機(jī)器人遠(yuǎn)程激光焊接離線編程 系統(tǒng)與路徑規(guī)劃*

王巧玲，程 欣

(河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050000)

0 引言

遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)又可以稱為振鏡掃面式激光焊接技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的接觸點(diǎn)焊技術(shù)[1]，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)主要通過(guò)激光器發(fā)出的平行激光，通過(guò)拋物面鏡得到高密度激光能量進(jìn)而照射到金屬工件表面，金屬表面和激光發(fā)生相互反應(yīng)，產(chǎn)生的激光輻射使金屬表面經(jīng)融化、冷卻以及結(jié)晶的過(guò)程，從而完成無(wú)接觸式的焊接過(guò)程。遠(yuǎn)程激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)激光束的微小偏轉(zhuǎn)實(shí)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(guò)程中的非生產(chǎn)時(shí)間[2]。目前遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、海洋工程以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[3-6]。

雖然遠(yuǎn)程激光焊接具有多方面的優(yōu)勢(shì)，但是由于其昂貴的投資成本，使得遠(yuǎn)程激光焊接只適用于焊接周期短、收益較高的焊接過(guò)程中[7]。另外，傳統(tǒng)的機(jī)器人在線編程方法無(wú)法適用于遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)，達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，針對(duì)遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)的不足，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)其編程方法以及路徑優(yōu)化進(jìn)行了研究。Erd?s[8]等人針對(duì)機(jī)器人在線編程方法不適用于遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)，提出一種基于半自動(dòng)化最優(yōu)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)算法的遠(yuǎn)程激光焊接的離線編程工具箱，并對(duì)焊接任務(wù)的順序、路徑、工件位置以及機(jī)器人軌跡進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳的焊接工藝，通過(guò)車門的工業(yè)焊接實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的有效性。王克鴻[9]對(duì)SK6弧焊機(jī)器人設(shè)計(jì)研究了弧焊機(jī)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(jī)器人程序自動(dòng)生成以及通訊模塊等，同時(shí)引入了智能化專家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)典型焊縫進(jìn)行實(shí)焊實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)的可行性。另外，針對(duì)激光焊接技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展及應(yīng)用，也有相關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究成果報(bào)道[10-13]。

根據(jù)以后的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)的相關(guān)研究，本文提出一種遠(yuǎn)程激光焊接機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，結(jié)合焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)以及空間輸入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程激光焊接的三維空間交互，同時(shí)針對(duì)焊縫順序和焊接軌跡進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)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(jī)界面交互友好、易編程、定位快以及加工時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

1 離線編程系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)有編程方法

目前工業(yè)上應(yīng)用的編程技術(shù)大致可以分為兩種：在線和離線技術(shù)。在線法如Teach-In，引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)離散位置來(lái)描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。用來(lái)輔助編程的智能感應(yīng)器能夠確保機(jī)器人保持在正確的運(yùn)動(dòng)軌跡上，但是不能隨意改寫機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。在線法是一種較為簡(jiǎn)單但相對(duì)緩慢的編程技術(shù)。特別是在遠(yuǎn)程激光焊接過(guò)程中，當(dāng)焊接中心點(diǎn)距離工件法蘭較遠(yuǎn)時(shí)，就導(dǎo)致人工調(diào)節(jié)機(jī)器人位置既困難又費(fèi)時(shí)。掃描鏡改變其傾角時(shí)，必須結(jié)合額外的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算相應(yīng)的周期時(shí)間來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)的位置，這就極大地增加了焊接所用的時(shí)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(jī)器人初始設(shè)置，隨后將機(jī)器人離線位置從實(shí)際環(huán)境轉(zhuǎn)移到虛擬系統(tǒng)。離線仿真系統(tǒng)是機(jī)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(lái)解決焊接過(guò)程中焊裝夾具干涉問(wèn)題，但是，關(guān)于解決遠(yuǎn)程激光焊接焊接順序優(yōu)化及機(jī)器人路徑優(yōu)化相關(guān)問(wèn)題方面缺少相關(guān)研究。同時(shí)，由于實(shí)際工作過(guò)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(fèi)大量時(shí)間與實(shí)際焊接向匹配。因此，這就需要結(jié)合模型數(shù)據(jù)和實(shí)際工件高效直觀地定義焊接工藝。

1.2 改進(jìn)的離線編程系統(tǒng)

