激光加工机器人技术及工业应用（三）

激光加工机器人技术及工业应用（三）

本文重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向——高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

5激光加工机器人路径规划和在线离线编程方法

目前机器人作业主要有两种编程方法：在线编程和离线编程，国内外对机器人路径规划和在线和离线编程方法开展了大量研究。

5.1机器人路径规划

机器人路径规划是在机械手运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的路径规划和路径生成方法。

在机械手运动过程中，由于相应于起始点的关节角度θ0是己知的，而终止点的关节角度θf可以通过运动学反解得。因此，运动路径的描述，可用起始点关节角与终止点关节角度的一个平滑插值函数θ(t)来表示。θ(t)在t0=0时刻的值是起始关节角度岛，在终端时刻t1的值是终止关节角度θf。

路径函数θ(t)至少需要满足4个约束条件，其中两个约束条件是起始点和终止点对应的关节角度

θ(0)=θ0，θ(tf)=θf，

还有两个约束，即在起始点和终止点的关节速度

θ(0)=0，θ(t1)=0，

上述4个约束条件唯一地确定了一个三次多项式的路径函数θ(t)

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3，

运动路径上的关节速度和加速度则为

θ(t)=a1+2a2t+3a3t2，ABB机器人维修，

综合上述4个线性方程，求解得三次多项式系数

5.2机器人激光熔覆路径规划

根据机器人运动学及激光熔覆机器人无碰撞路径规划的知识，以机械设计中比较典型的零件传动轴激光熔覆为例，进行路径规划。

1)给出传动轴的3D-Pro/E模型，如25所示。

25传动轴的Pro/E模型

2)由传动轴的CAD，给出该轴的基本设计参数，如26所示。

26传动轴CAD

3)选择修复部位：该传动轴的两个部分安装轴承，相对其他地方摩擦、磨损比较大，因此在两处地方进行熔覆。

本文重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向——高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

4)激光熔覆路径规划：在修复的轴段进行螺旋式熔覆，两段熔覆点的螺距为4mm。第一圈选取的需要熔覆的点如27所示。每个点逐渐向下变化，呈现螺旋状取点方式，选取特殊熔覆点的坐标。

27第一段轴熔覆点截面

28是激光熔覆头加工的一圈路径规划，点代表位置，斜线代表位姿。

28激光熔覆头位置(点)和位姿(斜线)

29是激光熔覆头螺旋加工的的路径规划，点代表位置，斜线代表位姿。

29激光熔覆头螺旋加工的的路径规划

5.3激光加工机器人在线编程

根据以上需要熔覆点的坐标，对机器人进行在线示教编程。fanuc机器人示教编程的控制部件包括TP示教盒、操作面板和断路器，如30所示。单色TP示教盒如31所示。

30FANUC机器人控制部件

31FANUC机器人单色TP示教盒

一个运动的指令包含的格式有：1；J；P(1，2，3，…)；i％；CNTi。

1)“1”代表程序号，表示第几段程序。

2)“J”代表运动的类型。按F3(CHOICE)有3种运动类型可选：“Joint”关节运动。“Linear”直线运动。“Circular”圆弧运动。

3)“P(1，2，3，…)”代表机器人的位置，“P”表示一般位置，“1，2，3，…”自然数表示机器人轨迹的点数。

4)“i％”代表速度单位，速度单位随运动类型而改变。按F3(CHOICE)有四种运动类型可选：(1)1％～100％，(2)1～2000mm/s，(3)1～12000min-1，(4)0.1～4724inch/min。

5)“CNTi”代表终止类型。按F3(CHOICE)有两种终止类型可选：“FINE”被选择后，机器人的运动轨迹要到达“P”点的位置。“CNTi”被选择后，如果i=0，那么CNT0=FINE，即机器人运动轨迹与“FINE”一样；如果i=100，那么机器人的运动轨迹在三点之间运动比“FINE”平滑，呈圆弧状轨迹运行，使机器人的运动看上去更连贯。如32所示。

32几种运动轨迹

33(a)～(d)为程序运行的4个典型截。

33FANUC机器人示教编程截

本文重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向——高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

5.4激光加工机器人离线编程

天津工业大学激光研究所使用的FANUC公司机器人离线编程ROBOGUID系统软件。该软件是一种自控软件，它通过使用虚拟机器人控制技术来仿真模拟实际机器人作业的机器人模拟软件，运行于Windows环境。此软件包括四大模块：建模模块、布局模块、编程模块和仿真模块。

激光再制造的目的是对损伤部位进行修复，它是3D空间重建问题，采用FANUC公司机器人离线编程系统软件ROBOGUID，预先对熔覆路径和工艺参数在机器人中进行离线编程，其过程为：

建立损伤部位的3D-Pro模型；

设置激光熔覆参数(激光功率、焦点、送粉量、熔覆速度、气体流量)；

激光熔覆路径规划(单道，KUKA机器人维修，多道、搭接量、层厚)，建立3D-CAM软件包；

在虚拟的机器人示教盒中进行离线编程；

在计算机上进行机器人激光熔覆仿真，检查有无碰撞干涉，优化熔覆路径和参数；

优化工作完成后，将数据传输到机器人中进行实际的激光熔覆。

34为机器人离线编程过程链。

34机器人离线编程过程链

考虑了修复部位的反求工程后，激光再制造机器人的全部路径规划离线编程流程为：机器视觉检测损伤部位→反求工程重建3D-CAD形貌→基于多检测信息融合人工智能决策的路径规划和离线编程→TP文本自动转换→在计算机ROBOGUIDE环境下进行虚拟的运动仿真→将调试好的离线编程文件下载到真实机器人控制器中。35为激光再制造机器人的路径规划离线编程流程。

尽管国内外在机器人离线编程方面开展了大量工作，安川机器人维修，但是激光加工机器人的离线编程仍处于应用研发阶段。由于每个机器人厂家的机器人都是不同的，它们的机器人数字控制系统也是不同的，缺乏通用性，而且对外不开放。因而每个机器人厂家提供的离线编程软件也是不同的而且是收费的。

35激光再制造机器人的路径规划离线编程流程