截齒弧焊機器人柔性再制造三維結構建模

摘 要：文章采用反求工程技術建立了截齒弧焊機器人柔性再制造三維結構模型，通過三維激光掃描技術獲取破損截齒表面三維信息，對三維信息數據加工處理建立其三維結構模型，為后續的弧焊機器人柔性再制造奠定一定的基礎。研究表明，截齒耐磨堆焊層性能的優化與改善，是防止采煤過程中的截齒快速磨損失效的重要技術措施，采掘設備截齒弧焊機器人柔性再制造有著廣闊的發展前景。

關鍵詞：截齒；弧焊機器人；柔性再制造；建模；反求工程

引言

采掘設備截齒在高沖擊、高應力、高磨損條件下，在截肩處受到很大的彎矩和剪切力，所以截齒的齒體易出現破損狀態。基于煤礦生產中大量截齒磨損、破損的實際，通過弧焊機器人再制造技術獲得性能滿足使用要求的截齒，從而實現報廢截齒被修復再利用。

反求工程是對已有實物原型進行數據測量、擬合、重構CAD模型的一種技術，是截齒再制造模型建立的基礎[1]。采用分層/堆積方式實現重要破損零件維修再制造是目前研究的熱點問題之一，柔性化、自動化、智能化的再制造技術是未來再制造工程發展的方向。在基于精密焊接方法制造金屬零件的研究方面，國內外都開展了相關工作， 如英國的諾丁漢大學、澳大利亞的威龍宮（Wollongong） 大學 等。西安交通大學機械學院的先進制造研究所進行了等離子弧焊直接金屬成形技術的研究工作[2]，華中科技大學材料學院進行了基于焊接機器人的三維快速成形的方法研究等[3]。

本文著重介紹采掘設備截齒機器人柔性再制造三維模型建立的基礎-反求工程。

1 截齒三維信息數據的預處理

實際測量結果不可避免存在一定誤差，如果直接用這些數據進行擬合及重構，勢必會造成曲面不滿足精度要求，因此，需要對擬合曲面進行處理[4]：

1.1 數據插補

1.2 數據平滑

測量結果存在誤差，部分點是不準確的，除去不在曲面的點，使截齒曲面趨于平滑。

2 曲面重構

根據曲面拓撲的形式不同，曲面構造可分為兩種方法[5]：

2.1 以三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方法

2.2 是以非均勻有理B樣條曲線、曲面為基礎的矩形域參數曲面擬合方法，即NURBS法，目前大都采用這種方法，本文也采用這種方法。

一般情況下，分兩個步驟利用NURBS進行曲面插值，首先，沿著u向對每個切片上的數據，把它們換算成帶權的型值點，再按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式，求出控制點，然后再把這些控制點看做v向按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式進行反算，求得矩陣點，構成控制網絡。

在反算過程中，應用重節點條件，使特征多邊形的首末頂點滿足型值點首末端點的插值條件，邊界條件取為自由端點條件，節點矢量按照累計弦長法計算。得到控制網格后，就可以利用定義式，進行曲面重構。

3 截齒三維模型

通過空間點數據得到截齒曲面模型后，就可將其導入三維造型軟件中，得到截齒的三維實體模型，截齒的種類不同，結構不一，其中一種截齒三維模型如圖1所示，圖2為其STL模型。

4 結束語

本文主要是對缺損的截齒進行三維結構建模，然后與完整的采掘及截齒進行對比，建立截齒的再制造模型，為后續的弧焊機器人柔性再制造過程奠定了一定的基礎。

參考文獻

[1]鐘俊堅.反求工程中的數據加工處理[J].南方冶金學院學報，2005，26（6）.

[2]Zhao Baojun， Wang Su， Chen Wuyi ， A lgorithm for rapid slicing STL model [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautic， 2004， 30（4）： 329-333.

[3]Choi S H， Kwok K T. A tolerant slicing algorithm for layered manufacturing [J]. Rapid Prototyping Journal， 2002， 8（3）： 161-179.

[4]郭迎福，李兵，等.激光掃描點云數據的NURBS曲面重構技術研究[J].湖南科技大學學報，2006，21（3）：31-32.

[5]王傳濤，楊建璽，等.逆向工程中NURBS曲面重構技術[J].河南科技大學學報，2009，30（2）.