侯潤(rùn)石 蔣啟祥 王勝華 魏秀權(quán)

摘要：航空、航天、船舶制造等領(lǐng)域存在著大量缺少計(jì)算機(jī)幾何模型的小批量、柔性化構(gòu)件焊接制造需求，基于模型的離線自動(dòng)編程系統(tǒng)難以適用。就此設(shè)計(jì)了一種無(wú)模型大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人自動(dòng)編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)待加工構(gòu)件進(jìn)行快速三維重建，分析三維重建結(jié)果，預(yù)先規(guī)劃加工方案，并自動(dòng)生成機(jī)器人程序，通過(guò)傳感器測(cè)量幾何模型與實(shí)際構(gòu)件之間的偏差，在線修正機(jī)器人程序。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)θ鄙倌Ｐ偷拇笮蛷?fù)雜構(gòu)件進(jìn)行在線分析，無(wú)需工作夾具的輔助便能有效地完成相應(yīng)的焊接任務(wù)，為機(jī)器人加工進(jìn)一步自動(dòng)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)模型構(gòu)件;三維重建;自動(dòng)編程;在線修正

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0134-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.21

0 前言

工業(yè)機(jī)器人因具有通過(guò)再編程以適應(yīng)工作環(huán)境變化的特性，在智能制造中占有重要地位。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人程序編制一般通過(guò)人工參與的在線示教方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有編制周期長(zhǎng)、示教精度低、復(fù)雜軌跡實(shí)現(xiàn)困難的缺點(diǎn)[1]。在面對(duì)航空、航天、船舶制造等領(lǐng)域所存在的小批量、多品種、復(fù)雜構(gòu)件焊接制造需求時(shí)，因人工示教編程的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)大于人工建造的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，工業(yè)機(jī)器人往往難以得到有效的應(yīng)用。因此，研究機(jī)器人自動(dòng)編程系統(tǒng)對(duì)于以工業(yè)機(jī)器人為重要基礎(chǔ)的智能制造技術(shù)的推廣具有重大意義。

基于數(shù)字化幾何模型的離線編程方式是近年來(lái)發(fā)展較快且較為成熟的一種自動(dòng)編程方案[2-5]，該方式通過(guò)人工交互在已有的數(shù)字化幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃并自動(dòng)生成機(jī)器人程序。由于待加工構(gòu)件與編程環(huán)境下的構(gòu)件往往存在位置誤差，所以此方案多應(yīng)用于對(duì)位置誤差要求并不嚴(yán)格的領(lǐng)域，如噴涂、切割和折彎等[6-12]，或者通過(guò)工裝夾具來(lái)保障位置誤差處于合理范圍內(nèi)。但工裝夾具也難以應(yīng)用在待加工構(gòu)件難以移動(dòng)的場(chǎng)合。為克服這一困難，研究者通過(guò)檢測(cè)待加工構(gòu)件的位置，然后對(duì)原模型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定后重新編程，或者依據(jù)待加工構(gòu)件位置的檢測(cè)結(jié)果校正生成的程序。較為典型的有YASKAWA的始端檢出設(shè)計(jì)[13]、以及荷蘭的KraneDock公司設(shè)計(jì)的一系列非重復(fù)性機(jī)器人加工系統(tǒng)。該方法仍然要求具有與實(shí)際構(gòu)件精確對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型。上述各種方法均實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人程序的自動(dòng)編制，提高了作業(yè)規(guī)劃的效率，促進(jìn)基于工業(yè)機(jī)器人的智能制造技術(shù)在非重復(fù)性制造領(lǐng)域的推廣。但以上方法均要求有預(yù)先設(shè)計(jì)好的與構(gòu)件本身精確對(duì)應(yīng)的幾何模型，而在鋼結(jié)構(gòu)及造船等行業(yè)中，許多構(gòu)件的焊接制造缺少事先設(shè)計(jì)好的幾何模型，上述方法難以勝任。

