工业 6 轴机器人在制造业中的使用比以往任何时候都多。他们可以移动材料、焊接、油漆、码垛和组装。安装各种切割头的机器人并不***。火焰切割或等离子切割机器人可以切割管道和容器。激光切割机器人可以修整成型金属板零件的边缘。

不太常见的是可以用水刀切割的机器人。但由于机器人系统设计的进步，将机器人与水刀集成起来并不像以前那样具有挑战性。对于正确的应用，制造商可以获得好处。

水刀基础知识

磨料水刀工艺可以切割各种材料，包括所有等级的钢、铝、钛、玻璃和花岗岩。该过程产生非常干净的切割，并且不会产生明显的热影响区 (HAZ)。

水射流系统使用大功率泵（例如增压泵）将水流“增强”至 60,000 PSI 或更高的超高压 (UHP)。在此压力下，普通水（即无磨料）可用于切割许多产品。一个好的经验法则是，您通常用剪刀或刀切割的许多材料都可以用清水切割。这包括塑料、纺织品和某些复合材料。较硬的材料需要将磨料（通常是碎石榴石）引入水射流中。磨料对材料产生侵蚀作用。

当水从压力下逃逸时，水从高压变为高速。通过磨料水刀切割头中的混合室，高速水产生文丘里管，将磨料吸入水流中。

切割速度取决于材料、切割厚度和您需要的边缘质量。例如，通过 0.014/0.040 英寸孔口-喷嘴组合的 60,000-PSI 磨料水刀可以以每分钟 2.9 到 14.4 英寸 (IPM) 的速度切割 0.5 英寸厚的低碳钢，具体取决于边缘质量想要的。相同的水刀压力和孔口/喷嘴组合可以以 8 到 40 IPM 的速度切割 0.5 英寸厚的铝。

切割台有金属格栅或板条来支撑捕获罐上方的材料，捕获罐（顾名思义）在水和磨料通过材料后捕获水和磨料。水浴分散了未使用的能量——水射流仍然有相当多的能量。在大多数情况下，磨料水射流在离开材料时仍有 80% 的能量，仍然足以造成不必要的切割或损坏。

用过的磨料要么沉淀在水浴中，必须定期清除，要么通过石榴石清除系统泵送，从废物流中过滤出来并脱水以进行适当处理。磨料水刀不会产生危险废物。一般来说，如果您不切割有害材料，用过的石榴石可以送到卫生填埋场。

系统配置

在典型的系统中，增压泵使用一根长的厚壁超高压管将超高压水输送到切割头。油管非常坚硬，因此它的弯曲半径非常大。这为 UHP 水提供了顺畅、一致的管道。

标准的 2 轴和 3 轴水刀机多年来一直用于 2-D 应用。这些机器可以有一个非常大的工作区域，8 x 12 英尺或更大。他们使用直线导轨和基于 CNC 的编程语言。对于切割 3-D 组件，可以考虑使用具有 5、6 甚至 7 个运动轴的水刀系统。

***后的 3-D 切割选择当然是机器人水刀系统。机器人可以在固定的水刀切割头（铸件的常见配置）下保持和操作工件，或者机器人本身可以携带和操作水刀切割头。

通过智能夹具和整体系统设计，带有磨料水刀切割头的机器人可以到达各个零件特征的上方、下方和中间。它可以安装在墙上，甚至可以倒置，或者安装在第七轴线性导轨上，可以将其运送到一个巨大的工作范围内。为了提高产量，多个水刀切割机器人可以并排工作，一次处理多个零件或同一零件。通过正确的泵和控制配置，该系统可以为同时工作的多个机器人供料。

用于水刀的标准长臂机器人的水平范围约为 122 英寸。壁挂式机器人的垂直范围约为 200 英寸。标准磨料水刀机器人系统的工作范围为 75 x 88 英寸，并且其他具有更长伸展能力的机器人型号可用于更大的工作范围。

喷嘴、高压管和磨料斗都安装在机器人上。磨料通过管子送入喷嘴混合室。同时，增压泵通过盘管输送高压水。

盘管是整个系统的关键部件，因为它适应机械臂的运动，类似于一些水刀台上的多轴切割头上的盘管允许切割头倾斜和转动。管子的材料必须坚硬，没有弯头和其他急剧变化的方向，以适应 UHP 水。同时，它必须足够灵活，以适应机器人的整个运动范围。

