机器人等离子切割应用总结

机器人等离子切割应用总结

一、等离子切割机与机器人连接

1.等离子切割机组成

等离子切割机主要由：电源，高频装置，气体流量控制装置，开关阀，割炬组成。

其中开关阀与割炬之间的气管长度不宜过长，否则将影响等离子切割效果。在机器人等离子切割系统中我们一般将电源，高频装置，气体流量控制装置放在一起，将开关阀放在机器人底座或者2、3关节上以减短开关阀与割炬之间的气管长度。机器人切割由于多用与三维切割，姿态变化比较大。推荐使用机器人专用的割炬电缆，以延长使用寿命，提高切割质量。

图1：凯尔贝HiFouce130 + PGE 3-HM组件示意图

2.等离子控制接口

目前我们使用的等离子均为手动控制，即切割电流，转角电流，提升、下降比率等电源参数以及离子气流量，涡流气流量等气体流量参数均由操作人员通过等离子的操作面板进行手动调整。这样在实际生产中，发生切割材料变化时，无法通过预制程序完成相应的参数设定，仅适用于单一材质，厚度，切割方式的大批量切割。

1）电源参数调节

图2：凯尔贝HiFouce130电源操作面板

其中需要进行调节的有如下按钮：

4：切割工艺表选择开关。主要用于选择不同厚度，不同材质切割工艺参数表，类似于焊机中的job设定。

12：切割电流旋钮。主要用于调节切割电流。

13：拐角电流选择开关。在切割时如果需要切割拐角，机器人在尖角处需要减速停止再加速，在这个过程中如果依旧采用相同的电流，会导致拐角部位过烧。

为了解决这个问题，可以通过调整该开关减小拐角处的切割电流以得到良好的切割效果。该开关只能选择拐角电流为电流设定值的百分比。

2）气体参数调节

图3：PGE 3-HM气体控制器面板图

通过PGE 3-HM仅可以调节气体的流量，气体的压力仅可以显示。气体压力需要通过外部的压力阀进行调节。

3）切割参数表

图4：典型切割参数表

切割机的用户手册总均配有切割参数表和消耗品列表，在进行切割前需要根据切割对象的材质，厚度选择相应的消耗品和切割参数。上图中切割不仅将参数做了标示，而且还标示了气体控制器和电源上需要进行调节的旋钮位置。

在进行初次切割时，希望根据切割参数表进行调整，再根据切割效果进行微调。

等离子切割的控制比较简单，内部几乎都使用继电器触点（海宝多使用光耦）进行输出，连接方便。上图中使用电源公司的电路板进行分压，以便实现弧压调高的功能。分压电路板一般等离子公司有售，但需要特别注明选配。分压比的确定一般满足以下公式即可：

分压比> 最大切割能力下电弧电压* 1.2 / 机器人模拟量最大接收电压以本项目为例，凯尔贝HiFouce130的最大切割弧压为200V，FANUC M20ia机器人可以接收的模拟量为0-10V。计算得到分压比为24，选取比较接近的分压比例为25。

注：分压比与后面弧压跟踪功能的灵敏度设定没有关系，但是为了避免过大的外部干扰影响，一般建议分压后的弧压输出大于机器人模拟量最大接收电压的一半。

3.等离子切割起弧流程

等离子切割可以分为边沿起弧切割和中心穿孔切割。穿孔对等离子消耗件的损耗比较大，穿孔次数多将极大的缩短消耗件的使用寿命，所以对于厚板推荐使用边沿起弧切割。

1）边沿起弧切割流程

图6：边沿起弧切割示意图

边沿起弧多用在中厚板的整体下料切割时。割炬在距离切割对象边沿1-4mm处起弧，在割炬运行至切割对象正上方的过程中弧压逐渐稳定至切割弧压，开始切割。

由于没有穿孔过程，边沿起弧切割可以大大延长消耗件的使用寿命。

2）中心穿孔切割流程

图7：中心穿孔切割示意图

中心穿孔切割是指，割炬在切割对象内部开始起弧，起弧后停留一段时间完成穿孔后再进行后续切割的过程。在进行穿孔的过程中，由于有大量的颗粒飞溅，对消耗件的损耗比较大，所以一般穿孔高度均大于正常切割高度。

