基于人工智能的機(jī)器人激光切割焦點(diǎn)跟隨控制技術(shù)研究

（福建商學(xué)院信息工程學(xué)院，福建福州市，350012）林少晶

1 三維光纖激光切割機(jī)器人

1.1 三維激光切割的基本原則

激光器產(chǎn)生激光，經(jīng)由反射鏡照射至工件上，使工件在短時(shí)間內(nèi)受到強(qiáng)烈的熱能，溫度迅速升高，發(fā)生熔化或汽化，在工件形態(tài)變化的同時(shí)用激光頭按特定的軌跡運(yùn)行，加工出合適規(guī)格的產(chǎn)品。

1.2 光纖激光器的配套

三維切割光纖激光器的功率包含200W、300W、500W、1000W等，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求做合理的選擇，例如以金屬板材的厚度為準(zhǔn)，挑選合適功率的光纖激光器。而后，配套冷卻系統(tǒng)，用于優(yōu)化光纖激光器的運(yùn)行狀態(tài)，確保其具有穩(wěn)定性。此外，綜合考慮加工工件的尺寸和機(jī)械臂的工作半徑，挑選長(zhǎng)度適宜的操作光纖傳輸激光，以便有效切割。

1.3 輔助氣體的選擇

以99.99%的氧氣為宜，有利于三維光纖激光切割機(jī)的有效運(yùn)行，達(dá)到提高切割精度和速度的效果。

2 光纖激光切割機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)分析

光纖激光技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，顯著提高激光切割水平，配置的控制系統(tǒng)可有效調(diào)控激光切割機(jī)，保證切割質(zhì)量，適配智能機(jī)械手，精準(zhǔn)完成三維立體切割作業(yè)，作業(yè)的精度和效率均得到保障。進(jìn)口激光切割頭，此裝置能夠與機(jī)械手配合，保證切割動(dòng)作的精準(zhǔn)性，避免與切割頭、加工板材發(fā)生碰撞，與此同時(shí)切割焦點(diǎn)的位置也將得到有效的控制。激光切割頭穩(wěn)定可靠，可承受的氣體壓力達(dá)到1.0MPa，得益于激光切割頭的高度穩(wěn)定性，可適配高壓氣路設(shè)備，即便是切割難度較大的不銹鋼或是其它材料，也依然能夠有效切割。

3 三維激光切割的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

本次研究充分關(guān)注到用戶(hù)的個(gè)性化需求，為之進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。根據(jù)界面內(nèi)信息的重要程度，建立重要等級(jí)分區(qū)，按重要等級(jí)評(píng)估開(kāi)展視覺(jué)設(shè)計(jì)工作，優(yōu)先功能信息樹(shù)位置的表達(dá)，以便更加清晰地呈現(xiàn)出位置名稱(chēng)、色彩關(guān)系各項(xiàng)基礎(chǔ)信息，設(shè)定命令欄按鍵規(guī)則，以此為基準(zhǔn)，提升運(yùn)行的規(guī)范性，獨(dú)立設(shè)置信息入口類(lèi)按鍵，針對(duì)重要的命令，確定適宜的再確認(rèn)方式，獨(dú)立放置顯示模式類(lèi)附加操作；通過(guò)圖形設(shè)計(jì)優(yōu)化觸摸按鍵尺寸。設(shè)計(jì)交互的主界面在信息呈現(xiàn)方面清晰明了，包含導(dǎo)航欄、信息欄、命令欄及信息展示欄，提供的功能多樣化，例如：可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的刪除、新建、備份、編輯等功能?？删庉嫯a(chǎn)品加工時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)均要得到全面的保存，機(jī)器人加工時(shí)，應(yīng)高效處理輸入輸出指令動(dòng)作，根據(jù)加工要求靈活配置生產(chǎn)周期、調(diào)用的工藝文件配置等，同時(shí)也能夠高效傳遞至下位機(jī)，外圍控制層面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)配套設(shè)備的精細(xì)化調(diào)試和控制，具體對(duì)象包含外部軸、激光器、切割頭；監(jiān)控功能也尤為突出，具有報(bào)警提示功能，以便及時(shí)響應(yīng)異常狀況，盡快處理。

3.2 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

3.2.1 執(zhí)行文件的設(shè)計(jì)