文中針對(duì)缺少幾何模型構(gòu)件的焊接制造需求，設(shè)計(jì)了一種可在線三維重建獲取構(gòu)件模型，根據(jù)構(gòu)件實(shí)體進(jìn)行在線修正偏差的機(jī)器人自主編程系統(tǒng)。通過(guò)分析待加工構(gòu)件的在線三維重建結(jié)果，預(yù)先規(guī)劃加工方案自動(dòng)生成機(jī)器人程序，并通過(guò)接觸傳感器測(cè)量加工方案與實(shí)際構(gòu)件之間的偏差，在線修正機(jī)器人程序，以消除構(gòu)件與三維重建模型之間的偏差帶來(lái)的影響，為機(jī)器人編制高效高質(zhì)量程序提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

面向大型復(fù)雜構(gòu)件的無(wú)模型自動(dòng)編程系統(tǒng)如圖1所示，由工作平臺(tái)、龍門(mén)架及固定在其上的2臺(tái)激光掃描傳感器和2臺(tái)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成。其中工作臺(tái)用于放置工件，高度300 mm，寬度3 000 mm，長(zhǎng)度可根據(jù)作業(yè)情況延長(zhǎng)。龍門(mén)架寬4 250 mm，其下端面距工作臺(tái)1 900 mm。三維傳感器中的激光器單點(diǎn)發(fā)射脈沖光束并由接收器收到后計(jì)算距離，然后通過(guò)相控陣或機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置達(dá)到全范圍測(cè)量。本系統(tǒng)中激光掃描傳感器的最高掃描頻率為500 Hz，角度分辨率0.25°，距離分辨率1 mm，測(cè)量距離為700～3 000 mm，測(cè)量角度范圍為70°。兩臺(tái)激光掃描傳感器分別安裝在龍門(mén)架的上部?jī)啥?，可以產(chǎn)生互補(bǔ)的掃描數(shù)據(jù)。兩臺(tái)焊接機(jī)器人倒裝在龍門(mén)架頂端，通過(guò)與可移動(dòng)龍門(mén)架的協(xié)同運(yùn)動(dòng)使工作空間覆蓋整個(gè)工作平臺(tái)。焊接機(jī)器人末端的焊槍上安裝有接觸傳感器，該傳感器通過(guò)焊絲尖端點(diǎn)和構(gòu)件表面接觸瞬間獲取接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。它無(wú)需在焊槍末端附加任何多余裝置，使機(jī)器人的可達(dá)性不受影響。自動(dòng)編程系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)和機(jī)器人控制器相連接。

2 核心算法

系統(tǒng)的核心算法涉及三維重建、自動(dòng)編程和在線修正等方面。

2.1 三維重建

（1）標(biāo)定方案。三維重建首先需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，文中所用三維傳感器直接獲取的數(shù)據(jù)是在一個(gè)扇面上按旋轉(zhuǎn)角度采樣的距離值。用以掃描器發(fā)射光心為原點(diǎn)、掃描面為徑面、掃描旋轉(zhuǎn)軸為x軸的柱坐標(biāo)下的三維向量（ρ，θ，xs）表示，其中ρ為單點(diǎn)采樣距離，θ為單點(diǎn)采樣角度，xs為采樣點(diǎn)x軸分量，由于傳感器掃描范圍是一個(gè)二維扇面，所以該值為常量0。為處理方便，在傳感器上建立以傳感器發(fā)射光心為原點(diǎn)、傳感器發(fā)射前方為z軸方向，掃描器右方為y軸方向、掃描旋轉(zhuǎn)軸為x軸的直角坐標(biāo)系?？赏ㄟ^(guò)式（1）將所采集的柱坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的三維向量（xs，ys，zs）。

xs=ρ·sinθ，ys=ρ·cosθ，zs=0（1）

經(jīng)過(guò)安裝后，傳感器與基準(zhǔn)坐標(biāo)系構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣，用齊次矩陣Rsb表示。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，安裝傳感器時(shí)可通過(guò)微調(diào)傳感器使其坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系各軸平行，僅在龍門(mén)架移動(dòng)方向即基準(zhǔn)坐標(biāo)系x軸上有偏轉(zhuǎn)。因此傳感器坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)向量和測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)向量可通過(guò)式（2）聯(lián)系起來(lái)。

