王巧玲，程 欣

(河北科技大學 信息科學與工程學院，石家莊 050000)

0 引言

遠程激光焊接技術又可以稱為振鏡掃面式激光焊接技術。相較于傳統(tǒng)的接觸點焊技術[1]，遠程激光焊接技術主要通過激光器發(fā)出的平行激光，通過拋物面鏡得到高密度激光能量進而照射到金屬工件表面，金屬表面和激光發(fā)生相互反應，產(chǎn)生的激光輻射使金屬表面經(jīng)融化、冷卻以及結晶的過程，從而完成無接觸式的焊接過程。遠程激光焊接的主要優(yōu)點是通過激光束的微小偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光束在工件表面的定位，從而提高聚焦光斑的定位速度，減少焊接過程中的非生產(chǎn)時間[2]。目前遠程激光焊接技術已經(jīng)廣泛應用于機械、汽車、海洋工程以及航空航天等工業(yè)領域[3-6]。

雖然遠程激光焊接具有多方面的優(yōu)勢，但是由于其昂貴的投資成本，使得遠程激光焊接只適用于焊接周期短、收益較高的焊接過程中[7]。另外，傳統(tǒng)的機器人在線編程方法無法適用于遠程激光焊接技術，達不到預期的效果。為此，針對遠程激光焊接技術的不足，國內(nèi)外許多專家學者對其編程方法以及路徑優(yōu)化進行了研究。Erd?s[8]等人針對機器人在線編程方法不適用于遠程激光焊接技術，提出一種基于半自動化最優(yōu)機器人程序設計算法的遠程激光焊接的離線編程工具箱，并對焊接任務的順序、路徑、工件位置以及機器人軌跡進行優(yōu)化，得到了最佳的焊接工藝，通過車門的工業(yè)焊接實驗，證明了該方法的有效性。王克鴻[9]對SK6弧焊機器人設計研究了弧焊機器人離線編程系統(tǒng)，主要包括幾何特征提取及建模模塊、焊接姿態(tài)規(guī)劃、焊接參數(shù)、機器人程序自動生成以及通訊模塊等，同時引入了智能化專家系統(tǒng)，通過對典型焊縫進行實焊實驗，證明了該系統(tǒng)的可行性。另外，針對激光焊接技術的數(shù)字化發(fā)展及應用，也有相關的國內(nèi)外研究成果報道[10-13]。

根據(jù)以后的遠程激光焊接技術的相關研究，本文提出一種遠程激光焊接機器人離線編程系統(tǒng)，結合焊接數(shù)據(jù)庫平臺、焊接工藝設計專家系統(tǒng)以及空間輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程激光焊接的三維空間交互，同時針對焊縫順序和焊接軌跡進行優(yōu)化。實驗證明，本文提出的離線編程方法及路徑規(guī)劃方法有效，并具有人機界面交互友好、易編程、定位快以及加工時間短等優(yōu)點。

1 離線編程系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)有編程方法

目前工業(yè)上應用的編程技術大致可以分為兩種：在線和離線技術。在線法如Teach-In，引導機器人到達離散位置來描述機器人運動軌跡。用來輔助編程的智能感應器能夠確保機器人保持在正確的運動軌跡上，但是不能隨意改寫機器人的運動軌跡。在線法是一種較為簡單但相對緩慢的編程技術。特別是在遠程激光焊接過程中，當焊接中心點距離工件法蘭較遠時，就導致人工調(diào)節(jié)機器人位置既困難又費時。掃描鏡改變其傾角時，必須結合額外的實驗測試和計算相應的周期時間來手動調(diào)節(jié)相應的位置，這就極大地增加了焊接所用的時間和加工成本[14]。

離線法，大多數(shù)利用具有CAD功能的3D仿真系統(tǒng)定義機器人初始設置，隨后將機器人離線位置從實際環(huán)境轉(zhuǎn)移到虛擬系統(tǒng)。離線仿真系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)建模和路徑規(guī)劃的有效工具。另外，目前已有的很多仿真系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法來解決焊接過程中焊裝夾具干涉問題，但是，關于解決遠程激光焊接焊接順序優(yōu)化及機器人路徑優(yōu)化相關問題方面缺少相關研究。同時，由于實際工作過程中工件和仿真系統(tǒng)中的CAD模型之間的差異不可能完全避免，離線生成的程序必須耗費大量時間與實際焊接向匹配。因此，這就需要結合模型數(shù)據(jù)和實際工件高效直觀地定義焊接工藝。

1.2 改進的離線編程系統(tǒng)