有策略地上下放置机器人手臂以适应每个运动轴，管子在机器人移动时盘绕和展开。机器人的范围越大，需要更多的线圈来适应运动。

对于编程，示教器方法仍然是标准，尽管一些机器人品牌内置了形状生成软件，以便于形状编程。然而，今天，离线机器人仿真软件已经集成了 CAM 功能。该软件允许用户导入 CAD 模型，在计算机上创建视觉机器人路径，然后将程序上传到机器人。但是请注意，对水刀系统进行编程涉及无数变量，因此无论采用何种编程方法，在新零件的设置和试模过程中都可能需要进行润色。

安全注意事项

为了工艺稳定性和安全性，工程师必须设计能够在水和磨料离开切割后捕获它们的系统。同样，80% 的水射流能量在穿透材料后仍然存在。

捕获系统因应用而异，但都与传统水刀切割台上的水箱具有相同的用途。一些捕获系统在固定工件的正下方有盆。其他的则安装在机械臂本身上，或者设计为在机械臂沿各种方向切割时随机械臂一起移动。即使机器人倒转切割，捕获系统也会在流离开切割后捕获流。

水和磨料会造成恶劣的环境。水以超音速离开喷嘴，因此噪音可能超过 110 分贝。为了***大限度地减少噪音，机器人可以安装在隔音罩中。外壳可以有一个旋转壁，供操作员装卸零件。在某些情况下，机器人手臂本身有一个保护罩。

出于明显的安全原因，操作人员在操作过程中不得进入机器人切割区。这可以通过固定防护装置、外壳、机器人主开关、安全扫描仪和安全光幕来实现。当操作员在切割过程中进入工作区域时，系统应激活紧急停止。

当机器人水刀有意义时

为什么制造商会考虑使用水刀切割 3D 零件？原因涉及多种因素，其中三个适用于任何磨料水刀应用，无论是在切割台上还是使用机器人。

首先，水刀可以***大限度地减少或消除对二次加工或磨削操作的需求。其次，工件材料可能对热切割产生的 HAZ 很敏感。第三，其他切割方法，如锯切，可能会损坏材料的完整性、不切实际或不符合应用要求。

一些应用涉及的材料非常敏感，即使是路由器的摩擦也会产生过多的热量。当然，磨料水射流切割确实会产生摩擦热量，但它远不及其他切割工艺产生的热量。

考虑一个用于车辆的铝制控制臂。它不是扁平的，它是一个安全关键的项目，必须在生产过程中定期测试。这涉及从手臂上切下一个测试试样。这显然不能用热工艺来切割，这会产生 HAZ，影响材料完整性，并使材料测试无用。在这种情况下，***具成本效益的机械化切割方法可能是机器人水刀系统。

由于涉及设置时间和夹具设计，机器人水射流切割通常应用于大批量生产环境。这并不意味着机器人水刀切割不能处理种类繁多的零件。一旦设计了系统，制作了固定装置并编写了程序，机器人就可以从一个零件切换到下一个零件，而停机时间很少。只需更换灯具、调用程序并在必要时进行小幅调整即可。

但初始设计、固定和编程可能需要时间。对于没有复杂切割路径和高精度要求的零件，时间可能并不重要。但对于极其复杂的工作，设置时间可能会增加。

所有这些都必须与其他因素进行权衡，包括系统成本。随着机器人变得越来越便宜，它们已成为水刀切割 3-D 组件的一种经济高效的方式。假设一个应用程序需要对大批量零件进行***、复杂的切割。是的，编程时间可能很长。但是一旦编程完成，之后系统会不断重复切割。将此与机器人具有竞争力的价格相结合，以及可以设置多个机器人同时切割的事实，提高了产量，机器人磨料水刀切割开始具有商业意义。

水射流可能不是适应机器人技术的***简单的工艺，但它正在完成，而且不再是***的。如果金属部件需要 3-D 切割并且对热工艺产生的 HAZ 敏感，那么机器人磨料水射流切割可能是***工艺。