式中 x0，y0，z0為測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的掃描傳感器的光心原點(diǎn)坐標(biāo);γ為掃描傳感器發(fā)射前方與測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系z(mì)軸的夾角;xb，yb，zb為測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系下表示的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)。為求解式（2）方程組，需要已知被測(cè)點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系內(nèi)的精確數(shù)據(jù)。由于掃描器發(fā)出的激光是一條連續(xù)的線，不易確認(rèn)被測(cè)點(diǎn)分別在掃描器坐標(biāo)系和基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)了一種立體的特征標(biāo)定體用于產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn)。其原理如圖2所示。

可通過(guò)工業(yè)機(jī)器人自帶的基準(zhǔn)坐標(biāo)查看功能獲得標(biāo)志點(diǎn)A、B、C的基準(zhǔn)坐標(biāo)值。然后從傳感器數(shù)據(jù)中找出因輪廓突變而產(chǎn)生的標(biāo)志點(diǎn)A、B、C的掃描器坐標(biāo)值。由于選取的A、B、C標(biāo)志點(diǎn)具有A與B在z軸上值相同，B與C在y軸上值相同的特點(diǎn)，帶入式（2）簡(jiǎn)化計(jì)算掃描器偏轉(zhuǎn)角度，見(jiàn)式（3）

γ=arctan

γ=-arctan

式中 ysA、zsA、ysB、zsB、ysC、zsC分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的對(duì)應(yīng)y軸坐標(biāo)和z軸坐標(biāo)。式（3）是因選擇多標(biāo)志點(diǎn)而產(chǎn)生冗余的計(jì)算公式，可求其平均值以獲得更精確的偏轉(zhuǎn)值。根據(jù)已經(jīng)求得的偏轉(zhuǎn)值代入式（2）可得到其他值。

（2）數(shù)據(jù)處理及融合。

傳感器一次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系變換矩陣Rsb變換后是m個(gè)三維向量（xb，yb，zb）采樣點(diǎn)，寫(xiě)成矩陣形式可表示某一時(shí)刻工件的一個(gè)切面輪廓。設(shè)其中一個(gè)輪廓為Ci，則有

Ci=xb1，xb2，…，xbj，…，xbm

yb1，yb2，…，ybj，…，ybm

zb1，zb2，…，zbj，…，zbm（4）

這些輪廓依照獲取時(shí)間的順序排列可得到一個(gè)元素為矩陣的n維向量Q。其中n為輪廓的采集數(shù)量，由龍門(mén)架移動(dòng)掃描的速度vscan、距離dscan及掃描器的掃描頻率fscan決定，如式（5）所示。

Q=（C1 C2 … Ci … Cn），n=dscan·fscan/vscan（5）

由于n值一般很大，會(huì)給數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)，因此需要對(duì)向量Q進(jìn)行降維。新向量P的維度與三維重建點(diǎn)云的精度相關(guān)。設(shè)新向量P的維度是k，則Q可分解成由k個(gè)C組成的子向量，對(duì)這些子向量進(jìn)行加權(quán)求和得到新向量P的元素Cip，如式（6）所示。

P=（C1p C2p … Cip … Ckp）

Cip=∑（C1+i·（floor（n/k）） C2+i·（floor（n/k）） … Cj+i·（floor（n/k））

… Cfloor（n/k）+i·（floor（n/k）））（6）

式中的P便是一個(gè)激光掃描器所生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于本系統(tǒng)的兩個(gè)激光傳感器均經(jīng)過(guò)標(biāo)定，所以生成的兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)PR和PL均在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。這就省略了點(diǎn)云配準(zhǔn)的步驟和時(shí)間，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)處理速度。

2.2 自動(dòng)編程

（1）模型表示及焊縫提取。

數(shù)字化幾何模型一般采用B-Rep 邊界法表示。各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)均可表示為點(diǎn)和線的信息。因此很適合使用拓?fù)鋱D來(lái)表示構(gòu)件的幾何信息，一個(gè)構(gòu)件的模型可表示為如式（7）所示的無(wú)向連通圖Gm：