程序代碼格式的統(tǒng)一性有限，各廠家的機(jī)器人在此方面各有不同，同時(shí)某些零件的加工復(fù)雜度較高，若僅采取人工示教的方法，將面臨工作量大、效果差等問(wèn)題，而離線程序難以完全滿足生產(chǎn)需求，后續(xù)針對(duì)其做閱讀和二次修改時(shí)工作內(nèi)容較為繁瑣，而即便是同一類(lèi)產(chǎn)品，不同輪廓對(duì)應(yīng)的精度要求也存在差異，在加工時(shí)需要結(jié)合切割輪廓的形態(tài)適配科學(xué)可行的工藝。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

在妥善設(shè)計(jì)生產(chǎn)文本后，用戶(hù)能夠進(jìn)行更加精準(zhǔn)地解讀，但需注意的是，無(wú)論是程序的讀取還是編輯，均相對(duì)復(fù)雜，在一定程度上影響用戶(hù)的體驗(yàn)。為提升程序存儲(chǔ)、輪廓排序等各項(xiàng)基礎(chǔ)操作的便捷性，引入簡(jiǎn)化版Access數(shù)據(jù)庫(kù)，深度精簡(jiǎn)操作流程，相比常規(guī)的方法，可省去安裝數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的繁瑣環(huán)節(jié)，減少在軟件方面的成本投入。具體至本次設(shè)計(jì)中，圍繞產(chǎn)品提出五個(gè)數(shù)據(jù)表：產(chǎn)品表，包含產(chǎn)品描述、用戶(hù)坐標(biāo)系等屬性；輪廓標(biāo)，包含輪廓名、輪廓類(lèi)型等屬性；趨近點(diǎn)表、切割點(diǎn)表、離開(kāi)點(diǎn)表，包含輪廓名、點(diǎn)位運(yùn)行方式、點(diǎn)位具體值等屬性，彼此間以主屬性產(chǎn)品名和輪廓名進(jìn)行關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)關(guān)系表，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)關(guān)系表

數(shù)據(jù)庫(kù)的信息體量較大，不僅涉及到產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)表，還有工藝應(yīng)用表、參數(shù)配置表、操作提示表等，在聯(lián)合應(yīng)用多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)表后，能夠以更加精簡(jiǎn)的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與保存，確保數(shù)據(jù)處理能夠正常實(shí)現(xiàn)。

3.3 模塊間的通訊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)集底層運(yùn)動(dòng)控制、PLC控制輸入輸出、人機(jī)界面于一體，彼此間采用特定的通訊方式，以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，具體如圖2所示。

圖2 信息通訊圖

人機(jī)交互界面和底層控制程序間傳遞如下兩類(lèi)數(shù)據(jù)：一是生產(chǎn)文件、配置文件等數(shù)據(jù)量較大的文本文件，采用ftp協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊；二是坐標(biāo)信息、工藝信息、輪廓信息等實(shí)時(shí)性較高的控制參數(shù)，采用的是Soap協(xié)議。PLC和運(yùn)動(dòng)程序間為總線通訊方式，較為可行的是Modbus、EtherCat等，在選擇時(shí)需考慮到工藝的可行性、價(jià)格可控性等多個(gè)方面的需求，盡可能挑選綜合應(yīng)用效果較佳的總通訊方式。

3.4 系統(tǒng)的擴(kuò)展

系統(tǒng)具備基本功能后，還需考慮到客戶(hù)的個(gè)性化需求，以便提高系統(tǒng)的附加價(jià)值。在此方面，需要完善系統(tǒng)，使客戶(hù)享受到更多的選項(xiàng)配置，進(jìn)而根據(jù)自身的需求做合理的選擇，同時(shí)，還有適量的升級(jí)接口，其賦予系統(tǒng)擴(kuò)展足夠的靈活性，可滿足客戶(hù)自行研發(fā)的需求。

4 機(jī)器人三維激光切割路徑規(guī)劃

4.1 機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)

