基于HTCvive的工藝分析系統設計及開發

摘 要：隨著人口老齡化的不斷加劇，年輕勞動力不足成為常態，許多行業的智能化、自動化水平亟待提高。因此，基于HTCvive，針對依賴高級工人工藝經驗而難以實現自動化的行業應用，在Unity引擎上設計并開發了一個工藝分析系統。通過實時跟蹤工具的位姿軌跡與系統準確的切換開關時機，可以對焊接、噴涂、涂膠等高度依賴工人經驗的行業應用進行工藝分析，使用工業機器人復制經驗豐富的工程師的工藝手法進行作業，然后通過對比工藝質量進行迭代分析，最終獲得自動化作業能力。

關鍵詞：工藝分析；HTCvive；Unity；焊接；噴涂

中圖分類號：TP242；TP274? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.007

0? ? 引言

隨著人口老齡化越發嚴峻，出生率不斷下降，年輕勞動力不足成為常態，所以制造業各個領域都亟需提高機械化、智能化水平。因此，能夠適應個性化、柔性化生產的工業機器人被越來越廣泛地應用于生產中，各行各業都在逐漸把人工制造轉為智能化生產。隨著工業技術的發展，簡單的人工制造已經被機械自動化設備取代了，剩下的都是一些機械自動化設備暫時難以取代人工的行業和工藝。其中，焊接、噴涂、涂膠等工藝由于工作環境惡劣，最需要實現智能制造替代，但由于工藝復雜，像焊接過程中的焊槍姿態調整，多層多道焊接中的焊接順序把握，邊角位置的焊接包角等，亦或者噴涂、涂膠行業要求材料節省且均勻，就需要合理的軌跡規劃及合適的切換開關時機。

針對當前亟需把這些高級工人的工藝技術快速轉化為智能制造設備、工業機器人的工藝技術的難題，本文提出一種解決方案：基于HTCvive設備在Unity引擎上開發一個工藝分析系統軟件，通過實時跟蹤工具的位姿軌跡和切換開關時機對工藝技術進行分析提煉，并使用工業機器人進行復制應用，最終經過迭代完全獲得該工藝技術。

1? ? 系統硬件組成

本系統硬件主要由HTCvive設備、待分析應用工作站以及計算機系統組成，其中HTCvive設備主要使用其定位器和跟蹤器裝置，如果有其他類似產品，也可以進行平替[1]，本文采用該設備主要是因為該產品穩定性較高，適合方案驗證。

現以焊接應用進行舉例說明，待分析應用工作站有工人手持的工業焊槍，配套的焊接電源和待焊接的工件以及輔助定位工裝。焊接應用的系統硬件組成如圖1所示，定位器跟計算機系統通過通信線連接，把跟蹤器的實時位置傳輸到工藝分析系統上，焊接電源也有通信線跟計算機系統連接，實時把當前的焊接參數反饋到工藝分析系統上。一般分析驗證還需要計算機系統生成復刻工人工藝的工業機器人程序指令，然后使用工業機器人進行焊接工藝驗證，所以還需要另一套自動化焊接工作站。

2? ? 系統軟件架構

本方案的工藝分析系統軟件架構主要分為五大部分，如圖2所示：場景建模模塊負責加載導入當前工藝應用場景的數字孿生模型，方便不同工藝的設置和工藝技術的仿真分析。數據采集模塊主要通過定位器實時獲取跟蹤器的位姿信息，此處還需要編寫濾波算法，以過濾一些錯誤的信息，確保進行分析的數據的準確性。數據采集模塊還用于不同應用的工藝參數的獲取，如焊接應用中焊接電源的焊接參數，噴涂應用中噴槍的開關時機以及流量大小實時數據等。分析模塊的功能比較繁雜，本文暫時只支持焊接和噴涂應用，焊接和噴涂應用的分析功能主要包括軌跡的選擇、分段以及分類，針對不同應用暫時的區別度在于工藝參數的匹配。仿真模塊的用處主要有兩個，在數據采集階段，可以觀察工具與工件相對位置的準確性，如果偏離過大則需要進行重新標定；在分析階段，可以生成機器人指令，然后進行運動仿真和工藝仿真。最后是系統日志模塊，用于記錄軟件操作和采集數據的信息查看。

