（机械制造及其自动化专业论文）基于新lom的优化分层技术研究及系统开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 快速原型制作技术自出现以来就以其柔性高的特点获得制造业和学术界的普 遍关注。它采用离剀堆积的加工技术，将三维实体沿某一方向进行分层处理，依 据二维截面轮廓数据加工层片后堆积还原成三维实体。该技术是机械工程、c a d 、 数控技术、激光技术、计算机技术和材料科学的综合集成，可以由c a d 模型直接 制作三维实体零件，大大缩短了产品的研制周期，对制造业产生了深远的影响。 本文先对快速原型制造技术进行了概述，并介绍了其国内外发展与研究动态。 再根据国家自然科学基金项目的要求，提出了本课题的研究目的与意义以及课题 的主要研究内容，开展了基于新l o m 的优化分层技术研究及系统开发。 本文验证了先期基于b e z i e r 曲线拟合曲率半径计算方法，发现所提出的计 算公式对拟合点的误差很敏感，通过案例计算证明先期方法计算的曲率半径误 差过大，不能在优化分层中使用。本文在数学推导和实践基础上提出弦长一夹角 方法，解决了曲线曲率半径的计算问题，为实现优化分层提供了条件。案例计算 表明新方法计算的曲率半径误差在1 0 以下，其精度满足优化分层的要求。 本文采用面向对象的设计方法对切片过程进行了系统抽象，对切片中的对象 进行了优化，给出了优化分层系统的整体结构。本文以p r o e 提供的s t l 文件为 数据模型，采用v c 6 0 + + 和a c c e s s 数据库开发了优化分层系统。该系统结构 清晰，扩充和维护都很方便。 本文最后以系统的计算实例总结了弦长一夹角方法的正确性，证明了优化分 层方法的可行性。 关键词： 快速原型制造，s t l 数据模型，优化分层，面向对象 重获大学蘸圭学位论文英文摘要 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n s i n c ea p p e a r e d 。i t sas l i c e d e p o s i tt e c h n o l o g y i ts l i c e3 ds o l i da l o n gad i r e c t i o n ， a b t a i n e d2 do u t l i n ed a t a ，a f t e rm a d ea l ls l i c e dp l a n ed e p o s i tp l a n e st od e o x i d i z e3 d s l o i d t h i st e c h n o l o g yi n t e g r a t e dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，c a d ，c n c ，l a s e r t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a ls c i e n c e i tc a l lf a b r i c a t e3 ds o l i df r o m c a dm o d e ld i r e c t l ya n da u t o m a t i c a l l y t h i st e c h n o l o g ys a v e s 拓e m e n d o u sd e v e l o p i n g t i m ea n dh a sad e e pi m p a c to nt h e4 m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dr p ma n di t sd e v e l o p m e n tb a e k g r o u n d t h er e s e a r c h c o n t e n t si nt h i sp a p e ra 糟b a s e do i lan s f cp r o j e c t ( g r a n tn o5 9 8 7 5 0 8 8 ) 。