Gm=（Vm，Em）

Vm={v1，v2，…，vm}（7）

Em={e1，e2，…，en}

式中 Vm為圖的結(jié)點(diǎn)集，對(duì)應(yīng)模型的頂點(diǎn);Em為圖的邊集，對(duì)應(yīng)模型的邊。焊縫提取就是得到Gm的子集Gw的過(guò)程，傳統(tǒng)離線編程軟件通過(guò)人工交互提取焊縫，該方式雖然通用，但在某些特定場(chǎng)合下比較低效。對(duì)邊ei定義一系列幾何相關(guān)特征，包括邊的長(zhǎng)度l、邊所在面的夾角θ、邊與重力矢量夾角φ、邊所在體的厚度t1、邊所在體的厚度t2等，如圖3所示。

在對(duì)應(yīng)場(chǎng)合下，制定一種按特征向量及其組合量提取的策略。即可通過(guò)相關(guān)算法自動(dòng)提取焊縫子圖Gw，其中滿足關(guān)系Gw∈Gm，即焊縫子圖Gw是構(gòu)件圖Gw的真子圖。

（2）焊接規(guī)劃。

確定焊接子圖后，焊接規(guī)劃主要在于焊接路徑和焊接工藝參數(shù)的規(guī)劃。

a. 焊接路徑的規(guī)劃。

焊接路徑的規(guī)劃即以焊槍末端點(diǎn)工作位姿點(diǎn)，對(duì)其移動(dòng)的先后順序進(jìn)行規(guī)劃，可分為焊縫焊接順序規(guī)劃和焊縫間焊槍移動(dòng)規(guī)劃。焊縫順序規(guī)劃即保證每條焊縫只焊接一次，且根據(jù)某種原則確定焊縫的焊接順序。因?yàn)楹缚p子圖Gw不可能保證是歐拉圖，即一條通路能保證經(jīng)過(guò)每條焊縫，所以必須對(duì)Gw做因子分解，并保證每個(gè)因子都是半歐拉圖。即分解結(jié)果滿足式（8）

Hs={G1，G2，…，Gi，…，Gk}

Gw=G1∪G2，…∪Gi…∪Gk}（8）

式中 Hs為分解結(jié)果Gi為分解后的導(dǎo)出子圖。

由于導(dǎo)出子圖Gi是半歐拉圖，所以該圖有一條跡是包含該圖中所有焊縫且僅包含一次。這條跡可表示為一個(gè)有序點(diǎn)集Vgi={vgi1，vgi2，…，vgis}。該有序點(diǎn)集即為機(jī)器人在焊接此條焊縫時(shí)的工作點(diǎn)序列。然后根據(jù)某些原則，如為保證焊接時(shí)間最短而考慮每次熄弧點(diǎn)和引弧點(diǎn)距離最短，或者在某些焊接變形較大情況下需要考慮焊縫冷卻時(shí)間而距離最大的原則，生成一個(gè)由有序點(diǎn)集組成的集合。

焊縫間焊槍移動(dòng)規(guī)劃即為上一焊縫熄弧后焊槍從焊縫熄弧點(diǎn)無(wú)碰撞移動(dòng)至下條焊縫起弧點(diǎn)的路徑規(guī)劃，文中采用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法，結(jié)果是有序點(diǎn)集Vgi和Vgi+1之間插入有序點(diǎn)集Pi={vpi1，vpi2，vpi3，vpi4}。

b. 焊接工藝參數(shù)的規(guī)劃。

焊接工藝參數(shù)可以通過(guò)人工交互確定，也可以在指定構(gòu)件材料后，通過(guò)焊縫圖邊集中定義的幾何特征集合來(lái)匹配焊接參數(shù)工藝庫(kù)確定。

2.3 在線修正

由于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)多，難以直接處理，必須通過(guò)提取特征點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化模型。而模型簡(jiǎn)化過(guò)程中不可避免會(huì)引入誤差。這使得上述步驟中使用的簡(jiǎn)化后三維模型與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的構(gòu)件存在誤差，包括實(shí)際構(gòu)件尺寸誤差、構(gòu)件定位誤差等，會(huì)影響自動(dòng)編程結(jié)果的正確性，并嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。通過(guò)進(jìn)行模型標(biāo)定可消除構(gòu)件定位誤差。但對(duì)于實(shí)際構(gòu)件尺寸誤差及構(gòu)件的變形等問(wèn)題則需通過(guò)在線修正來(lái)解決。

