基于人工智能的机器人激光切割焦点跟随控制技术研究

（福建商学院信息工程学院，福建福州市，350012）林少晶

1 三维光纤激光切割机器人

1.1 三维激光切割的基本原则

激光器产生激光，经由反射镜照射至工件上，使工件在短时间内受到强烈的热能，温度迅速升高，发生熔化或汽化，在工件形态变化的同时用激光头按特定的轨迹运行，加工出合适规格的产品。

1.2 光纤激光器的配套

三维切割光纤激光器的功率包含200W、300W、500W、1000W等，可根据实际生产需求做合理的选择，例如以金属板材的厚度为准，挑选合适功率的光纤激光器。而后，配套冷却系统，用于优化光纤激光器的运行状态，确保其具有稳定性。此外，综合考虑加工工件的尺寸和机械臂的工作半径，挑选长度适宜的操作光纤传输激光，以便有效切割。

1.3 辅助气体的选择

以99.99%的氧气为宜，有利于三维光纤激光切割机的有效运行，达到提高切割精度和速度的效果。

2 光纤激光切割机器人的优势分析

光纤激光技术和数字控制技术，显著提高激光切割水平，配置的控制系统可有效调控激光切割机，保证切割质量，适配智能机械手，精准完成三维立体切割作业，作业的精度和效率均得到保障。进口激光切割头，此装置能够与机械手配合，保证切割动作的精准性，避免与切割头、加工板材发生碰撞，与此同时切割焦点的位置也将得到有效的控制。激光切割头稳定可靠，可承受的气体压力达到1.0MPa，得益于激光切割头的高度稳定性，可适配高压气路设备，即便是切割难度较大的不锈钢或是其它材料，也依然能够有效切割。

3 三维激光切割的控制系统设计

3.1 人机交互界面的设计

本次研究充分关注到用户的个性化需求，为之进行人机交互界面的设计。根据界面内信息的重要程度，建立重要等级分区，按重要等级评估开展视觉设计工作，优先功能信息树位置的表达，以便更加清晰地呈现出位置名称、色彩关系各项基础信息，设定命令栏按键规则，以此为基准，提升运行的规范性，独立设置信息入口类按键，针对重要的命令，确定适宜的再确认方式，独立放置显示模式类附加操作；通过图形设计优化触摸按键尺寸。设计交互的主界面在信息呈现方面清晰明了，包含导航栏、信息栏、命令栏及信息展示栏，提供的功能多样化，例如：可实现产品的删除、新建、备份、编辑等功能。可编辑产品加工时的各项参数均要得到全面的保存，机器人加工时，应高效处理输入输出指令动作，根据加工要求灵活配置生产周期、调用的工艺文件配置等，同时也能够高效传递至下位机，外围控制层面，可实现对各类配套设备的精细化调试和控制，具体对象包含外部轴、激光器、切割头；监控功能也尤为突出，具有报警提示功能，以便及时响应异常状况，尽快处理。

3.2 应用软件的设计

3.2.1 执行文件的设计

程序代码格式的统一性有限，各厂家的机器人在此方面各有不同，同时某些零件的加工复杂度较高，若仅采取人工示教的方法，将面临工作量大、效果差等问题，而离线程序难以完全满足生产需求，后续针对其做阅读和二次修改时工作内容较为繁琐，而即便是同一类产品，不同轮廓对应的精度要求也存在差异，在加工时需要结合切割轮廓的形态适配科学可行的工艺。

3.2.2 数据库的应用

在妥善设计生产文本后，用户能够进行更加精准地解读，但需注意的是，无论是程序的读取还是编辑，均相对复杂，在一定程度上影响用户的体验。为提升程序存储、轮廓排序等各项基础操作的便捷性，引入简化版Access数据库，深度精简操作流程，相比常规的方法，可省去安装数据库软件的繁琐环节，减少在软件方面的成本投入。具体至本次设计中，围绕产品提出五个数据表：产品表，包含产品描述、用户坐标系等属性；轮廓标，包含轮廓名、轮廓类型等属性；趋近点表、切割点表、离开点表，包含轮廓名、点位运行方式、点位具体值等属性，彼此间以主属性产品名和轮廓名进行关联。数据关系表，如图1所示。

图1 数据关系表

数据库的信息体量较大，不仅涉及到产品的相关数据表，还有工艺应用表、参数配置表、操作提示表等，在联合应用多种类型的数据表后，能够以更加精简的方式实现系统的数据处理与保存，确保数据处理能够正常实现。

