目前，全球制造業正加速邁向數字化、智能化時代。智能制造對制造業競爭力的影響越來越大。智能制造本質上是在產品全生命周期普遍感知的條件下的信息化制造。智能制造技術依托現代傳感器技術、自動化技術、網絡技術、人工智能技術等先進技術。它是信息技術、智能技術和裝備制造技術的深度融合。實現智能制造可以縮短產品開發周期，降低資源需求、能耗和運營成本，同時提高生產效率和產品質量。

       水射流切割在許多制造應用中起著至關重要的作用。例如，飛機發動機用到很多鈦合金零件，很難加工，水射流切割是可選加工工具中很好的選擇。對于圖1所示的發動機整流器，要求加工一系列不規則孔。由于孔的空間有限，傳統的銑削方法需要使用纖細的銑刀一點一點地去除材料，銑刀很快就磨損了，整個加工過程既費時又費錢。水射流切割（圖1）在25分鐘內可以完成一個孔的粗加工，然后采用精銑或電化學加工進行精加工，與僅使用銑削方法時加工時間長達150分鐘以上相比，總加工時間顯著縮短。此外，由于水射流切割的冷加工特性，水射流加工的零件沒有熱變形和熱影響區。 

       然而，水射流切割不能完全取代銑削加工，因為水射流作為柔性刀具，有其缺點。水射流只能進行輪廓切割。與銑刀等剛性刀具不同，射流在切割時向后彎曲（圖2）。切割過程中射流的彎曲度取決于工件參數（如材料和厚度）、切割速度和射流參數（如壓力、噴嘴直徑、磨料流量等）。切縫的寬度也隨厚度方向而變化（“錐度”誤差）。用這種柔性刀具精確加工零件是非常困難的。

       傳統的數控加工方法是針對銑削、車削、鉆床、磨床等剛性刀具而發展起來的，剛性刀具無疑構成了加工方法和加工市場的主流。即使是最先進的數控系統控制器的開發商也很少關注像水射流切割機這樣的柔性刀具，也從來沒有為柔性刀具變形帶來的問題提供任何解決方案。因此，水射流行業不得不提出自己的解決方案。因此出現了一種新的控制方法，可以稱之為“柔性刀具控制方法”，我們還將具有“柔性刀具控制方法”的水切割機床稱為“智能水切割機”。讓我們看看“柔性刀具控制方法”與傳統的數控控制方法有什么不同。

       傳統的CNC控制方法假設工件頂部和底部的加工輪廓是完全相同的，因此其控制策略只針對工件頂部。在“柔性刀具控制方法”中，控制策略的重點是工件底部的出刀點。

                                                                                          圖1飛機發動機鈦合金零件的水射流切割

圖2水射流切割玻璃時向后彎曲

       運動路徑通常由直線和/或圓弧段組成。在傳統的數控方法中，每一線段都被賦予一定的運動速度。這些線段的幾何數據和速度數據被存放在一個軟件程序中，如G代碼程序。該程序然后由運動控制器處理成伺服或步進電機的運動指令，稱為“插補”。這種插補過程把線段分解成電機運動步，本質上是一種“幾何插補”。盡管在用戶編程中選切割速度時能夠從控制系統獲得一些速度與材料的推薦數據，并且在某些點上采用了加速/減速，但沿切割路徑的速度變化和加速/減速率并不能反映工件和射流參數的差異，更不用說速度優化了。傳統數控中插補通常是在機器移動時幾乎同步進行的，這就限制了插補計算時間和加工程序的前瞻和后瞻能力，這是優化所必需的。在“柔性刀具控制方法”中，“幾何插補”只是插補過程的第一輪。“柔性刀具控制方法”用數學切割模型描述了柔性刀具的“行為”。在這些數學模型中，切割表面粗糙度、切縫寬度沿深度方向的變化、射流后拖量（底部射流出刀點滯后于工件頂部入刀點的距離）被表達為工件參數、射流參數、以及加工路徑幾何參數的函數。繼“幾何插補”之后，第二輪插補“速度插補”是基于切割模型和路徑幾何特征為每個電機步配置優化的速度，這通常是通過前瞻和后瞻查看整個加工路徑的程序代碼來實現優化的。第三輪插補“射流角度插補”是根據局部細節（精細到每一個電機步）的切割速度、切割模型和路徑幾何特征，增加了補償運動步驟，目的是糾正柔性刀具造成的零件錐度和其他幾何誤差。除了這三輪基本插補外，還針對具體場景進行了特殊處理。例如，在切入/切出點，使用速度控制和射流偏擺運動來確保射流在進入零件輪廓之前穿透工件的整個厚度，并且有一個干凈的切口，沒有殘留的“橋接”和凹陷或凸起（典型的切入/切出缺陷）。在外拐角處，軟件可以自動添加過切線，通過使用切割模型設置過切線的最佳長度和速度，軟件還會自動檢測并避免添加的過切線切到鄰近工件部位，應用過切技術可以獲得更好的切割質量和更高的切割效率，較厚的工件通過應用過切技術可以提升切割效率高達20-30%，同時讓工件的幾何誤差更小。有時，甚至需要使用附加的一輪插補“切縫寬度補償”，以補償切縫寬度隨切割速度的變化而變化，這在切割高精度的厚材零件時是必不可少的。圖3是用“柔性刀具控制方法”生成的切割程序的預覽圖。在切入/切出和內拐角處，顏色從藍色逐漸變為紅色，表示優化的切割速度平滑地變化，以電機步為增量單位，從慢到快。過切的特征在外部拐角處可以看得到。

