摘要

3D机器人水刀系统使用水和石榴石的混合物，通过高速射流完成精准的切割，适用于那些对精确切割要求很高的行业应用。

机器人加工已经走过了漫长的道路，并且已经证明其具有足够的稳健性和精确度，可以满足航空航天工业所要求的严格公差。在本文的案例中，将介绍关于机器人水刀（waterjet）系统为商用喷气式发动机切割整体叶片转子（IBR）的应用。

使用混合有磨料介质的水流以超高的速度从一个很小孔内喷射出去，机器人水刀系统可以切割厚达1英尺的固体金属。6轴机器人可以在整个部件上控制水刀的喷嘴，轻松地塑造出优雅的喷气式发动机螺旋桨的轮廓。

机器人水刀系统制造出一股水流，以超音速的速度喷出，用来切割各种材料，包括用于航空行业的超级合金部件。

“这就是使用水刀系统进行的3D切割，” Shape Technologies公司的业务拓展副总裁Dylan Howes说道，“Aquarese系统是唯一一个可以达到94000磅/平方英寸的3D机器人水刀切割系统。”

3D水刀切割系统整合了使用先进机器人的技术，为Shape Technologies公司的航空、能源以及汽车客户们提供了交钥匙的解决方案。机器人为水刀工艺带来了灵活性和流畅的运动。凭借6个自由度，铰接式的手臂几乎可以从任何角度接近工件，并遵循平滑、精确和高度可重复的刀具路径，实现精确的切割和轮廓。切割金属时，水刀只能用于粗切割部件，随后还需要进行额外的铣削操作。

“水刀的优点之一是它应用广泛，可以切割包括石头、玻璃、纸张、金属、复合材料等几乎任意物品。”Howes说道，“如果你有一台水刀，今天你能用它切割金属，明天你也能用它切割泡沫。第二，它是一种冷切割工艺，相较于激光、等离子切割，它不留任何焊接热影响区和机械变形，不损坏零件的完整性。第三是水刀效率高、可以重复利用，同时它也不会产生毒烟、有毒废渣，切割下的边角料更完整，也更便于回收。”

Aquarese系统是用来切割钛合金、铬镍铁合金、镍基合金、其他超级合金、不锈钢以及复合材料。对于切割金属来说，磨料射流还是需要的。在大约99%的类似应用中都使用石榴石。水和石榴石在离开水刀切割头的时候速度可达音速的4倍，从而使切割功率提高1000倍。这是没有任何热疲劳的冷切工艺。

机器人水刀系统用于清理涡轮组件的涂层

机器人的精度和可重复性

在航空业意识到机器人水刀在切割金属和复合物方面的价值之前，该技术更加普遍地用于软一些的材料上。

“现在它已经变成了一个更加常用的应用了，因为我们可以获得更好的性能，”Stubli公司北美机器人技术分部的经理Sebastien Schmitt说，“通过利用手臂的强度和精准度，我们已经取得了巨大的进步，使得在航空领域里应用成为可能。精度、可重复性和刚性，所有这些都来自于我们的专利变速箱，这让Aquarese系统在轨迹控制上有出色表现。”

负载高达100公斤的机器人，不但具有刚性，而且还可以耐受超高压的射流。Schmitt说，“其性能可以与传统的铣削手段相媲美，而且成本更低。5轴计算机数控（CNC）机器的成本是你现在看到的系统成本的3到4倍。”

Aquarese系统为应对潮湿的环境，特地开发了潮湿环境机器人。其所包含的机械臂结构的保护等级是IP65，封闭式臂结构，同时增强抑制提高了防水水平。IP67的机器人手腕极耐腐蚀，可防止低压浸没。工具法兰和关键部件由不锈钢制成，适合在腐蚀性环境下使用。使用寿命长是用户很看重的一个因素，特别是当机器人工作在恶劣环境中的时候。

专有的机器人编程语言经过优化，可以与计算机辅助设计（CAD）和路径软件相兼容。 Howes表示，导入CAD的模型并生成一个优化的刀具路径是很简单的流程。水刀系统的程序是使用与系统捆绑在一起的软件包编制的。对于3D机器人水刀切割系统，提供了具有特定应用功能的模块。这些应用包括整体叶盘粗加工和风机叶片修边。Howes说：“我们还可以使用机器人技术，将核心清除系统与用于去除浇口的切割解决方案以及用于从锻造材料中去除闪光的系统集成在一起。”

机器人辅助航空制造

在美国亚特兰大的佐治亚研究所的校园里，波音制造研发中心（BMDC）内正在进行着研究工作。BMDC的工作重心是以非传统的方式实施工业自动化，例如无垫片机加工。该中心坐落于19000平方英尺的德尔塔先进制造试点设施（AMPF）之内。

在佐治亚技术研究所内研发出来的新技术已经在波音公司转化成生产力，包括为先进的商用飞机开发的设计手段，商用和军用飞机的流量控制，用于洞穿孔的视觉系统，以及用于装配的自主机器人技术等。

其他的研究包括通过人类的演示教会机器人完成一些任务，并探索使用机器人作为灵活的夹具装置等。随着先进制造业的发展，机器人辅助航空制造会持续成为研究人员关注的焦点。

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年7月刊《聚焦机器自动化》栏目，原标题为：机器人水刀系统在航空工业大显身手