3.3 模块间的通讯设计

本系统集底层运动控制、PLC控制输入输出、人机界面于一体，彼此间采用特定的通讯方式，以保证系统的高效运行，具体如图2所示。

图2 信息通讯图

人机交互界面和底层控制程序间传递如下两类数据：一是生产文件、配置文件等数据量较大的文本文件，采用ftp协议实现通讯；二是坐标信息、工艺信息、轮廓信息等实时性较高的控制参数，采用的是Soap协议。PLC和运动程序间为总线通讯方式，较为可行的是Modbus、EtherCat等，在选择时需考虑到工艺的可行性、价格可控性等多个方面的需求，尽可能挑选综合应用效果较佳的总通讯方式。

3.4 系统的扩展

系统具备基本功能后，还需考虑到客户的个性化需求，以便提高系统的附加价值。在此方面，需要完善系统，使客户享受到更多的选项配置，进而根据自身的需求做合理的选择，同时，还有适量的升级接口，其赋予系统扩展足够的灵活性，可满足客户自行研发的需求。

4 机器人三维激光切割路径规划

4.1 机器人路径规划技术

激光切割、滚边等加工活动的轨迹精度要求高，在此类加工中，向三维模型中提取目标曲线，用于确定机器人运动路径，在确定曲线后，对其做离散处理，获得具体的目标点。其中，基于工件坐标系统{U}的数据为目标点的坐标，基于机器人基坐标系统{B}可产生运行路径，从该关系来看，需要考虑到工件坐标系{U}和机器人基坐标系{B}的关系，在明确两者的关系后，有利于更加有效地应用机器人路径规划技术。从现阶段的机器人产品来看，普遍支持工件坐标系{U}的建立，在确定输入坐标系{U}相对于坐标系{B}的位姿关系后，将其输入至机器人控制器，以此来确定工件坐标系{U}，再进一步向机器人控制器导入目标点，识别点位信息，据此规划机器人的路径。尽管理论层面可行，但具体至实际环境中，生产条件复杂，安装精度可能较低，在多项条件的共同制约下，可能会导致位姿关系与三维模型产生偏差。为此，需精准标定，在此前提下，切实保证机器人离线路径的有效应用。

4.2 机器人三维激光切割技术

机器人为主要的三维运动执行系统，由其高效完成激光切割动作。在本次设计中，硬件设备考虑的是工业机器人、激光切割头、激光发生器等，共同建立机器人三维激光切割系统。切割板材为钢板，切割前后的情况如图3所示。

图3 切割板件前后的对比

检验机器人15个姿态对应的标定结果，如图4所示。结合图中信息可知，空间三个方向的最大误差为0.2851mm，后续需进行激光切割路径的校验以及针对实际结果的修正，根据此工作方式，认为±0.3mm以内属于可接受的误差。

图4 坐标系标定校验结果

4.3 激光切割路径离线编程

Tecnomatix软件的技术覆盖面广，涉及到与制造工程有关的多个学科，例如工艺设计、工艺过程仿真、制造执行系统等。该软件的数据分析能力较强，可全面围绕产品、流程、资源和工厂数据做系统性的分析，以数据为指导，统筹规划，提高制造过程的合理性。同时，基于Tecnomatix的机器人离线编程具有更突出的独立性特征，在无需依赖任何硬件设施的前提下即可实现对工艺逻辑的验证、设备的干涉检查等功能。

4.4 首件试切和轨迹调整

在确定机器人仿真离线程序后，将其导入机器人控制器，在程序的指导下做首件试切割作业；用激光跟踪仪测量板件，根据实测结果，明确其与三维模型特征点的差异，再灵活地修正激光切割路径，保证该路径的合理性。经过轨迹修正后的误差结果，如图5所示。

图5 修正后轨迹误差

分析发现，经过轨迹修正后，空间各方向的误差均得到有效的控制，可在±0.5mm以内，达到激光切割工艺精度要求。

5 结语

综上所述，随着人工成本的增加和加工质量要求的提高，传统人工作业模式适应性不足的问题愈发明显，此时机器人替代人工作业方式成为主流。经过本文的分析，提出三维激光切割机器人控制系统的具体设计要点，通过技术的优化、硬件设施的合理配套，可有效提高加工的精度和效率，保证工件的加工质量，于企业而言能够面向市场推出优质的产品，也将因此而获得更加丰厚的经济效益。