基于人工智能的機器人激光切割焦點跟隨控制技術研究

（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

激光器產生激光，經由反射鏡照射至工件上，使工件在短時間內受到強烈的熱能，溫度迅速升高，發生熔化或汽化，在工件形態變化的同時用激光頭按特定的軌跡運行，加工出合適規格的產品。

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，可根據實際生產需求做合理的選擇，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，用于優化光纖激光器的運行狀態，確保其具有穩定性。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勢分析

光纖激光技術和數字控制技術，顯著提高激光切割水平，配置的控制系統可有效調控激光切割機，保證切割質量，適配智能機械手，精準完成三維立體切割作業，作業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定性，可適配高壓氣路設備，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設計

3.1 人機交互界面的設計

本次研究充分關注到用戶的個性化需求，為之進行人機交互界面的設計。根據界面內信息的重要程度，建立重要等級分區，按重要等級評估開展視覺設計工作，優先功能信息樹位置的表達，以便更加清晰地呈現出位置名稱、色彩關系各項基礎信息，設定命令欄按鍵規則，以此為基準，提升運行的規范性，獨立設置信息入口類按鍵，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；通過圖形設計優化觸摸按鍵尺寸。設計交互的主界面在信息呈現方面清晰明了，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：可實現產品的刪除、新建、備份、編輯等功能。可編輯產品加工時的各項參數均要得到全面的保存，機器人加工時，應高效處理輸入輸出指令動作，根據加工要求靈活配置生產周期、調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，可實現對各類配套設備的精細化調試和控制，具體對象包含外部軸、激光器、切割頭；監控功能也尤為突出，具有報警提示功能，以便及時響應異常狀況，盡快處理。

3.2 應用軟件的設計

3.2.1 執行文件的設計

程序代碼格式的統一性有限，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需求，后續針對其做閱讀和二次修改時工作內容較為繁瑣，而即便是同一類產品，不同輪廓對應的精度要求也存在差異，在加工時需要結合切割輪廓的形態適配科學可行的工藝。

3.2.2 數據庫的應用

在妥善設計生產文本后，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操作的便捷性，引入簡化版Access數據庫，深度精簡操作流程，相比常規的方法，可省去安裝數據庫軟件的繁瑣環節，減少在軟件方面的成本投入。具體至本次設計中，圍繞產品提出五個數據表：產品表，包含產品描述、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，彼此間以主屬性產品名和輪廓名進行關聯。數據關系表，如圖1所示。

圖1 數據關系表

數據庫的信息體量較大，不僅涉及到產品的相關數據表，還有工藝應用表、參數配置表、操作提示表等，在聯合應用多種類型的數據表后，能夠以更加精簡的方式實現系統的數據處理與保存，確保數據處理能夠正常實現。

3.3 模塊間的通訊設計

本系統集底層運動控制、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據：一是生產文件、配置文件等數據量較大的文本文件，采用ftp協議實現通訊；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，采用的是Soap協議。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，盡可能挑選綜合應用效果較佳的總通訊方式。

3.4 系統的擴展

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

4 機器人三維激光切割路徑規劃

4.1 機器人路徑規劃技術

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{U}的數據為目標點的坐標，基于機器人基坐標系統{B}可產生運行路徑，從該關系來看，需要考慮到工件坐標系{U}和機器人基坐標系{B}的關系，在明確兩者的關系后，有利于更加有效地應用機器人路徑規劃技術。從現階段的機器人產品來看，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，據此規劃機器人的路徑。盡管理論層面可行，但具體至實際環境中，生產條件復雜，安裝精度可能較低，在多項條件的共同制約下，可能會導致位姿關系與三維模型產生偏差。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用。

4.2 機器人三維激光切割技術

機器人為主要的三維運動執行系統，由其高效完成激光切割動作。在本次設計中，硬件設備考慮的是工業機器人、激光切割頭、激光發生器等，共同建立機器人三維激光切割系統。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個姿態對應的標定結果，如圖4所示。結合圖中信息可知，空間三個方向的最大誤差為0.2851mm，后續需進行激光切割路徑的校驗以及針對實際結果的修正，根據此工作方式，認為±0.3mm以內屬于可接受的誤差。

圖4 坐標系標定校驗結果

4.3 激光切割路徑離線編程

Tecnomatix軟件的技術覆蓋面廣，涉及到與制造工程有關的多個學科，例如工藝設計、工藝過程仿真、制造執行系統等。該軟件的數據分析能力較強，可全面圍繞產品、流程、資源和工廠數據做系統性的分析，以數據為指導，統籌規劃，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施的前提下即可實現對工藝邏輯的驗證、設備的干涉檢查等功能。

4.4 首件試切和軌跡調整

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；用激光跟蹤儀測量板件，根據實測結果，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。經過軌跡修正后的誤差結果，如圖5所示。

圖5 修正后軌跡誤差

分析發現，經過軌跡修正后，空間各方向的誤差均得到有效的控制，可在±0.5mm以內，達到激光切割工藝精度要求。

5 結語

綜上所述，隨著人工成本的增加和加工質量要求的提高，傳統人工作業模式適應性不足的問題愈發明顯，此時機器人替代人工作業方式成為主流。經過本文的分析，提出三維激光切割機器人控制系統的具體設計要點，通過技術的優化、硬件設施的合理配套，可有效提高加工的精度和效率，保證工件的加工質量，于企業而言能夠面向市場推出優質的產品，也將因此而獲得更加豐厚的經濟效益。