i nt h i sp a p e r t h eo b j e c t i v ea n dt h ev a l u eo ft h ep r o j e c ta r ep u tf o r w a r d ，a n dt h eo p t i m i z e ds l i c e p r o c e s si ss t u d i e d t h i sp a p e rv a l i d a t e dt h ef o r m e rc u r v a + t u r er a d i u sf o r m u l a , a n df o u n di tw a s s e n s i t i v et ot h e i rc o n t r o lp o i n t s ，w i t ht h ee x a m p l ec a l c u l a t i o nt h ee r r o ro ff o r m u l aw a s p r o v e dt o ol a r g et oa p p l i f yi no p t i m i z e ds l i c i n gs y s t e m a f t e re x p e r i m e n t s ，t h e c h o r d - a n g l ef o r m u l aw a sp u tf o r w a r d ，i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fc u r v a t u r er a d i u s c a l c u l a t i n g ，e s t a b l i s h e dt h eb a s i so f o p t i m i z e ds l i c i n g 。e x a m p l e si n d i c a t e dt h ee r r o rl e s s t h a n10 t h em o d e l i n gp r e c i s i o na n dm o d e l i n ge f f i c i e n c ya r eb o t hi m p r o v e db yt h e o p t i m i z e dl a m i n a t i n gm o t h e d i nt h i s p a p e l a m i n a t i n gp r o c e s sw a s a b s t r a c t e dw i t h o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gm e t h o d , a n dt h eo b j e c to fp r o c e s sw a so p t i m i z e d ，a n dt h et o t a ls t r u c t u r e o f o p t i m i z el a m i n a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d t h eo p t i m i z e dl a m i n a t i n gs y s t e mi sb a s e d o nt h es t ld a t am o d e lp r o v i d e db yp r o e ，a n dw a sd e v e l o p e dw i t hv c 6 0 + + a n d a c c e s sd a t a b a s e 硅es y s t e mi sc l e a ra n de a s yt oe x t e n da n dm a i n t a i n 。 i nt h el a s tp a r tt h ec o r r e c t i o no fc h o r d - a n g l ef o r m u l aw a st e s tb ye x a m p l e ，a n dt h e f e a s i b i l i t yo f o p t i m i z el a m i n a t i n gm o t h e dw a sp r o v e d k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，s t ld a t am o d e l ，o p t i m i z es l i c e ， o b j e c to r i e n t e d l | 重痰大学礤圭辜韭论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 隧羞全臻零场一俸纯豹澎藏，套露堑翡竞争变褥爨翔激燕，枣缓竞争要求金 业迅速的响应书场、满足市场，产品的开发速度日渐成为竞争的核心。掏对，埔 户的需求越来越个性化、多样化，又要求制造技术有较强的灵活性，能在不增加 产黥成本鲍馈溅下实现小批鬃甚至单件生产。墨此企数开发耨产品敬速度及其铡 遣技术豹柔往裁成了企韭在竞争中取程的荚键因素了h 】。在微电子技术、诗算税技 术和网络通讯技术的迅速发展的基础上，2 0 世纪8 0 年代起源于美国，并快速发展 到日本、欧洲的快速原型与制造技术满足- f , n 造业的这方面需求丽成为业界关注 煞焦焘 2 1 。 