命 低。ＪＪ『Ｊ之小 懊 制， 难以保 个ｍ￣ｔ，ｆ＃（１９形 状ｆ１Ｉ Ｊ 小。 （４）批 ｌ ’０午 能化水、卜 外Ｉ，『 水射流ｂＪ；Ｕ１饥 人 产…Ｉ１ 商＾ ｛二 转 能化水、 伙帧桐父 ，Ｉｋ．（ｔ９Ｉ 作， 数控切割 台ＣＮＣ ５＇：－１ 嫂 、 维ｆ 形 俐、六轴帆 人，利川这些技术ｆ ｒ水 ｜ＪＪ Ｉ；＝ｌＪｆＪ【的ｌＩ¨ 运ｆ 。我… ｉ Ｊ 的 维 运动１ 作白址ＩＩＩ微 饥控制的，ｉ：ｔ 炎 址数 的。我ｆ’ｌＪ Ｊ、 先他二维水ｂｊ＇，ｉｆ１饥达 ｊｉｕ…外ｆ－ 炎Ｊ ： １＾水 ，ｆｌ『｝ 求 Ｉ ’ ０什能化技术水、卜。 ’ 水时流｝ＪＪ俐技小＝址·利ｔ符 ｛今［ｉ『持续发 潮流的 绿色制造技术，址一利－新Ｊ 的冷怠ｔ 能 切割技术，它址近 ２Ｏ 水迅述发艟起来的一¨新技术，其 川１ 分广泛。４芏ｊ『■ ｎｉ水射流技术的发腱怵现ｒ绿色 造慨念正逐步椿人人心， 越来越做人 所币： ，傲ｃ人为址２１ ＩＩＩ：￣ｔＬ｛）Ｃ先发ｌ￣＜＇－－ｉｆ０辛流 削 技术。作 ２ｉ ＩＩＩ；￣ｄｆｌ 绿 ｝ＪＪ ｝ Ｉ １ ，超高 高九ｉ水射流ｔ）ｊ；ｌ（Ｊ１ ６１Ｌ２，２）人 ？＇ｉ：７１４多优坍， ｌＩ ＿仃心川 景，今后ＩＥ…『■效、 多Ｊ 能、 ｉｌｋ－ｔｉｃ、尚精度化、 化力‘向发Ｊ醍。ｌＩｌｌ…ｆ１： “…： 界圳造、ｌ ·ｉ，心”， 该 怏 女ｒ¨ 的切削１ ，发托：… 『 的，Ｉ Ｊ ： Ｊ水平。 Ｎ ＴＥ Ｌ ＬＧＥＮＴ Ｒ０Ｂ０Ｔ 智能机器人》Ａｕｇｕｓｔ．２０１ ８ ＠绐 要甚 ¨ｉ水射流技术ｌ㈠ 效、多ＪＪｌＪ能、 能化、￣ｆｉ＂ｌｆｉｌ化，Ｊ‘ …发 ，川ｌｌ，Ｊ饥器人技术也发』陡迅述，『 水 流 Ｉ ｆＪ【 人系统硬ｌｆＩｌ父技术是 家发 迹ｔＹｊ＇，／ ，的卡袭心坎术。水ｆｊ１ｆ流 ｂＪ；ｇ［Ｊ４￣术 ｊ帆器人技术的 炎站合坍必会仃 人的发腱 ＩＪ。 随着 Ｉ： 水射流 削机 人的 能化、使从化ｆ１Ｉ ：准化 度的捉“，ｊ 将越来越多的 防、艘拆、防士ｊ｝等领域一ｌｔ棒 代现 （１９ｆｉ：、ｌ Ｆ段。 参考文献 Ｉ１】华林，王华昌．激光切割和水切割技术 机械制造、 Ｊｆｌ【 １Ｉ（１ ． ２ Ｄ．Ｉ３ｉｎｇｍ ａｔ］１１，Ｍ．＼＇Ｖｉｃｍ＇ｍｎ，ｌ０ Ｌ ｌＳｐｃｃｋｍａｌ１ｌｌ（：ＬＩｔｔｉｎｇ ｏｉ‘ｌｉ＼ｉＩ、 ｈｉｐｐｏｃａｍ ｐａｌｓｌｉｃｅｓ ｂｖ ａ ｈｉｇｈｌ ３ ｐｒｃｓｓｕｒｉｓｃｄ ｗａｔｅｒ １ｃｔ ｆｎｌａＣｒ｛）ｎｒｉｎｇ（ ｔｆ ｍｃ）ＬＩ］．Ｉｉ＞ｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｅｕｒｏｓｃｉｃｒｌｃｃ Ｍｅｔｈｏｄｓ，２Ｏ（１｛ｌｆ１（１２）：１—９． ３ ｌｌｏｎｌ Ｍ，Ｒｃｎｔｚｓｃｈ Ｒ，Ｍｕｌｌｅｔ。（ ， ｌ＇ｈｃ ＬｉＳｔ？（１ｆｗａｔｃｒｉｃｕｉｎｇ ｔｃｃｈｍ）ｌｔ’婚 ｉｎ ｐｒｏｓｔｈｃｓｃｓ １。ｃ、 ｉｓｉ（）ｎ ｓｕｒｇｅｄ—Ｉ ｉｒｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐａｒａｍｃ ｔｅｌ ｓｔｕｉｃｓ ｔｉｌｌ ｈ（ Ｉ１Ｌ’ ａｎｄ ｈｉ）ｔｉｃ（￣ｃｎｌｃｌｌｔ［］］．１（）ＬＲＮＡＩ （）ｆ ＢＩ【）Ｍ ＤＩ（：１、Ｉ．ＭＡＴｌ Ｒ ＩＡｌ Ｓ ＲＩ Ｓ ＡＲ（：¨－２（）００．５３（６）：７８１ ７９（） ．Ｉ４１Ｄ Ｋ Ｓｈａｎｍｕｇａｒｎ，Ｆ．Ｉ （： ｎ，Ｉ＇；．Ｓｉｏｒｃｓ（］￣）ｍｐａｒａｔｉｘ ｓｔｕｄ）１）ｆ＇１ Ｉ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｃｃｈｎｏｌｏｇｉｃｓ‘１ｖｃｒ ｌａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｉｔｘｇ ｔｃｃｈｎｏｈ）ｇ｝ ·ｒ ｃ Ｌｔｔｔｉｎ￣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｃｒＭｓ［Ｈ．Ｃｏｍｐ（）ｓｉｔｅ ｓ”ＬＩＣ［Ｌｌｌ’ ｓ ２（ｉｌ）２（５７）：２８９—２‘）ｆ） ＿Ｉ５ｌ杨志，陈世明，张毅军，李满．高压水射流技术的发』是硬应Ｊｑ… 机械管理开发，２００９，５（２４）：８７ ９１ｌ Ｉ６】于洪，陆庭侃高压水射 充割缝提高瓦斯抽放效率的研究… 煤炭科学技术，２００９．３（３７）：４４—４６． １７１张东速，杨立志，董祖伟，陈斌．高压水射流技术在矿井生产巾 的安全应用…．煤矿机械，２（ｑ１，３（３２）：２１ ３ ２１４ １８］张昊宇，李辉，刘震，崔俊崎．高压水射流切割效能研究 机 械研究与应用，２００８，５（２１）：１ ５—１ ６ 『９】李连荣，王晓燕．许栋刚 大厚度材半十磨科水射流切割工艺硬 关键技术…．新技术新工艺，２… ，４：７９—８２ 作者简介 李霞（１９８２一）女硕士高级工程师研究方向：＋５－业机嚣人 ５５ ｌ智能机器人