基于塔式起重机焊接的等离子自动焊接技术的研究

陈波　叶伟

摘 要：文章研究了等离子焊枪修复轨迹的生成原理和方法，建立了塔式起重机的三维模型，根据塔机的三维模型获取STL模型文件，然后对STL文件进行读取，并且对其进行切片操作，切片后对交点进行连接，形成截面轮廓线，最终生成焊枪的焊接路径，并且利用UG电子表格运动仿真对塔机工件的焊接轨迹进行验证。研究为等离子焊枪的进一步研发提供理论依据，为塔式起重机智能焊接奠定基础。

关键词：等离子焊接；STL模型；焊枪轨迹；运动仿真

引言

等离子自动焊接制造技术已经广泛应用于各个行业，随着自动化产业的提升，等离子焊接专用设备以及工业机器人的开发和研究也在不断的进行中，只有高效、高精度、高性价比的喷涂作业方式才能满足各个行业的需求。文章探究了在等离子自动焊接专用实验设备的基础上，研究焊接轨迹的生成原理和方法，建立了三维工件模型，并且利用UG电子表格运动仿真对工件的喷涂轨迹进行验证。

1 喷枪轨迹生成原理

文章的研究载体是塔机的司机室，自动焊接的关键内容就是喷枪在空间的运动轨迹，研究先根据塔机司机室的三维模型获取STL模型文件，然后对STL文件进行读取，并且对其进行切片操作，在切片前要先设定好切片的间距，进行切片之后，对交点进行连接，形成截面轮廓线，最终生成机器人的焊接路径。

2 焊接轨迹的STL数据模型获取

将塔式起重机司机室的三维模型转换为STL模型，读取STL模型后利用STL模型切片算法，通过设定模型切片的方向和层数，在完成了对STL模型进行切片处理获取切片平面上的交点之后，就生成焊枪在司机室表面的焊接路径。

2.1 读取三角面片顶点数据

文章以STL三维模型文件为数据源，利用VC++6.0读取并存储其中的顶点信息。

为了确定切片方向与厚度，在切片过程中切平面与三角形面片在相切求交时会出现几种位置情况，因为焊接轨迹一般是一组相互平行的路径，并且待焊件表面的焊接路径之间的距离是相等的，所以研究采取的切平面是沿着切片方向均匀相等分布的平行平面。

2.2 交点数据的处理

切片厚度的确定是STL模型切片中的关键参数之一，它直接影响切片的质量和效率，也影响着焊接路径线的位置和轮廓。当确定了焊枪的移动方向与切片方向之后，就可以计算出切片的厚度。我们假设STL模型数据在切片方向上的最大跨距为Dmax，切片的层数也就是焊接过程中的往返次数为n，那么，切片的厚度δ为：

进而在求取三角面片与切平面的交点时，判断边线顶点与分层面的相互高低位置将其排序。

2.3 塔机部件焊接轨迹的生成

在获取一系列交点坐标并且排序之后，就能够进行喷涂轨迹的仿真了。通常，机器人有两种固定的轨迹模式：螺旋线形轨迹和Z字形轨迹，如图2所示。由于Z字形轨迹喷涂应用比较广泛，并且计算起来也较为方便，所以文章也采取Z字形喷涂模式。也就是喷枪根据偏移距离d在工件的表面来回往复运动进行喷涂作业。

3 结束语

文章阐述了基于STL模型生成喷枪轨迹的原理，研究了塔机的STL模型的切片处理算法和切片处理的过程，提出了等离子焊接轨迹生成的工作流程：先对所获取的三维STL模型進行所需数据的读取，其次进行STL模型切片，在此过程中要设定好切片的方向和切片厚度。最后进行交点的求取并对其进行排序，最终生成喷枪的喷涂轨迹。

参考文献

[1]Xu Binshi.Development status and prospect of green remanufacturing engineering[J].ENGINEERING SCIENCES，2011，13（1）：1-5.

[2]Zhu Hu，Yang Zhongfeng，Process in Study of STL File and Its Application[J].MACHINE TOOL & HYDRAULICS，2009，37（6）：186-189.

[3]邱元庆，周惠群，朱姗姗，等.利用散列对STL文件进行拓扑重建和修复[J].机械科学与技术，2009.

[4]赵吉宾，刘伟军.快速成形技术中基于STL模型的分层算法研究[J].应用基础与工程科学学报，2008，16（2）：224-232.