遠(yuǎn)程激光焊接系統(tǒng)任務(wù)較為復(fù)雜，通常包括變量和常量屬性。離線任務(wù)等級(jí)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(wù)、可行解空間、智能機(jī)器人以及光學(xué)和激光特性。第二部分進(jìn)行機(jī)器人路徑優(yōu)化。焊接數(shù)據(jù)庫(kù)和CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)的建立，能夠提高焊接效率、減少重復(fù)試驗(yàn)，極大地減少焊接周期。遠(yuǎn)程激光焊接離線編程系統(tǒng)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、成熟的焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)以及焊接質(zhì)量診斷數(shù)據(jù)。焊接過(guò)程中通過(guò)歸納相應(yīng)的數(shù)據(jù)，能夠合理利用資源，達(dá)到及時(shí)更新，實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。

優(yōu)化結(jié)果是關(guān)于每個(gè)插補(bǔ)周期機(jī)器人軸的位置和信號(hào)狀態(tài)的表，這個(gè)表能夠直接用于焊接過(guò)程，但是不能被修改。因此，路徑規(guī)劃時(shí)實(shí)際的焊縫位置設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。為了最小化輸入數(shù)據(jù)誤差，任務(wù)描述通常在真實(shí)三維工件上進(jìn)行交互從而減少焊接過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

圖1 任務(wù)等級(jí)離線編程系統(tǒng)

1.3 空間交互機(jī)理

三維輸入設(shè)備為手動(dòng)輸入空間坐標(biāo)和六自由度機(jī)器人交互提供了有效的方法。相較于傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜，以及超聲速磁跟蹤系統(tǒng)的低準(zhǔn)確度，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)能夠提供較大工作空間以及高刷新率的同時(shí)保證亞毫米級(jí)精度。用戶通過(guò)手持輸入設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)投影信息可視化，從而提供一個(gè)空間的人機(jī)界面。

當(dāng)用戶將3D輸入筆移動(dòng)到工件表面時(shí)，虛擬光標(biāo)將會(huì)投射在輸入設(shè)備的前端上。如果用戶想要在工件表面上重新定義一個(gè)新的軌跡點(diǎn)，可以通過(guò)按下輸入設(shè)備上的按鈕來(lái)確認(rèn)重新定義軌跡點(diǎn)的位置。由于投射過(guò)程不斷刷新，將會(huì)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(jìn)行選擇、導(dǎo)航，修改加工軌跡以及實(shí)現(xiàn)3D模型可視化。此外，各個(gè)活動(dòng)元素可以通過(guò)簡(jiǎn)單的顏色編碼，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的交互過(guò)程。位于二維屏幕上的元素可以通過(guò)輸入筆選擇并以拖拽的方式重新定位。同時(shí)還支持測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了將模型數(shù)據(jù)和實(shí)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(shí)際工件之間的相互轉(zhuǎn)化就會(huì)非常平穩(wěn)且準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)在實(shí)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(gè)觸摸屏圖形用戶界面，用于輸入的工藝參數(shù)和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)參數(shù)。此外，還會(huì)提供給使用者3D可視化界面，用于細(xì)化幾何數(shù)據(jù)以及顯示相關(guān)運(yùn)動(dòng)行為。這樣，通過(guò)由投影系統(tǒng)組成的用戶界面、6自由度輸入設(shè)備以及電腦就可以完全描述焊接任務(wù)，如圖3。生成的任務(wù)可以分為組、焊縫和點(diǎn)不同等級(jí)。其中每個(gè)任務(wù)由一個(gè)或多個(gè)組組成，每個(gè)組都包含有多條焊縫。每一條焊縫由兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)組成，用來(lái)描述焊縫形狀。所有元素的特征都將由工件幾何、加工過(guò)程以及用戶定義的屬性決定，這些也是決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的重要參數(shù)。