機(jī)器人通過(guò)接觸傳感器和根據(jù)簡(jiǎn)化模型預(yù)先生成的程序在線測(cè)量與焊接相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)。其原理是通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)周邊一些相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后根據(jù)采樣點(diǎn)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際位置，并以此為依據(jù)在線修正上述步驟中生成的焊接程序關(guān)鍵點(diǎn)。

假設(shè)某一構(gòu)件如圖4所示，以構(gòu)件上的一個(gè)焊接點(diǎn)P為例，該點(diǎn)由三個(gè)面F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3相交而成。若已知三個(gè)面的法向量及常數(shù)項(xiàng)，則有式（9）：

Nx1? Ny1? Nz1

Nx2? Ny2? Nz2

Nx3? Ny3? Nz3xp

yp

zp=D1

D2

D3（9）

式中 xp，yp，zp是交點(diǎn)P的坐標(biāo)值;矩陣中元素Nx1，Ny1，Nz1為面F1的法向量分量元素，D1為面F1的方程常數(shù)項(xiàng);Nx2，Ny2，Nz2為面F2的法向量分量元素，D2為面F2的方程常數(shù)項(xiàng);Nx3，Ny3，Nz3為面F3的的法向量分量元素，D3為面F3的方程常數(shù)項(xiàng)。以面F1為例，為了得到面F1的法向量分量元素Nx1，Ny1，Nz1和方程常數(shù)項(xiàng)D1，可以在該面上取三個(gè)采樣點(diǎn)P1、P2、P3。根據(jù)式（10）根據(jù)該三點(diǎn)可以確認(rèn)面F1的法向量分量元素Nx1，Ny1，Nz1和方程常數(shù)項(xiàng)D1，式中xi，yi，zi（i=1，2，3）為Pi點(diǎn)的坐標(biāo)值。

Nx=y1? z1? 1

y2? z2? 1

y3? z3? 1，Ny=x1? z1? 1

x2? z2? 1

x3? z3? 1

Nz=x1? y1? 1

x2? y2? 1

x3? y3? 1，D=x1? y1? z1

x2? y2? z2

x3? y3? z3

面上三個(gè)采樣點(diǎn)及其采集的起始位置根據(jù)數(shù)字模型生成，對(duì)于特別窄的面，如薄板的厚度面，則根據(jù)薄板的側(cè)面位置生成焊槍方向與該面平行的接觸點(diǎn)，以保證能采集到采樣點(diǎn)。

在線修正即對(duì)相應(yīng)的有序點(diǎn)集Vgi進(jìn)行在線校準(zhǔn)，以Vgi中的點(diǎn)vgij為例，該點(diǎn)以機(jī)器人坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，可表示為一個(gè)六維向量，向量中前三個(gè)元素xj，yj，zj為經(jīng)過(guò)模型標(biāo)定后基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，后三個(gè)元素nxj，nyj，nzj為該點(diǎn)的方向向量，該向量是一個(gè)單位向量。該點(diǎn)如式（11）所示。

vpij={xj，yj，zj，nxj，nyj，nzj}（11）

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

工業(yè)構(gòu)件的復(fù)雜性除了體現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上由多曲面構(gòu)成外，還有因材質(zhì)不同造成的不均勻的光學(xué)反射率，給三維重建造成了一定的難度。為驗(yàn)證文中系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜性構(gòu)件的建模效果，選擇直徑600 mm、高300 mm的卡車(chē)輪轂作為構(gòu)件，輪轂實(shí)物如圖5a所示，該構(gòu)件材料為高強(qiáng)鋼，具有極不均勻的反光率表面。設(shè)置掃描長(zhǎng)度為1 000 mm，掃描速度分別為20 mm/s、40 mm/s、60 mm/s、80 mm/s、100 mm/s。掃描后生成的三維點(diǎn)云分別如圖5b～5f所示。其點(diǎn)云模型的最大切面直徑和對(duì)應(yīng)誤差如表1所示，表中點(diǎn)云與圖5字母對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)表明，隨著掃描速度的上升，模型的精度總體呈略有下降的趨勢(shì)。這是由于在固定的輪廓采集頻率下，單位長(zhǎng)度內(nèi)輪廓采集數(shù)量下降造成的。但總體而言，在100 m/s以內(nèi)掃描速度下，模型精度均可控制在3 mm以內(nèi)。這對(duì)于機(jī)器人加工前的與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行定位和匹配是可以滿足的。