遠程激光焊接系統(tǒng)任務較為復雜，通常包括變量和常量屬性。離線任務等級編程系統(tǒng)主要由兩部分組成，如圖1所示。第一部分用于描述焊接任務、可行解空間、智能機器人以及光學和激光特性。第二部分進行機器人路徑優(yōu)化。焊接數(shù)據(jù)庫和CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)的建立，能夠提高焊接效率、減少重復試驗，極大地減少焊接周期。遠程激光焊接離線編程系統(tǒng)焊接數(shù)據(jù)庫主要包括焊接試驗數(shù)據(jù)庫、焊接基礎數(shù)據(jù)庫、成熟的焊接工藝數(shù)據(jù)庫以及焊接質(zhì)量診斷數(shù)據(jù)。焊接過程中通過歸納相應的數(shù)據(jù)，能夠合理利用資源，達到及時更新，實時檢測的目的。

優(yōu)化結果是關于每個插補周期機器人軸的位置和信號狀態(tài)的表，這個表能夠直接用于焊接過程，但是不能被修改。因此，路徑規(guī)劃時實際的焊縫位置設計的相關數(shù)據(jù)是至關重要的。為了最小化輸入數(shù)據(jù)誤差，任務描述通常在真實三維工件上進行交互從而減少焊接過程中產(chǎn)生的誤差。

圖1 任務等級離線編程系統(tǒng)

1.3 空間交互機理

三維輸入設備為手動輸入空間坐標和六自由度機器人交互提供了有效的方法。相較于傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的復雜，以及超聲速磁跟蹤系統(tǒng)的低準確度，光學跟蹤系統(tǒng)能夠提供較大工作空間以及高刷新率的同時保證亞毫米級精度。用戶通過手持輸入設備可以實現(xiàn)投影信息可視化，從而提供一個空間的人機界面。

當用戶將3D輸入筆移動到工件表面時，虛擬光標將會投射在輸入設備的前端上。如果用戶想要在工件表面上重新定義一個新的軌跡點，可以通過按下輸入設備上的按鈕來確認重新定義軌跡點的位置。由于投射過程不斷刷新，將會在工件表面繪制出新的加工軌跡，如圖2所示?？臻g交互系統(tǒng)能夠?qū)臻g位置進行選擇、導航，修改加工軌跡以及實現(xiàn)3D模型可視化。此外，各個活動元素可以通過簡單的顏色編碼，進而可以實現(xiàn)較為復雜的交互過程。位于二維屏幕上的元素可以通過輸入筆選擇并以拖拽的方式重新定位。同時還支持測量距離、半徑和角度的功能?？臻g交互系統(tǒng)不僅僅提供了在實際工件表面創(chuàng)建軌跡和模型信息的高效方法，還利用AR功能實現(xiàn)了將模型數(shù)據(jù)和實際幾何形狀的修改并將其可視化。因此，現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)與實際工件之間的相互轉(zhuǎn)化就會非常平穩(wěn)且準確。

圖2 基于AR系統(tǒng)的用戶界面和3D交互環(huán)境

在已經(jīng)提到的編程系統(tǒng)中，AR交互界面用于實現(xiàn)在實際工件表面定義焊接位置和確定幾何約束的可視化。主要包括一個觸摸屏圖形用戶界面，用于輸入的工藝參數(shù)和優(yōu)化標準等相關參數(shù)。此外，還會提供給使用者3D可視化界面，用于細化幾何數(shù)據(jù)以及顯示相關運動行為。這樣，通過由投影系統(tǒng)組成的用戶界面、6自由度輸入設備以及電腦就可以完全描述焊接任務，如圖3。生成的任務可以分為組、焊縫和點不同等級。其中每個任務由一個或多個組組成，每個組都包含有多條焊縫。每一條焊縫由兩個或多個點組成，用來描述焊縫形狀。所有元素的特征都將由工件幾何、加工過程以及用戶定義的屬性決定，這些也是決定機器人運動軌跡的重要參數(shù)。

2 路徑規(guī)劃

對于路徑規(guī)劃和優(yōu)化，目前已經(jīng)開發(fā)了以計算機為基礎的計算算法，該算法將任務描述作為輸入數(shù)據(jù)。優(yōu)化問題相對復雜，因此將其分為幾個子問題，下面重點討論兩個子問題。

2.1 焊接順序優(yōu)化

焊接路徑優(yōu)化的第一步是確定適當?shù)暮附禹樞?。?jù)推測，所有焊縫之間的最短笛卡爾路徑能夠使焊接過程所用的時間最小。因此這類問題的計算可以歸結為旅行商問題(TSP)。如圖3所示，三個不同位置的焊縫A、B和C非線性地分布在工件上，初始情況下存在兩種不同的焊接順序，分別為ABC和CAB。由于振鏡在擺動電機的驅(qū)動能夠產(chǎn)生一定范圍的傾角，從而實現(xiàn)激光的快速定位，但是焊接順序的變化會影響遠程激光焊接的焊接效率，如同旅行商問題，尋找遍歷所有焊縫點的最短位移所對應的焊接順序就是最優(yōu)的焊接順序。