2 路徑規(guī)劃

對(duì)于路徑規(guī)劃和優(yōu)化，目前已經(jīng)開發(fā)了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的計(jì)算算法，該算法將任務(wù)描述作為輸入數(shù)據(jù)。優(yōu)化問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，因此將其分為幾個(gè)子問(wèn)題，下面重點(diǎn)討論兩個(gè)子問(wèn)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(dāng)?shù)暮附禹樞?。?jù)推測(cè)，所有焊縫之間的最短笛卡爾路徑能夠使焊接過(guò)程所用的時(shí)間最小。因此這類問(wèn)題的計(jì)算可以歸結(jié)為旅行商問(wèn)題(TSP)。如圖3所示，三個(gè)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(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生一定范圍的傾角，從而實(shí)現(xiàn)激光的快速定位，但是焊接順序的變化會(huì)影響遠(yuǎn)程激光焊接的焊接效率，如同旅行商問(wèn)題，尋找遍歷所有焊縫點(diǎn)的最短位移所對(duì)應(yīng)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(wèn)題，采用簡(jiǎn)單的啟發(fā)式算法，如圖4所示。主要有6個(gè)步驟。首先隨機(jī)初始焊接順序，將每條焊縫簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)；隨機(jī)兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行迭代交換以及在序列中隨機(jī)插入單個(gè)點(diǎn)；然后隨機(jī)選擇每條焊縫的焊接方向，以便下一步對(duì)每條焊縫的焊接方向進(jìn)行優(yōu)化；最后選擇兩條焊縫之間距離最長(zhǎng)的兩個(gè)點(diǎn)作為焊接的起點(diǎn)和終點(diǎn)。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(guò)程

2.2 焊接軌跡優(yōu)化

平滑的激光路徑可以避免過(guò)多的軸向運(yùn)動(dòng)，從而減少機(jī)器人重復(fù)定位的時(shí)間，節(jié)省焊接過(guò)程中加工周期。以初始激光路徑開始進(jìn)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(shè)每個(gè)點(diǎn)pn具有一定的質(zhì)量，因此點(diǎn)pn-1和pn+1分別受力的影響。并且力隨著兩點(diǎn)之間的距離平方增長(zhǎng)，因此在點(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)外，中間的每個(gè)焊接點(diǎn)都以隨機(jī)的方式進(jìn)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(jié)合，對(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期確定機(jī)器人軸的位置進(jìn)行焊接加工。另外，激光開/關(guān)按鍵以及激光功率設(shè)置的相關(guān)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(guò)程

3 仿真結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證任務(wù)等級(jí)編程系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)編程任務(wù)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(jìn)行加工仿真分析，設(shè)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(yǔ)言編程導(dǎo)入離線遠(yuǎn)程激光焊接編程系統(tǒng)，在線編程遠(yuǎn)程激光焊接作為對(duì)比，分別計(jì)算兩種編程系統(tǒng)完成遠(yuǎn)程激光焊接任務(wù)以及完成各個(gè)階段所用時(shí)間。仿真結(jié)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(yuǎn)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(shí)間。同時(shí)，編程所用時(shí)間也相對(duì)較少。焊接3D車門部件模型時(shí)，在線編程完成遠(yuǎn)程激光焊接任務(wù)所用時(shí)間為60min，而離線遠(yuǎn)程激光焊接編程系統(tǒng)只需要12min的AR交互過(guò)程以及20min的自動(dòng)計(jì)算過(guò)程。

相較于傳統(tǒng)的在線編程方法，機(jī)器人離線編程系統(tǒng)離線編程能夠節(jié)省大量的焊接時(shí)間，焊接數(shù)據(jù)庫(kù)和CAD數(shù)據(jù)庫(kù)的引入，為焊接的前期準(zhǔn)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(duì)焊接順序和焊接軌跡進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，提高了工業(yè)機(jī)器人激光聚焦點(diǎn)的定位精度以及焊接效率。

表1 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

由于傳統(tǒng)遠(yuǎn)程激光焊接編程方法所費(fèi)時(shí)間較多，加工任務(wù)周期長(zhǎng)，本文提出一種新的有效的離線遠(yuǎn)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(kuò)增實(shí)境的3D輸入設(shè)備，可以時(shí)間機(jī)器人軸的快速定位；而是基于解決旅行商問(wèn)題的軌跡優(yōu)化算法，能夠?qū)C(jī)器人路徑以及焊接順序進(jìn)行優(yōu)化。離線遠(yuǎn)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(jī)交互，還具有很高的適用性，操作簡(jiǎn)單。經(jīng)仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)在線編程方法能夠明顯減少遠(yuǎn)程激光焊接的操作時(shí)間，從而節(jié)省加工時(shí)間；用于軌跡規(guī)劃及路徑優(yōu)化的功能強(qiáng)大的計(jì)算算法能夠減少超過(guò)30%的循環(huán)時(shí)間，減少重復(fù)定位時(shí)間，提高遠(yuǎn)程激光焊接效率。

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