3? ? 工藝獲取方法

本方案最少需要兩個激光定位器，根據場景需要和供應商最大數量支持可以適當增加定位器，如果存在遮擋的場景或有干擾的場景，可以使用4～6個激光定位器。需要一個或者兩個追蹤器，用于固定在工具和工件上，實時跟蹤工具與工件的位置及姿態。

本方案設計了一種獲取制造工藝手法的方法，流程圖如圖3所示，具體包括以下步驟：

1）布局及工件建模：在生產場地把定位器架起來并固定，確保可以實時跟蹤工具和工件，作業過程中不會存在遮擋導致丟失工具和工件位姿信息的情況。對工件進行三維建模，如有必要也可以對工作場景進行建模，一并導入軟件。

2）安裝跟蹤器并進行標定：工具安裝跟蹤器，以焊槍為例，把跟蹤器安裝在容易被定位器追蹤的位置，并確保不會妨礙工人后續進行作業。焊槍的標定方法跟工業機器人焊槍工具標定一樣，利用標定尖采用六點法進行標定。如果作業過程中不僅是工具移動，工件也會有位置移動，那么也需要在工件上安裝跟蹤器，并利用三點法進行工件標定。

3）安裝啟停記錄裝置：焊接過程會有起弧、熄弧，需安裝光電開關用于記錄并把信號發送到軟件中，假如起弧、熄弧無須工人進行控制，則使用焊槍確定焊縫的起始點和末端點，為后續軌跡處理做準備。噴涂過程會有噴槍開關，需記錄開關的時刻并把信號發送到軟件中。

4）工人進行真實的焊接，跟蹤器把焊槍的運動軌跡完完全全記錄下來，光電開關把工具的啟停時刻也記錄下來。

5）在計算機上使用軟件處理焊接軌跡，利用工具啟停時刻判斷軌跡的有效性，對焊接前后以一定時間或一定距離作界定，去掉多余軌跡，留下焊接過程中工具與工件的相對位姿。進行多次作業獲得多組數據并進行分析，進一步對焊接質量優秀的部分焊接軌跡進行分析，得出最佳焊接姿態、最佳焊接速率[2]。把特殊的工藝技巧完全一樣地復刻下來，結合處理過的焊接軌跡，生成可用于工業機器人運行的焊接運動指令。

6）對同樣的工件使用機器人進行實際焊接，對比焊接質量是否跟技術工人焊接的一樣。

7）重復4）～6）步驟，找到針對該工件的最佳焊接速度、焊接姿態和焊接軌跡。

8）獲得技術工人的焊接、噴涂工藝，還可通過分解、重組焊接、噴涂過程，逐漸形成不同部位的焊接、噴涂工藝技巧。例如包角焊接、多層多道焊接、空間窄的焊接和帶曲線的混合焊接（如曲線焊縫），由于焊接部位受到的重力影響不同，其需要的焊接工藝也不相同。

值得注意的是，由于本系統是獲取工人的工藝數據再通過工業機器人進行對比驗證，為了減少分析變量，一般選中工件一致性較好的應用作為分析場景，還要注意標定工件跟機器人之間的位置關系。

4? ? 實例應用方案

4.1? ? 焊接應用

下面以傳播行業的格子間焊接為例進行分析。

1）在焊接場地搭建裝置，把定位器用三腳架固定好，由于本例是一個比較大型的格子間，所以需要準備四個定位器，才可以做到焊槍在任何位置都能被定位器追蹤到。利用三維建模軟件建立格子間的模型，并導入軟件。

2）把跟蹤器安裝到焊槍上，如圖4所示，后續需要進行六點法標定，讓軟件清楚知道焊槍末端的焊絲相對于跟蹤器的位姿。因為本例的工件較大，正常生產中工件是固定的，因此沒必要在工件上安裝跟蹤器。

3）先根據設備的初始標定步驟進行地面標定，建立跟蹤器跟定位器之間的相對關系。再利用六點法標定，找到焊槍和跟蹤器之間的位姿相對關系。得到焊槍末端相對定位器的位姿后，再利用三點法對格子間工件進行標定，得到格子間工件相對定位器的位姿關系。工業機器人也對應使用三點法在格子間工件上建立用戶坐標系（工件坐標系）[3]，如圖5所示。

