摘要：本文建立了面向等離子熔射制模的機器人軌跡生成系統，該系統能由CAD實體模型直接生成機器人所帶噴槍的運行軌跡，并能精確地控制噴槍的運行軌跡、角度、速度，以及噴槍與模型之間的距離。
關鍵詞：機器人軌跡 等離子熔射制模 STL

前言

快速成形技術已成功地實現了快速原型制造，目前正向快速制造模具尤其是金屬模具的方向迅速發展。等離子熔射快速制模技術，因其不受尺寸和模具材料限制的優點而受到關注。等離子熔射制模的關鍵技術之一是需要在被熔射原型表面熔射一層耐磨、耐腐蝕合金層。然而，以往的噴槍運動是人工操作完成，難以精確地控制噴槍的熔射軌跡、速度、角度以及與原型之間的距離，導致熔射合金層易產生翹曲和脫落，且直接影響到制成的模具表面質量，此外人工熔射時作業環境不好。因此，需要在熔射快速制模中采用機器人，機器人軌跡生成系統則是需開發的關鍵技術之一。

本文研究首先將待熔射的模型進行實體造型并轉換成STL格式；之后將STL格式文件傳入到針對本課題編寫的軌跡生成模塊程序中重構，并生成機器人所帶噴槍的運行軌跡文件；軌跡文件在計算機上仿真通過可行性驗證后傳輸到機器人的控制器中，搭載在機器人末端上的噴槍即可按照所設定的軌跡進行熔射。熔射是采用能夠精確地控制等離子噴槍的運動軌跡的六軸機器人來完成。

1 系統架構

本研究以首鋼MOTOMAN公司的機器人為基礎建立機器人輔助等離子熔射快速制模系統。該系統分為軟、硬件兩個部分，由三個模塊構成。其中軟件部分兩個模塊：軌跡生成模塊，軌跡仿真和數據傳輸模塊。硬件部分即機器人模塊（見圖1）。

圖1 機器人熔射系統架構圖
軌跡生成模塊：輸入STL格式文件，輸出機器人所帶噴槍的運行軌跡文件。
軌跡仿真和傳輸模塊：能夠對軌跡文件進行仿真并傳輸到機器人的控制器。
機器人模塊：能接收軌跡文件并實現按照所設定的軌跡運動。下面分別介紹各個模塊的實現過程。

2 機器人的軌跡生成模塊

通過普通的CAD軟件繪制出待熔射的模型，輸出成為STL格式文件。機器人軌跡生成模塊以VC++為平臺，通過編程對STL文件進行處理，從而實現機器人末端的軌跡生成。

2.1 STL文件重構

對于CAD三維實體模型，為了得到其表面各點在一定的坐標系中的坐標，采用以一定高度的截面去截取實體，相交地方的數據即模型表面的坐標，這也是常用的實體分層原理，即將實體離散化為一個個截面疊加而成。

通常切片離散化得到的點是三維坐標，而本研究中切片離散化的點要用于機器人的點的軌跡。機器人坐標系中的點是六維的，除了要知道三個位置坐標外，還需知道繞三個坐標軸的旋轉角度，因此需要對常用的STL文件點的數據結構加以補充，使之達到六維。

STL文件是由一系列小三角面片構成，在形成STL文件的過程中（叢CAD軟件輸出STL文件的過程中），三角面片除了帶有其上的三個點的坐標外，還帶有該面片的法向矢量。因此要將構成小三角面片的三個點的數據結構加以改進，給每個點加上一個方向矢量（三個分量），從而使每個點都具有六維性質。點的數據結構就將變成：

struct point{
asix_X，asix_Y， asix_Z; //點的X、Y、Z軸坐標值
vector_X，vector_Y， vector_Z}; //點的法向矢量的三個分量

為此將每個小三角面片的法向矢量賦給它所帶的三個點（見圖2），使每個點都變成除了有位置坐標外，還有方向的矢量點。對于每一個小三角面片，其上三個點方向矢量都相同，也為該小面片的法向矢量。

圖2 STL文件單元改動的比較 圖3 交點矢量合成圖
STL文件中的每一個點，可能總屬于周圍的幾個小三角面片，找出位置坐標值相同的所有點，將它們的方向矢量進行疊加后得到該點新的方向矢量，原有的方向矢量被去除掉。

2.2 原型表面點坐標和法向矢量的求取

用與軌跡相對應的截面去截取實體，同時判斷該截面與所有構成STL文件的小三角面片所包含的邊是否有交點。若有交點，該交點坐標值就是所要求的模型表面坐標值。根據上一節的STL的重構，交點應該是六維，且其位置坐標可知。因STL的每條邊兩點的坐標已知，兩點間距離和交點到其中一點距離就可以求得，而該邊上兩點的方向矢量也已知，所以由求得的距離和已知的方向矢量，采用比例算法就可求出該交點的方向矢量（見圖3，公式(1)）。
(1)
式中：n'1表示第一點的方向矢量，n'2表示第二點的方向矢量，d表示兩點間距離，d1表示交點到第一點距離，n'交點的方向矢量。

2.3 噴槍位置和角度的轉換

由2.2節求得模型表面各點的坐標和該點處所在表面的法向矢量。但是，在實際的熔射過程中，噴槍并不是直接在模型表面移動，而是離開模型一定距離，垂直于模型表面。并且對于機器人所帶等離子噴槍的角度，機器人是以噴槍繞機器人三個坐標軸的角度值來表示，不是矢量表示方式。因此需要對上一節得到的坐標值進行轉換。由于交點處的方向矢量已求得，該點處的三個方位角可得，通過給定噴槍和模型之間的距離，就可求得噴槍位置坐標值和角度值。

2.4 模型的軌跡文件生成

求得噴槍的位置坐標和角度之后，按照一定的規律將這些點的坐標值進行排序，從而得到噴槍的一系列有序的位置，然后按照機器人能夠接收的格式寫出代碼，自此機器人所帶噴槍的軌跡文件就生成了。

3 仿真和傳輸模塊

該模塊由機器人自帶的ROTSY和MOTOCOM32兩種軟件構成。

ROTSY是機器人仿真軟件，能對上一節生成的軌跡文件仿真。仿真所用的機器人模型、噴槍和工作臺可在ROTSY中直接調用；對于待熔射原型的模型，一般需要在通用CAD軟件中造型，然后導入到ROTSY中。圖4表示機器人所帶噴槍對摩托車覆蓋件模型的軌跡仿真。

圖4 摩托車覆蓋件模具熔射軌跡仿真 圖5 機器人在熔射實驗中
MOTOCOM32是一個文件傳輸軟件，計算機與機器人控制器之間采用RS232C串行通訊接口，通過它能實現機器人與計算機之間的數據傳輸。