面向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能測量與加工集成研究

喻彩麗

（浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 引言

隨著航天航空、船艦、車輛等行業(yè)的快速發(fā)展，對復(fù)雜曲面零件的質(zhì)量要求越來越高，其零件的品質(zhì)直接影響到整機(jī)的使用壽命和技術(shù)的競爭力。因此，要把生產(chǎn)的精益化、柔性化、模塊化、敏捷化貫穿于整個(gè)零部件加工制造全過程，為確保該類零件達(dá)到較高或超高的精度要求，必須使整個(gè)制造過程可控且更精細(xì)[1]。復(fù)雜型面零件的測量與加工集成在先進(jìn)制造領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，并與全球化的智能制造有很大關(guān)聯(lián)。德國、英國等許多歐盟國家在集成領(lǐng)域開展了智能測量與加工一體化研究，成功攻克了葉片修復(fù)的加工系統(tǒng)，大大降低了生成成本。在國內(nèi)天線罩、渦輪等大型復(fù)雜曲面零件生產(chǎn)都由測量與加工一體化技術(shù)作強(qiáng)大支撐。在此基礎(chǔ)上，開展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接應(yīng)用于面向測量到激光加工過程的研究，闡述了提高零件加工精度的關(guān)鍵技術(shù)。

2 智能控制系統(tǒng)

2.1 硬件集成和加工工藝過程連接

集成化柔性智能激光加工系統(tǒng)是由獨(dú)立的4 個(gè)智能控制子系統(tǒng)集成的，分別由激光加工系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和測量系統(tǒng)[2]。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上測量頭和激光加工頭都可以安裝在機(jī)器人腕部夾具中，由機(jī)器人腕部運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)它們對工件的相對運(yùn)動。在加工工藝過程中先把測量頭裝在機(jī)器人腕部，由機(jī)器人完成測量過程，然后卸下測量頭，換裝上激光加工頭，再由機(jī)器人完成加工過程，如圖1 所示。

圖1 智能激光加工系統(tǒng)Fig.1 Intelligent Laser Processing System

2.2 信息傳遞和信息融合

柔性激光加工系統(tǒng)集成是在信息傳遞和信息融合中實(shí)現(xiàn)的，如圖2 所示。當(dāng)被加工件送到機(jī)器人工作臺上后，啟動自適應(yīng)測量系統(tǒng)，要求測量的信息指令輸入機(jī)器人控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人（這是測量頭已裝入機(jī)器人腕部）自動進(jìn)行對被加工件的型面形狀和尺寸的測量。測量數(shù)據(jù)進(jìn)人信息融合和信息傳遞過程（數(shù)據(jù)處理分析過程），用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方法生成加工數(shù)據(jù)軌跡，形成的激光加工指令信息輸入機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)，卸下測量頭，把激光加工頭裝入機(jī)器人腕部，這樣實(shí)現(xiàn)全自動激光加工過程。

圖2 信息流系統(tǒng)Fig.2 Information Flow System

3 智能控制與激光加工一體化過程

3.1 測量系統(tǒng)和加工系統(tǒng)的集成

圖3 測控加工系統(tǒng)集成Fig.3 Integration of Measurement and Control Processing System

五維柔性框架式激光加工機(jī)器人系統(tǒng)為測量和加工一體化的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)測量和激光加工兩種功能。框架式的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人自身的控制特征，滿足了激光加工和針對激光加工進(jìn)行的測量要求，成為智能測量和加工一體的硬件基礎(chǔ)。測量和加工分別形成了自身的上位機(jī)控制模塊。對大多數(shù)激光加工來說，測量是加工的基礎(chǔ)，設(shè)備分時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種功能，如圖3 所示。測量和加工這種集成方式，使得五維機(jī)器人可以做到一機(jī)多用。測量時(shí)，五維機(jī)器人如同一臺CMM 數(shù)字化測量機(jī)，而且機(jī)器人具有4 軸的轉(zhuǎn)動和5 軸的擺動，具備全方位的測量功能，是一種柔性測量系統(tǒng)。測量切換到加工時(shí)，操作上只需把測頭更換為激光加工頭。測頭和激光加工頭共用一套夾具，在軟件上的切換，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工數(shù)據(jù)。

