當制造業(yè)逐步走出金融危機的影響、準備放手大干的時候，又面臨一場用工荒和人力成本快速上升的雙重考驗。

從目前來看，勞動力成本的上升不會停止更不會下降，如何最大化降低人力成本，如何減少制造過程中人對于產品質量和生產效率的影響，是整個中國制造業(yè)亟待解決的問題。從世界上發(fā)達國家的成熟經驗來看，加工智能化是最適合的解決方案。

焊接、坡口工藝很重要

焊接是金屬板材的外科醫(yī)生，在機械制造領域的作用就如同關節(jié)在人類骨骼上的作用，沒有關節(jié)的骨骼撐不起人類的身體，而沒有焊接的工業(yè)也必然走向衰敗。俗語云：“千里之堤潰于蟻穴”。焊接如果出了問題將對工程造成致命的損害，國內權威焊接專家吳森指出：國內的幾次火箭發(fā)射事故都是由于焊接問題引起的。

在科學技術飛速發(fā)展的當今時代，焊接已經從一種傳統(tǒng)的熱加工技藝發(fā)展到了集材料、冶金、結構、力學、電子等多門類科學為一體的工程工藝學科。而且，隨著相關學科技術的發(fā)展和進步，不斷有新的知識融合在焊接之中，焊接的工藝也愈來愈先進。坡口加工作為大型工件焊接的前提和重要組成部分，其對制造行業(yè)同樣具有極為重要的意義。

中國的切割技術很落后

據了解，目前我國市場上那些數(shù)控切割機產品基本還都是基于70、80年代所使用的數(shù)控下料龍門切割機；至于無限旋轉變坡口切割也同樣工作在數(shù)控龍門架的基礎上，坡口角度只能控制在45。以下的上坡口，不能切割下坡口；對已經下好料的工件切割坡口也只能在固定的工位上，不能自動尋找工件準確位置，一旦碰到沉重、巨大或非標準彎曲工件，就根本無法進行坡口切割，更不可能進行二次坡口切割。也有小部分企業(yè)采用機器人坡口切割，不過那些產品全部要事先對所有工件進行示教，對每種工件加工都需要夾具/工裝/定位鐺，基本還是沿用發(fā)達國家上世紀90年代的應用方法。

譬如，盡管我國某大公司實力雄厚，在兩年前斥資購買了二十幾套示教型機器人坡口切割設備，可最后得到的工件卻加工質量差、成本很高。由于設備智能化水平低，企業(yè)需要配備大量高級編程人員；同時該設備加工速度很慢，對非標準化工件根本不能加工。最后企業(yè)不得不放棄該示教型機器人系統(tǒng)，仍然采用人工打磨的方式，由此帶來的后果就是整機和大件的焊接部分容易出現(xiàn)斷裂和裂縫，最終影響了產品的質量和聲譽。

為什么會出現(xiàn)這種狀況，某位資深專家指出：一方面是因為隨著十多年來中國制造的騰飛，我國對坡口切割人才、技術需求急劇增長；另一方面，長期以來在我國大中專院校和焊接行業(yè)的各級職業(yè)與技能培訓機構，只有焊接專業(yè)和培訓，沒有切割專業(yè)和培訓，特別是坡口切割。同時，由于國內在機器人制造業(yè)和軟件綜合技術方面的落后，我國暫時還缺乏擁有高技術背景的高智能化、領軍型、實干型人才，這更加劇了我國坡口加工技術落后的嚴峻現(xiàn)實。

先進的無示教加工系統(tǒng)

如何實現(xiàn)坡口加工的快速高效？當這個問題被推上風口浪尖時，幾個并不陌生的詞越來越多地映入大家的腦海：智能化加工、激光、等離子、火焰。

當前，在激光技術被廣泛應用的汽車、船舶、電子、半導體等行業(yè)，智能化加工著實為提高產量、減少人工、減少損耗做出了巨大的貢獻。與此同時，ABB、REIS、KUKA、史陶比爾、新松機器人等智能化工業(yè)企業(yè)在不知不覺滲入激光行業(yè)時，更大大推動了激光加工技術的發(fā)展。然而，能夠完美匹配各激光集成系統(tǒng)的機械手臂或智能化系統(tǒng)只在少數(shù)。