以上图为例，中心穿孔切割主要分为4个阶段：

a)机器人通过接触的方式从h1高度，在P1位置找到切割对象（与接触找焊缝

功能一致），然后运行至起弧高度h2。

b)在起弧高度开始起弧，机器人在收到切割机的起弧成功反馈后等待穿孔时

间t1。

c)机器人迅速运行至切割高度h4进行切割。为了避免干扰，高度跟踪功能建

议在此时开启。

d)机器人完成切割轨迹，关闭高度跟踪功能和起弧信号，抬升至h5高度。

4.等离子切割中的常见问题

1）问题：使用普通DI/DO进行切割控制，在发生碰撞或者程序中断的时候切割机不会自动停止切割。

解决方法：使用弧焊指令，将weld start信号和arc detect信号分配给对应的

DI/DO，弧焊包中附带电弧的自动切断功能。

图8：焊接I/O设置

2）问题：有起弧动作，割炬和工件间有火花，但起弧不成功。

解决方法：由于等离子有涡流气，以压缩电弧，所以当割炬离工件太近时电

弧会被涡流气吹灭；当割炬距离工件过远时，引导弧强度无法达到引发主弧，

也会导致无法起弧。调节割炬和工件间距离至合适位置可以改善该情况。

因为使用弧焊软件包，所以在起弧高度较高或者板厚较厚的时候可能因为电

弧检测时间设置过短而导致无法起弧。调节arc start error time和arc detect

time时间至合适值。

图9：电弧检测时间参数设定

3）问题：起弧失败后，机器人出现自动的往返运动，并且不停的出现起弧动作。

解决方法：弧焊软件包中有刮擦起弧功能，将其关闭。弧焊软件包中有很多其他的功能也不适合于切割，为保证切割不受影响，将arc loss和power supply

failure以外的功能均关闭。

图10：焊接监控参数设定

二、A VC功能应用

1.A VC功能介绍

A VC主要应用于TIG焊接中，是一种通过反馈电弧电压大小来调节焊枪与工件之

间高度偏差的方法。该功能与MIG焊接中常用的电弧摆动跟踪（TAST）的原理类似，虽然目前仅在非摆动的情况下进行高度跟踪，但是也可以应用在摆动情况下的焊枪法向偏差的跟踪。

在等离子切割中由于反馈电弧电压的特性与TIG相同：电极远离工件，反馈弧压增大，应向靠近工件方向调节；电极靠近工件，反馈弧压减小，应向远离工件方向调节。

所以在等离子切割时，A VC功能是一种可以很好的保持割炬与工件间距离，从而保证切割质量的方法。

注：在FANUC机器人上A VC功能和TAST功能均属于ARC TOOL软件包，由于分别适用于不同的焊接方式，所以不能在一台机器人上同时安装。

2.A VC主要参数设置

A VC参数主要分为焊接参数、模拟量参数和跟踪参数3个方面：

1）焊接参数设置：

为了确保机器人对起、收弧，运动中断、再启动时电弧控制，我们使用焊接命

令，在焊接参数里必须将焊接模式选为TIG。Controlled Restart后，进入ArcTool

Setup进行更改。

图11：焊接方式更改

2）模拟量参数设置：

FANUC机器人的模拟量可以通过设定比例关系来实现对收到模拟信号的放大和缩小。该参数的设定从一方面来说提高了模拟量的分辨率，但同时也放大了环境干扰。所以该比例不应设置过大，在本例中合理的放大倍数为3-5倍。

注：该参数可以设为反比，也就是说A VC功能其实可以通过TAST功能更改模拟量通道和比例来实现。

图12：模拟量参数设置

3）跟踪参数设置：

跟踪参数很多，但是大部分参数使用默认即可。主要进行调整的有如下几个变量：

a)L_compensation enable（default: TRUE）：因为仅进行高度调整，所以将该

参数设置为FALSE，防止因为干扰导致出现水平方向的误调整。

b)V_master voltage type（default: FEEDBACK）：设置高度跟踪目标电压获取

方式，主要分为反馈方式和定值方式。

反馈方式以提取到的一个或多个周期的反馈电压值为跟踪的目标值，该值不是由人工设定，而是由机器人自动生成的。这种方式对工件的适应

性较好，在使用前无须做大量工艺实验进行人为数据采集，但也会因为起

始跟踪高度的变化而导致后续切割高度跟踪的整体偏差。

c)

3.A VC程序示例

A VC功能必须在起弧状态下方能生效，所以A VC功能必须写在ARC START与ARC END命令行之间。以下为示例程序：

图13：AVC示例程序

4.A VC应用常见问题

1）问题：采用反馈跟踪时出现撞枪。

解决方法：关闭跟踪功能，在希望的高度下进行切割，观察反馈弧压。如果

反馈弧压波动很大，需要减小弧压反馈放大倍数，并采取一些滤波措施提高

弧压反馈质量。

等离子电弧在起弧时需要一定时间方能将弧压保持稳定，所以通过调节V_compensation start count、V_master sampling start count和V_master

sampling count 这几个参数进行采样的延时，并且通过多次采样取平均值的

方式改善跟踪基准值的采样。

注：在等离子切割时由于切割速度很快，如果采用采样延时，可能反而导致起始段的跟踪效果不好。所以推荐在等离子切割时采用定值跟踪，并且在

电弧稳定后再开始跟踪。

2）问题：有跟踪命令，但是在实际运行时，无跟踪动作。

解决方法：跟踪必须在有电弧时方能工作，确保Weld Enable使能打开，并

且等离子能起弧。