另外，為驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)工件大尺寸和在線速度要求的適應(yīng)性，對(duì)鍋爐行業(yè)的膜式水冷壁部分構(gòu)件進(jìn)行掃描，該構(gòu)件長(zhǎng)3 100 mm、寬400 mm、高6 mm，如圖6a所示。設(shè)置掃描速度100 mm/s、掃描長(zhǎng)度為3 500 mm。掃描后生成的三維點(diǎn)云如圖6b所示，點(diǎn)云生成時(shí)間為38.3 s（含掃描時(shí)間）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)際上整體系統(tǒng)的三維重建時(shí)間由掃描數(shù)據(jù)采集時(shí)間和數(shù)據(jù)處理兩部分組成，其中掃描數(shù)據(jù)采集時(shí)間取決于掃描長(zhǎng)度和掃描速度，這與待掃描工件尺寸相關(guān)。而數(shù)據(jù)處理時(shí)間基本在3 s左右，工件尺寸對(duì)其影響較小。

最后為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的自動(dòng)編程及在線修正效果，對(duì)具有曲面和直面的某種型號(hào)筋板進(jìn)行掃描，此結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于船舶和鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)。該筋板長(zhǎng)1 000 mm、寬1 000 mm、高120 mm，如圖7a所示。圖7b是掃描后生成的點(diǎn)云模型，將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取特征點(diǎn)簡(jiǎn)化并曲面重構(gòu)得到如圖7c所示的三角化模型，該模型為后續(xù)加工規(guī)劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)人機(jī)交互設(shè)定好焊縫條件和相應(yīng)工藝參數(shù)后，自動(dòng)編程系統(tǒng)自動(dòng)提取焊縫并進(jìn)行焊接規(guī)劃，其結(jié)果如圖7d所示，圖中標(biāo)出了自動(dòng)提取的焊縫及相應(yīng)的焊接方向和焊接順序。然后根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的位置和自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線修正，最終生成作業(yè)程序，并下載至機(jī)器人控制器運(yùn)行。

為驗(yàn)證系統(tǒng)所用的修正方法，采用空間位置兩點(diǎn)間的歐式距離作為偏差度量。先使用機(jī)器人TCP（工具中心點(diǎn)）測(cè)量構(gòu)件的關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)際位置，即構(gòu)成焊縫的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖8所示。獲得關(guān)鍵點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)后，計(jì)算實(shí)際構(gòu)件與幾何模型對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)之間的偏差，再計(jì)算經(jīng)過(guò)修正后的機(jī)器人作業(yè)程序中對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)與實(shí)際構(gòu)件之間的偏差。兩者對(duì)比如圖9所示，關(guān)鍵點(diǎn)修正后偏差的峰值由20 mm減至4 mm。其中關(guān)鍵點(diǎn)11～16及關(guān)鍵點(diǎn)31～36的修正偏差峰值小于2 mm，且方差也小于其他關(guān)鍵點(diǎn)，這表明當(dāng)構(gòu)件關(guān)鍵點(diǎn)處在平面上時(shí)，其修正效果好于處于曲面上的。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種能對(duì)缺少數(shù)字化幾何模型的大型復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行加工規(guī)劃并可在線修正的焊接機(jī)器人自動(dòng)編程系統(tǒng)。介紹了無(wú)模型自動(dòng)編程系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，研究了無(wú)模型自動(dòng)編程系統(tǒng)中所涉及的核心算法，包括激光掃描傳感器的標(biāo)定、輪廓序列的降維和三維點(diǎn)云生成、適合自動(dòng)編程的構(gòu)件的計(jì)算機(jī)表示方法，焊縫的自動(dòng)提取、焊接任務(wù)的規(guī)劃和對(duì)焊接任務(wù)的在線修正等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笮蛷?fù)雜構(gòu)件進(jìn)行快速的在線三維重建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的自動(dòng)編程，可通過(guò)對(duì)構(gòu)件與模型的偏差在線進(jìn)行，從而保證構(gòu)件的焊接質(zhì)量。

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