激光切割、滾邊等加工活動(dòng)的軌跡精度要求高，在此類(lèi)加工中，向三維模型中提取目標(biāo)曲線，用于確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，在確定曲線后，對(duì)其做離散處理，獲得具體的目標(biāo)點(diǎn)。其中，基于工件坐標(biāo)系統(tǒng){U}的數(shù)據(jù)為目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，基于機(jī)器人基坐標(biāo)系統(tǒng){B}可產(chǎn)生運(yùn)行路徑，從該關(guān)系來(lái)看，需要考慮到工件坐標(biāo)系{U}和機(jī)器人基坐標(biāo)系{B}的關(guān)系，在明確兩者的關(guān)系后，有利于更加有效地應(yīng)用機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)。從現(xiàn)階段的機(jī)器人產(chǎn)品來(lái)看，普遍支持工件坐標(biāo)系{U}的建立，在確定輸入坐標(biāo)系{U}相對(duì)于坐標(biāo)系{B}的位姿關(guān)系后，將其輸入至機(jī)器人控制器，以此來(lái)確定工件坐標(biāo)系{U}，再進(jìn)一步向機(jī)器人控制器導(dǎo)入目標(biāo)點(diǎn)，識(shí)別點(diǎn)位信息，據(jù)此規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的路徑。盡管理論層面可行，但具體至實(shí)際環(huán)境中，生產(chǎn)條件復(fù)雜，安裝精度可能較低，在多項(xiàng)條件的共同制約下，可能會(huì)導(dǎo)致位姿關(guān)系與三維模型產(chǎn)生偏差。為此，需精準(zhǔn)標(biāo)定，在此前提下，切實(shí)保證機(jī)器人離線路徑的有效應(yīng)用。

4.2 機(jī)器人三維激光切割技術(shù)

機(jī)器人為主要的三維運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，由其高效完成激光切割動(dòng)作。在本次設(shè)計(jì)中，硬件設(shè)備考慮的是工業(yè)機(jī)器人、激光切割頭、激光發(fā)生器等，共同建立機(jī)器人三維激光切割系統(tǒng)。切割板材為鋼板，切割前后的情況如圖3所示。

圖3 切割板件前后的對(duì)比

檢驗(yàn)機(jī)器人15個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)定結(jié)果，如圖4所示。結(jié)合圖中信息可知，空間三個(gè)方向的最大誤差為0.2851mm，后續(xù)需進(jìn)行激光切割路徑的校驗(yàn)以及針對(duì)實(shí)際結(jié)果的修正，根據(jù)此工作方式，認(rèn)為±0.3mm以?xún)?nèi)屬于可接受的誤差。

圖4 坐標(biāo)系標(biāo)定校驗(yàn)結(jié)果

4.3 激光切割路徑離線編程

Tecnomatix軟件的技術(shù)覆蓋面廣，涉及到與制造工程有關(guān)的多個(gè)學(xué)科，例如工藝設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程仿真、制造執(zhí)行系統(tǒng)等。該軟件的數(shù)據(jù)分析能力較強(qiáng)，可全面圍繞產(chǎn)品、流程、資源和工廠數(shù)據(jù)做系統(tǒng)性的分析，以數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，統(tǒng)籌規(guī)劃，提高制造過(guò)程的合理性。同時(shí)，基于Tecnomatix的機(jī)器人離線編程具有更突出的獨(dú)立性特征，在無(wú)需依賴(lài)任何硬件設(shè)施的前提下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝邏輯的驗(yàn)證、設(shè)備的干涉檢查等功能。

4.4 首件試切和軌跡調(diào)整

在確定機(jī)器人仿真離線程序后，將其導(dǎo)入機(jī)器人控制器，在程序的指導(dǎo)下做首件試切割作業(yè)；用激光跟蹤儀測(cè)量板件，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，明確其與三維模型特征點(diǎn)的差異，再靈活地修正激光切割路徑，保證該路徑的合理性。經(jīng)過(guò)軌跡修正后的誤差結(jié)果，如圖5所示。

圖5 修正后軌跡誤差

分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)軌跡修正后，空間各方向的誤差均得到有效的控制，可在±0.5mm以?xún)?nèi)，達(dá)到激光切割工藝精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著人工成本的增加和加工質(zhì)量要求的提高，傳統(tǒng)人工作業(yè)模式適應(yīng)性不足的問(wèn)題愈發(fā)明顯，此時(shí)機(jī)器人替代人工作業(yè)方式成為主流。經(jīng)過(guò)本文的分析，提出三維激光切割機(jī)器人控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)的優(yōu)化、硬件設(shè)施的合理配套，可有效提高加工的精度和效率，保證工件的加工質(zhì)量，于企業(yè)而言能夠面向市場(chǎng)推出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，也將因此而獲得更加豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。