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        基于人工智能的機器人激光切割焦點跟隨控制技術(shù)研究

        2022-12-22 08:24:32福建商學院信息工程學院福建福州市350012林少晶
        石河子科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:輪廓坐標系光纖

        (福建商學院信息工程學院,福建福州市,350012)林少晶

        1 三維光纖激光切割機器人

        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,使工件在短時間內(nèi)受到強烈的熱能,溫度迅速升高,發(fā)生熔化或汽化,在工件形態(tài)變化的同時用激光頭按特定的軌跡運行,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)實際生產(chǎn)需求做合理的選擇,例如以金屬板材的厚度為準,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械臂的工作半徑,挑選長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的有效運行,達到提高切割精度和速度的效果。

        2 光纖激光切割機器人的優(yōu)勢分析

        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,保證切割質(zhì)量,適配智能機械手,精準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。進口激光切割頭,此裝置能夠與機械手配合,保證切割動作的精準性,避免與切割頭、加工板材發(fā)生碰撞,與此同時切割焦點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

        3.1 人機交互界面的設(shè)計

        本次研究充分關(guān)注到用戶的個性化需求,為之進行人機交互界面的設(shè)計。根據(jù)界面內(nèi)信息的重要程度,建立重要等級分區(qū),按重要等級評估開展視覺設(shè)計工作,優(yōu)先功能信息樹位置的表達,以便更加清晰地呈現(xiàn)出位置名稱、色彩關(guān)系各項基礎(chǔ)信息,設(shè)定命令欄按鍵規(guī)則,以此為基準,提升運行的規(guī)范性,獨立設(shè)置信息入口類按鍵,針對重要的命令,確定適宜的再確認方式,獨立放置顯示模式類附加操作;通過圖形設(shè)計優(yōu)化觸摸按鍵尺寸。設(shè)計交互的主界面在信息呈現(xiàn)方面清晰明了,包含導航欄、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)品加工時的各項參數(shù)均要得到全面的保存,機器人加工時,應(yīng)高效處理輸入輸出指令動作,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,同時也能夠高效傳遞至下位機,外圍控制層面,可實現(xiàn)對各類配套設(shè)備的精細化調(diào)試和控制,具體對象包含外部軸、激光器、切割頭;監(jiān)控功能也尤為突出,具有報警提示功能,以便及時響應(yīng)異常狀況,盡快處理。

        3.2 應(yīng)用軟件的設(shè)計

        3.2.1 執(zhí)行文件的設(shè)計

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

        3.2.2 數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

        在妥善設(shè)計生產(chǎn)文本后,用戶能夠進行更加精準地解讀,但需注意的是,無論是程序的讀取還是編輯,均相對復雜,在一定程度上影響用戶的體驗。為提升程序存儲、輪廓排序等各項基礎(chǔ)操作的便捷性,引入簡化版Access數(shù)據(jù)庫,深度精簡操作流程,相比常規(guī)的方法,可省去安裝數(shù)據(jù)庫軟件的繁瑣環(huán)節(jié),減少在軟件方面的成本投入。具體至本次設(shè)計中,圍繞產(chǎn)品提出五個數(shù)據(jù)表:產(chǎn)品表,包含產(chǎn)品描述、用戶坐標系等屬性;輪廓標,包含輪廓名、輪廓類型等屬性;趨近點表、切割點表、離開點表,包含輪廓名、點位運行方式、點位具體值等屬性,彼此間以主屬性產(chǎn)品名和輪廓名進行關(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)用多種類型的數(shù)據(jù)表后,能夠以更加精簡的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與保存,確保數(shù)據(jù)處理能夠正常實現(xiàn)。

        3.3 模塊間的通訊設(shè)計

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

        圖2 信息通訊圖

        人機交互界面和底層控制程序間傳遞如下兩類數(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)議實現(xiàn)通訊;二是坐標信息、工藝信息、輪廓信息等實時性較高的控制參數(shù),采用的是Soap協(xié)議。PLC和運動程序間為總線通訊方式,較為可行的是Modbus、EtherCat等,在選擇時需考慮到工藝的可行性、價格可控性等多個方面的需求,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)的擴展

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

        4 機器人三維激光切割路徑規(guī)劃

        4.1 機器人路徑規(guī)劃技術(shù)

        激光切割、滾邊等加工活動的軌跡精度要求高,在此類加工中,向三維模型中提取目標曲線,用于確定機器人運動路徑,在確定曲線后,對其做離散處理,獲得具體的目標點。其中,基于工件坐標系統(tǒng){U}的數(shù)據(jù)為目標點的坐標,基于機器人基坐標系統(tǒng){B}可產(chǎn)生運行路徑,從該關(guān)系來看,需要考慮到工件坐標系{U}和機器人基坐標系{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)用機器人路徑規(guī)劃技術(shù)。從現(xiàn)階段的機器人產(chǎn)品來看,普遍支持工件坐標系{U}的建立,在確定輸入坐標系{U}相對于坐標系{B}的位姿關(guān)系后,將其輸入至機器人控制器,以此來確定工件坐標系{U},再進一步向機器人控制器導入目標點,識別點位信息,據(jù)此規(guī)劃機器人的路徑。盡管理論層面可行,但具體至實際環(huán)境中,生產(chǎn)條件復雜,安裝精度可能較低,在多項條件的共同制約下,可能會導致位姿關(guān)系與三維模型產(chǎn)生偏差。為此,需精準標定,在此前提下,切實保證機器人離線路徑的有效應(yīng)用。

        4.2 機器人三維激光切割技術(shù)

        機器人為主要的三維運動執(zhí)行系統(tǒng),由其高效完成激光切割動作。在本次設(shè)計中,硬件設(shè)備考慮的是工業(yè)機器人、激光切割頭、激光發(fā)生器等,共同建立機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 切割板件前后的對比

        檢驗機器人15個姿態(tài)對應(yīng)的標定結(jié)果,如圖4所示。結(jié)合圖中信息可知,空間三個方向的最大誤差為0.2851mm,后續(xù)需進行激光切割路徑的校驗以及針對實際結(jié)果的修正,根據(jù)此工作方式,認為±0.3mm以內(nèi)屬于可接受的誤差。

        圖4 坐標系標定校驗結(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)的多個學科,例如工藝設(shè)計、工藝過程仿真、制造執(zhí)行系統(tǒng)等。該軟件的數(shù)據(jù)分析能力較強,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,統(tǒng)籌規(guī)劃,提高制造過程的合理性。同時,基于Tecnomatix的機器人離線編程具有更突出的獨立性特征,在無需依賴任何硬件設(shè)施的前提下即可實現(xiàn)對工藝邏輯的驗證、設(shè)備的干涉檢查等功能。

        4.4 首件試切和軌跡調(diào)整

        在確定機器人仿真離線程序后,將其導入機器人控制器,在程序的指導下做首件試切割作業(yè);用激光跟蹤儀測量板件,根據(jù)實測結(jié)果,明確其與三維模型特征點的差異,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以內(nèi),達到激光切割工藝精度要求。

        5 結(jié)語

        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)性不足的問題愈發(fā)明顯,此時機器人替代人工作業(yè)方式成為主流。經(jīng)過本文的分析,提出三維激光切割機器人控制系統(tǒng)的具體設(shè)計要點,通過技術(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)濟效益。

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