但毋庸置疑的是，當機械手臂、激光加工系統(tǒng)、控制軟件幾者完美地結合在一起的時候，激光加工智能化技術便可以散發(fā)出迷人的魅力和耀眼的光芒，快速高效的焊接坡口加工也不再是空想。

眾所周知，德國是世界上著名的制造強國。在德國，有一種能數(shù)十倍提高坡口加工效率的先進生產系統(tǒng)——BIBER(德國智能等離子/火焰坡口切割加工系統(tǒng)品牌)改善的KUKA機器人，在此基礎上進行了二次開發(fā)。它正是匹配了激光/等離子切割的高智能系統(tǒng)。

據該系統(tǒng)的主要發(fā)明者之一的德籍華裔工程師顧毅風介紹，該系統(tǒng)主要用于金屬鋼板2D/3D直角和坡口的加工切割任務。它可以在各種不同材料型材上以切割形式打任何幾何曲線、打孔，并在其中的曲線或者孔沿上進行上下倒角；按任意角度進行上下坡口切割；多坡口切割時能在坡口之間實現(xiàn)平滑過渡等。

據顧毅風工程師講，這套智能生產系統(tǒng)先進之處是：它實現(xiàn)了機器人坡口鈍邊切割全部智能化、機器人無須示教、不需人工編程，工件也不需要固定卡具、工位。該系統(tǒng)可以直接在CAD中輸入零件圖形進行編輯，30秒鐘左右就能產生操作制造的CAM機器人運行程序。同時，該系統(tǒng)能在線用激光掃描測量零件所在位置，自動識別工件切割部位，在精確定位后能進行切割。它能輕松完成對鋼板的各種2D(如平面)和3D(如多坡口)切割作業(yè)，可以完全滿足用戶對金屬板材任意CAD文件圖形切割及坡口切割。

對比其他系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作理念已經完全超出原來傳統(tǒng)機器人的工作方法。據了解，在平面和空間熱切割領域中，這套世界頂尖的全自動金屬鋼板坡口加工切割系統(tǒng)至少領先世界機器人切割行業(yè)15年～20年以上，對當今世界特別是中國的機械生產制造具有重要的意義。

如何離線編程

據了解，通常機器人編程方式可分為以下3種方式。

示教再現(xiàn)編程 示教再現(xiàn)型機器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低；示教的精度完全靠示教者的經驗目測決定，對于復雜路徑難以取得令人滿意的示教效果；對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無能為力。

離線編程與小范圍示教編程 機器人離線編程系統(tǒng)是利用計算機圖形學的成果，通過對編程結果進行2D/3D圖形動畫仿真，最后將生成的代碼傳到機器人控制柜，以控制機器人運動。由于理論編程與實際機器設備之間的差別，這種方式還必須再到真實機器上進行小范圍示教編程。其對于復雜路徑難以取得令人滿意的示教效果，對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無法滿足。

完全離線編程(非示教) 機器人離線編程系統(tǒng)是利用計算機圖形學的成果，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。最后將生成的代碼傳到機器人控制柜，以控制機器人運動，同時通過激光去測量工件的位置與公差，與輸入的CAD圖紙進行比較換算，完成給定的所有加工任務。

調查顯示，目前在國內外生產中應用的機器人系統(tǒng)大多為示教再現(xiàn)型。而筆者所見到的這套系統(tǒng)正是完全離線的編程系統(tǒng)。它無須傳統(tǒng)的示教方式和復雜的CAD軟件。在采訪過程中，顧毅風工程師隨手調出一個零件模型，鼠標輕輕點擊幾下，僅僅幾十秒內，一個標準的坡口加工程序就已經編寫完畢了，它的簡單和快捷大大超出了筆者的想像。

與傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)型機器人系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)為企業(yè)省去了大量在龍門式切割和普通機器人切割中需要的高級編程人員，避免了企業(yè)高技術編程人員和普通編程人員由于經驗懸殊而造成的編程和工藝參數(shù)差別。當企業(yè)遇到多批次、小批量定貨時，這套系統(tǒng)能大大節(jié)省企業(yè)成本、縮短加工時間和加快交貨周期。

另外，據顧毅風工程師講，這套先進設備一旦調試完畢，客戶在生產切割任何組件時就像使用微波爐一樣，不再需要機器人定位，徹底解決了數(shù)控龍門坡口切割系統(tǒng)的繁瑣問題。

如何激光掃描

該系統(tǒng)對傳統(tǒng)方式的一大突破是實現(xiàn)了離線編程，另一大突破是采用了激光掃描測量。在該系統(tǒng)中，它使用了線條形激光掃描器，該儀器是一個帶微處理器和可刷新程序存儲器的測量設備。

當對彎曲、變形、傾斜的鋼板零件進行加工時，該系統(tǒng)又是如何應對的呢？顧毅風工程師介紹， 在CAD上簡短編制程序后，理論上CAM加工程序、數(shù)據和各種工藝參數(shù)也已經同時產生了，可即刻把CAM傳送給機器人。但是實際上此時每個零件的位置、方位、非標準度還未知，這就需要由機器人和激光測量器在切割前去解決這些關鍵問題。正是有了先進的激光測量器，該系統(tǒng)可以把測量到的數(shù)值及時返回到工業(yè)計算機和機器人；然后根據理論上的CAD數(shù)據與實際比較，進行空間幾何換算、擬合，這樣就得到了零件實際的彎曲度、變形和斜率；再根據機器人實際運行的軌跡不斷進行修正，從而得到精確、完美的坡口切割。

應用價值巨大

目前，這種先進的設備已經用于德國很多集團公司中。在全球著名的利勃海爾集團各種工程機械、礦山機械、煤礦機械的焊接切割中，他們就用這種先進的坡口、鈍邊工藝保證了產品設計結構的先進性、實用性以及良好的信譽。

據了解，由于傳統(tǒng)的車、銑、刨、龍門數(shù)控等在坡口切割技術上的局限和缺陷，往往需要24名工人完成。采用了該先進系統(tǒng)后，由于不需要夾具、工裝、在線編程等，現(xiàn)在只需要3個工人即可，而且加工出的產品精度非常高?！八衅驴谌蝿眨F(xiàn)在只用一臺機器三班倒連續(xù)切割即可，徹底拋棄了之前沿用多年的思路和示教切割設備?！痹撈髽I(yè)領導高興地說。

由以上智能化單元和裝置組成的智能化車間或者工廠，如果再加上信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產管理的智能化，便可以組成具有更加廣泛意義上的智能化工廠，這是信息化工業(yè)化融合的高級階段。

智能化是“中國制造”的最佳選擇

從單機的智能化到單元智能化甚至是整條生產線的智能化，智能化的程度在不斷提高。行業(yè)中對于設備效率與精度的要求，以及節(jié)能環(huán)保、減少人力成本的呼聲，讓我們看到：工業(yè)控制的智能化、高效化已成為時代的發(fā)展潮流。

由以上智能化單元和裝置組成的智能化車間或者工廠，再加上信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產管理的智能化，便可以組成具有更加廣泛意義上的智能化工廠，這是信息化工業(yè)化融合的高級階段。

當前，世界整個機械制造業(yè)邁入了一個全新紀元，中國的產業(yè)升級將激發(fā)無數(shù)的創(chuàng)新與突破。我們目前只是一個開端，惟有深入智能化加工，才能最終實現(xiàn)“中國制造”競爭力的提升。

作者： 劉永生

來源： 《中國信息界-E制造》

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