圖3使用“柔性刀具控制方法”的切割程序預覽

       有些人可能會想，為什么傳統的數控控制器不能用于“柔性刀具控制方法”中的編程工作。傳統的CNC控制器通常在機器移動時在控制器固件中實現插補，由于在“柔性刀具控制方法”中使用了多輪插補和多個數學切割模型，傳統的數控機床控制器往往沒有足夠的“腦力”來快速地處理插補計算，以跟上機床的運動速度。他們的軟件體系構架也難以對切割程序進行多個回合的前瞻后瞻處理。在“柔性刀具控制方法”中，通常在PC機上實現插補，然后將處理后的運動指令下載到控制器中，然后再開始機床運動。運動控制器硬件的主要功能簡化為數據緩沖和數據派送，無需進一步的插補。在PC機上進行插補的另一個好處是，插補算法和切割模型可以更方便地進行優化和升級。由于“柔性刀具控制方法”的基礎設施與傳統的數控控制方法有很大的不同，其控制器軟硬件通常無法從數控運動控制的主流市場獲得，為此幾家水射流切割設備公司開發了自己的“柔性刀具控制器”。

       圖4和圖5展示了“柔性刀具控制方法”的優點。圖3所示為使用傳統CNC控制器從20 mm厚的鋁材中用水射流切割的零件。這個零件在頂面看起來很完美，但是即使程序已經被手動修改以降低拐角處的切割速度，在查看零件底部時，缺陷仍然很明顯。圖5顯示了用“柔性刀具控制器”從100毫米厚的鋁材中切割出來的零件，零件頂部和底部輪廓之間的差異比圖4中的要小得多，盡管厚度要大得多。

圖4使用傳統的CNC控制器從20毫米鋁材中用水切割切割出的樣件

圖5使用“柔性刀具控制器”從100 mm鋁材中用水切割切割出的樣件

       “柔性刀具控制器”除了提供更高的切割效率和質量之外，還帶來其他好處。由于采用了切割模型和先進的算法，在“柔性刀具控制方法”中編程變得非常容易，用戶只需提供零件的電子圖紙，從列表中選擇材料，然后輸入材料厚度，智能軟件將負責其余全部的編程工作。一個新的切割工作開始時，昂貴的切割試驗和工件報廢是可以避免的。新用戶可以在工作的第一天學會使用軟件并開始切割零件。切割時間、磨料用量、切割路徑總長度、材料尺寸和所有其他工藝參數的作業數據可隨時獲得，用于作業報價、生產計劃和作業報告。

       為了迎接快速發展的數字化和智能化時代的挑戰，水射流切割技術除了“柔性刀具控制方法”之外，還需要更多更快的技術開發。作者擬在以下幾篇系列文章中介紹和討論其他新的技術突破。盡管這些文章的高度和質量不幸受到了作者的知識和眼界的局限，但作者希望它們能起到拋磚引玉的作用，讓更多的人分享他們的見解、遠見和觀點。作者真誠歡迎反饋、更正和討論。我的郵箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。