3.2 控制系統(tǒng)的上下位機(jī)連接

測控加工系統(tǒng)分為下位機(jī)控制和上位機(jī)控制兩部分，上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。上位機(jī)為主機(jī)，完成系統(tǒng)管理和人機(jī)接口，同時(shí)也可以完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、軌跡插補(bǔ)等運(yùn)算，并把結(jié)果通過串口送到下位機(jī)。用的激光器為全數(shù)字控制，本身帶上下位機(jī)控制。為了實(shí)現(xiàn)對激光器和機(jī)器人的集中控制，將激光器的上位控制軟件集成到五維機(jī)器人系統(tǒng)的上位機(jī)中，五維機(jī)器人上位機(jī)以通訊的方式實(shí)現(xiàn)對激光器控制的功能。機(jī)器人下位機(jī)從其緩存中讀取給定值，完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制，同時(shí)，把各軸實(shí)際位置送到緩存中供上位機(jī)使用。其下位機(jī)控制模塊，如圖5 所示。

圖4 上、下位機(jī)控制系統(tǒng)Fig.4 Upper and Lower Computer Control System

圖5 下位機(jī)模塊圖Fig.5 Lower Computer Module Diagram

上下位機(jī)之間通過串口傳遞機(jī)器人動作指令外，還設(shè)置了一些I/O 通道，實(shí)現(xiàn)測控加工系統(tǒng)之間的保護(hù)。

4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能處理

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成與參數(shù)優(yōu)化

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)BP 算法通過正向計(jì)算和反向傳播兩個(gè)過程來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成圖，如圖6 所示。

先通過目標(biāo)函數(shù)的方向?qū)?shù)計(jì)算，再計(jì)算對應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)，給出確定的方向，按一維搜索原理確定起點(diǎn)負(fù)梯度方向的最優(yōu)解，達(dá)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的梯度優(yōu)化。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖Fig.6 Composition Diagram of Neural Network

4.2 數(shù)據(jù)智能化處理

激光加工機(jī)器人的測量系統(tǒng)在完成工件表面測量后，通過串行口將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)通過對這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)的分析處理，得到待處理加工的工件表面形狀，并計(jì)算出激光頭運(yùn)動的坐標(biāo)軌跡。然后將這些激光頭運(yùn)動的軌跡數(shù)據(jù)也通過串行口回傳給機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)行表面加工處理。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)關(guān)系采用NURBS 方法進(jìn)行曲線、曲面擬合。

NURBS 曲線的定義：一條n次NURBS 曲線可以表示為一段有理多項(xiàng)式失函數(shù)p（t）[8]：

由式（13）～式（15）求得三次NURBS 曲線（n+3）個(gè)控制點(diǎn)位置矢量Pj。這樣得到了經(jīng)過測量點(diǎn)（型值點(diǎn)）的NURBS 曲線，得到最好曲面擬合，成形有效的加工信息。

5 曲面加工位姿與重構(gòu)

5.1 加工點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)形成

對于表面形狀數(shù)學(xué)模型未知的曲面，其表面點(diǎn)的法線方向可能各不相同。為驅(qū)動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)激光加工動作，必須通過一定的方法求解。

通過在被加工周圍離散的選取三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，由這三點(diǎn)確定唯一的一個(gè)平面；將這個(gè)平面近似地看成需加工點(diǎn)的切面。由已知三點(diǎn)坐標(biāo)可以求出該切面的方程和切面垂線組的方程可以求解得到加工點(diǎn)在空間中X、Y、Z三個(gè)方向上的方向矢量，同時(shí)得到擺角C和旋轉(zhuǎn)角A的值。具體：