圖3 有效傾角存在的不同焊接順序

為了更好地解決旅行商問題，采用簡單的啟發(fā)式算法，如圖4所示。主要有6個步驟。首先隨機初始焊接順序，將每條焊縫簡化為一個點；隨機兩個點進行迭代交換以及在序列中隨機插入單個點；然后隨機選擇每條焊縫的焊接方向，以便下一步對每條焊縫的焊接方向進行優(yōu)化；最后選擇兩條焊縫之間距離最長的兩個點作為焊接的起點和終點。這樣就可以得到所有焊縫之間的最短笛卡爾路徑。

圖4 焊接順序優(yōu)化過程

2.2 焊接軌跡優(yōu)化

平滑的激光路徑可以避免過多的軸向運動，從而減少機器人重復定位的時間，節(jié)省焊接過程中加工周期。以初始激光路徑開始進行優(yōu)化，多數(shù)的初始路徑是不光滑的，而是有棱角的，如圖5左所示。為了使激光路徑較為平滑，假設每個點pn具有一定的質(zhì)量，因此點pn-1和pn+1分別受力的影響。并且力隨著兩點之間的距離平方增長，因此在點pn處造成微小的位移，如圖5中所示。另外一種優(yōu)化方法，除焊接起點和終點外，中間的每個焊接點都以隨機的方式進行確定，選擇最為平滑的一條路徑作為最優(yōu)路徑，如圖5右所示。

最后，將優(yōu)化后的平滑激光路徑與焊接順序相結合，對每個插補周期確定機器人軸的位置進行焊接加工。另外，激光開/關按鍵以及激光功率設置的相關信息也是焊接路徑優(yōu)化中必不可少的一部分。

圖5 焊接軌跡優(yōu)化過程

3 仿真結果對比

為了驗證任務等級編程系統(tǒng)對遠程焊接系統(tǒng)編程任務的優(yōu)越性能，分別建立在2D薄片工件模型和3D車門工件模型進行加工仿真分析，設置不同焊縫數(shù)目和焊接速度等參數(shù)。將路徑優(yōu)化算法經(jīng)C語言編程導入離線遠程激光焊接編程系統(tǒng)，在線編程遠程激光焊接作為對比，分別計算兩種編程系統(tǒng)完成遠程激光焊接任務以及完成各個階段所用時間。仿真結果見表1。由表1可知，不同工件模型和不同焊接參數(shù)下，離線遠程激光焊接編程系統(tǒng)相比在線編程系統(tǒng)能夠節(jié)省28%～37%的加工周期時間。同時，編程所用時間也相對較少。焊接3D車門部件模型時，在線編程完成遠程激光焊接任務所用時間為60min，而離線遠程激光焊接編程系統(tǒng)只需要12min的AR交互過程以及20min的自動計算過程。

相較于傳統(tǒng)的在線編程方法，機器人離線編程系統(tǒng)離線編程能夠節(jié)省大量的焊接時間，焊接數(shù)據(jù)庫和CAD數(shù)據(jù)庫的引入，為焊接的前期準備提供了激光參數(shù)、焊接參數(shù)以及工藝參數(shù)等信息；利用兩種優(yōu)化算法對焊接順序和焊接軌跡進行優(yōu)化的同時，提高了工業(yè)機器人激光聚焦點的定位精度以及焊接效率。

表1 仿真結果

4 結論

由于傳統(tǒng)遠程激光焊接編程方法所費時間較多，加工任務周期長，本文提出一種新的有效的離線遠程激光焊接編程系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由兩方面組成，一是基于擴增實境的3D輸入設備，可以時間機器人軸的快速定位；而是基于解決旅行商問題的軌跡優(yōu)化算法，能夠?qū)C器人路徑以及焊接順序進行優(yōu)化。離線遠程激光焊接編程系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)快速的空間人機交互，還具有很高的適用性，操作簡單。經(jīng)仿真結果表明，相較于傳統(tǒng)在線編程方法能夠明顯減少遠程激光焊接的操作時間，從而節(jié)省加工時間；用于軌跡規(guī)劃及路徑優(yōu)化的功能強大的計算算法能夠減少超過30%的循環(huán)時間，減少重復定位時間，提高遠程激光焊接效率。

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