4）由于技術工人手工焊接時是利用焊絲與工件的距離決定起弧和熄弧的，因此需事先確定每條焊縫的起始點和終點。技術工人把焊槍末端移動到起始點位置，軟件上點擊“確定”記錄下來，再移到焊縫的結束位置，再次點擊記錄，以此把一個工件的焊縫的起始和結束位置記錄下來，如圖6所示。

5）技術工人進行真實的焊接，軟件會通過定位器和跟蹤器實時把焊槍相對工件的位姿記錄下來，形成焊接運動軌跡。

6）使用軟件處理焊接運動軌跡，根據每條焊縫的起始/結束點，利用距離或時間差，確定每條焊縫的運動軌跡，生成適配的工業機器人運動指令。由于本例格子間較大，實例中是兩邊各放一臺機器人進行焊接，因此也需要匹配焊縫生成不同機器人對應的焊接程序。焊接仿真如圖7所示。

7）換上未焊接的工件，使用機器人進行實際焊接，觀察機器人的焊接質量是否達到工藝要求，如果有不足或缺陷，通過比對技術工人的焊接質量，作進一步分析，找出原因所在。

8）一般情況下前七步已經滿足基本使用要求，此外，在大量的不同工件焊接工藝積累下，還可以使用軟件通過分解、重組焊接過程，逐漸形成不同部位的焊接技巧，從而直接用于新工件的焊縫軌跡生成，無須再次依靠技術工人做前期示教。

4.2? ? 噴涂應用

以馬桶噴釉為例進行分析，該例跟焊接大同小異，此處只說明不同的地方。

1）馬桶噴釉在作業過程中會使用變位機實現馬桶換向，因此需要多安裝一個跟蹤器在馬桶的頂部，使作業過程中可以實時記錄馬桶的位姿。

2）噴釉的噴槍是通過技術工人控制開關的，因此需要加裝一個光電開關，記錄噴槍開與關的時機，在處理軌跡時用作噴涂軌跡的起始/結束點。

3）同理，變位機轉動馬桶換向的時機也是技術工人決定的，因此也需要加裝一個光電開關記錄換向的時機。如果轉動過程中有噴釉作業，那么還需要加一個編碼器記錄器，記錄轉動的實時位置變化。

是否需要增加一些記錄裝置，是根據該應用案例能否記錄噴涂作業下工件與工具之間的相對關系來確定的[3]。

5? ? 結束語

本方案提出的獲取制造工藝手法的方法，可以把現有的技術工人的制造工藝復刻下來，直接移植到智能制造設備上，其具有以下優點：1）可以更好地保留和數字化現有的技術工人的工藝技術；2）智能制造裝備進入新行業或推廣應用時可以更容易地掌握客戶的工藝技術要求，減少開發時間和人力成本；3）降低使用門檻，根據步驟操作，軟件自動分析，設備管理員可以不必精通工藝，對于老技術工人的依賴程度降低；4）適用面廣，只要是有工具的產業應用，都可以進行工藝手法的復刻，甚至可以應用在制造業以外的其他行業。

本方案是通過分析實踐提煉理論的逆向開發，比從理論指導實踐的正向開發節省時間，雖然不一定是最優工藝，但可以快速補充逐步缺失的勞動力，更好地解放生產力，并進一步提升原先必須依賴老師傅保障的生產率。

[參考文獻]

[1] 劉俊，楊振國，董文杰，等.基于Unity 3D & HTCvive的工業機器人虛擬現實編程教學仿真系統的研究與開發[J].輕工科技，2018，34（8）：93-95.

[2] 曾曉峰.工業機器人自動焊接系統應用與焊接質量控制[J].中國高新科技，2023（2）：31-32.

[3] 陳思濤，劉俊，賈曉麗，等.一種獲取制造工藝的方法、存儲介質及裝置：CN115270348A[P].2022-11-01.

收稿日期：2023-11-22

作者簡介：劉俊（1989—），女，河南信陽人，碩士研究生，講師，研究方向：機械制造及自動化。

研究課題：廣州番禺職業技術學院校級科研項目——面向工業機器人焊接單元的數字孿生技術研究（2022KJ12）