已知被加工點(diǎn)坐標(biāo)（X0，Y0，Z0）。在該點(diǎn)附近任意選取的三個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），（X3，Y3，Z3）。通過三點(diǎn)可得到兩條相交直線L1和L2。它們的方向矢量L1和L2分別為：

這樣可以得到切面垂線組的方向矢量K：

得到了測量加工點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)。

5.2 曲面重構(gòu)

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計(jì)算出激光加工運(yùn)動坐標(biāo)軌跡。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出，很好地把曲面擬合和擬合后加工參數(shù)的求解兩個(gè)步驟合二為一，直接應(yīng)用于面向測量到激光加工的整個(gè)過程。

根據(jù)測點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由NURBS 方法重構(gòu)的控制點(diǎn)，進(jìn)行曲面重構(gòu)和建模，優(yōu)化數(shù)模流程，如圖7 所示。部分重構(gòu)前后的控制點(diǎn)坐標(biāo)，如表1 所示。由上表可知，加工曲面重構(gòu)后對應(yīng)控制點(diǎn)的坐標(biāo)發(fā)生了變化，這樣，在重構(gòu)曲面上選取加工小平面，計(jì)算其中心點(diǎn)位置和法向量，得到加工數(shù)據(jù)，由位置和姿態(tài)作為加工軌跡數(shù)據(jù)驅(qū)動機(jī)器人，形成自由曲面刀具軌跡生成器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模組：在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模組中，自由曲面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)由設(shè)計(jì)CAD數(shù)據(jù)生成。用NUBRS 曲面的階次與權(quán)值重構(gòu)連續(xù)曲面，這樣生成的自由曲面直接用五維框式激光機(jī)器人加工形成，得到理想的型面零件。如圖8 所示。

圖7 曲面重構(gòu)和建模過程流程圖Fig.7 Flow Chart of Surface Reconstruction and Modeling Process

表1 部分重構(gòu)前后控制點(diǎn)的坐標(biāo)比較Tab.1 Coordinate Comparison of Control Points Before and After Partial Reconstruction

圖8 根據(jù)重構(gòu)后控制點(diǎn)坐標(biāo)得到零件圖Fig.8 Get the Part Drawing According to the Control Point Coordinate After Reconstruction

5.3 集成系統(tǒng)應(yīng)用

復(fù)雜曲面零件的公差標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測與加工一體化集成系統(tǒng)為生產(chǎn)各種各樣的曲面加工提高了動力系統(tǒng)，如圖9 所示。

圖9 集成系統(tǒng)單元Fig.9 Integrated System Unit

圖10 復(fù)雜曲面加工誤差分析Fig.10 Error Analysis of Complex Curved Surface Machining

該集成系統(tǒng)包括控制中心、自動上下料系統(tǒng)、柔性加工中心、機(jī)器人系統(tǒng)、修邊及清潔裝置。在控制臺對重構(gòu)的曲面零件進(jìn)行仿真運(yùn)行，并進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和測試過程，如圖10 所示。利用PC、DMIS 強(qiáng)大的曲面曲線功能，評價(jià)自由曲面的輪廓度，并以圖形和文本的方式顯示位置的加工偏差，誤差分析顯示集成系統(tǒng)有很高加工精度，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)，如圖10（b）所示。

6 結(jié)論

復(fù)雜曲面的測量與加工一體化集成，使得加工制造技術(shù)高度柔性化和模塊化。整個(gè)集成系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能測量技術(shù)、自動化控制技術(shù)等緊密結(jié)合起來，是一種多學(xué)科交叉和綜合集成的先進(jìn)制造技術(shù)。這種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柔性加工系統(tǒng)大大提高了加工過程的自動化程度和加工過程控制能力。同時(shí)，在復(fù)雜零件表面完整性控制加工方面，測量加工一體化模式將有很大的應(yīng)用潛力和效能，為高性能復(fù)雜曲面零件高可靠加工提高了新的途徑。