传统制造零件原型，需婺几周或者几个月的时间和昂贵的费用，不能满足全 球化市场竞争的骚求。快速原型与制造技术集c a d 、c n c 、激光和材料科学于一 体，暴露离鼗，壤积成形1 2 1 熬快速分层割造王艺，使褥计葵税中静c a d 凡彝模型与 制造过程模型菸享一个集减环境，能直接飘三维c a d 实体数摇模型生成产品原型， 从而大大缩短了新产品开发周期，节约了歼发费用。根据汽车和航天的有关报道， 这一技术的应用使从设计到实际投产开发时问减少了6 0 ，甚至9 0 ，丽在模具、 毫予、家毫、瑟祭戳及轻工等行整戆露耀爱为鞠显登矧1 。夔羞裁遥王邕稻褪辩辩 学的发展，利用r p m 技术可以快速得到：概念设计模型、功能检测模型、模具制 造模型和功能零件，正是这种快捷使得该技术的应用越来越广泛1 3 a , 7 。 远年寒r p m 技术的磅究麸毒l 终工艺到造型挂籽各方嚣部不断获褥突破，痊爱 领域也不断扩大，成为国内外学术界研究与技术开发的热点。该技术发展的初期， 以确认c a d 设计的三维实体模型是否正确殿可视化为开发目标，所以主要以塑料、 树滕、纸张等作造型材料，对模型性能、逑型精度和造粼效率要求也不赢。但隧 着r p m 按本疲麓静雅广，审场撬密了遥& 翅意裣讨、瞧能评价、产麓试翻、莰邃 制造等新的应用露求，特别是提出了高造型精度和高造型效率的要求1 9 j 。传统l o m 工麓为减小制造在过程中“台阶效应”i s 对造型精度的影响，通常采用较小分层 霉疲( 最薄对议0 0 2 5 r a m ) ，毽该途径又会浮致层片数囊壤多，造型效率下蹲。势 且鼹终形成的零件在强度和机械性能等方丽都较差，无法满足企业现在对功能性 零件的要求i 。 当煎，如错阏对提高造燮精度和造型效率是本领域疑关心的淹越。许多专家、 学者都积极寻找薪魏方法、新的愚路。随鞠元等提出“实辩溺量，蜜辩分层”静 优化分层思想【哪；郝永平等提出了根据实体_ 嚣状改变分艨厚度的思想 1 2 1 。在先期的 重庆太学矮圭毕盐论文1 绪论 研究中我们分析了造型曲面特镊与造型精度的关系，提出了新l o m 技术，该技术 套缣诞造鎏精瘦瓣目嚣霉骧大潺增燕分瑶浮发( 最浮胃i 鲞2 m m ) ，镬造鐾效率餮显 提离 1 3 - 1 5 1 。 本文研究的目的是综合快速原型( r o p i dp r o t o t y i n g ，简称r p ) 技术及相关学 秘1 0 多年豹礤巍发展，隧金糕接造型耪粒，在已有理论蒸礁上寻找潮时提裹壤发 和逑型效率韵新方法，研究舆有实际用途的功能零件静快速制造的优化分层处理 工蕊，并开发出相应的优化分层系统。 1 2r p m 羧米综述 1 2 1 快速原型制作原理 快速原型制作技术也叫生长型制造，怒采用粘结、熔结、聚合作用或化学反 盛等手段，罄纯 竣精篓 滚 奉藏匿淬耪辩，从露裁终窭瀵跫要求懿零帮终，萁最兹 的制造思路源于三维实体被切成一系列连续薄片的过程；只要用二维的制造方法 制作出一系列的薄片，即可堆叠成为三维的零部件实体 1 9 , 2 0 1 。快速原测制作技术 首强开始于c a d 造型系统。邸在c a d 造型系统上生成实体懿c a d 数据模型，然 翳经过数裾转羧帮处理，把它变成面纯摸攒，接着酸魏褥纯模型为纂础，切击菜 一方向的一系列薄层切片，与此同时，每生成一层切片，就把它粘结在既成形的 实体部分上，此过程持续到最盾一层，直到制作完成为此，这样就产艇了一个实 髂。茭基奉步臻为： 1 ) 先将c a d 工作站或微机上宛成的三维c a d 模型转化为r p m 系统所能接收的 文件格式( 如s t l 格式) ，运用切片软件将模型假象地切成一系列薄片。 2 ) 避过数控扫攒装置，在工作层上逐一切裁成切片静截嚣形状。因必王艺不丽其 方法分舞激光聚合物固纯、激光烧结、激光切裁、喷攫精结等多种。 3 ) 为了下一层成形，把成形材料覆盖在当前层上，然后穆动工作台一定位移，并 遣复以上过穰，直到零件毙全成形。 4 ) 强耽、烧终、渗透等螽楚瑷。 其离散堆积成形流程如图1 1 所示。 2 重庆大学硕士毕业论文1 绪 论 c a d 模型 卜+ z 向离散化( 分层) + 层面信息处理 卜+ 层面制造与粘结 + n 层面全部完成? 羔一y 后处理 分解过程计算机信息 ( 离散)处理 组合过程 成型机堆积 ( 堆积) 制造 结构和性能。 专用设备 强化、 图1 1 离散堆积成型流程如图 1 2 2r p m 技术的特点 r p m 技术是计算机技术、数控技术、材料科学、现代光电技术、机械工程技 术集成等的结晶，是实现并行工程和敏捷制造的有效途径。与传统制造技术相比， 它具有以下一些特点和优点【2 2 j ： 1 ) 快速性，采用离散堆积成形原理，自动完成c a d 模型到原型或零件的转 换，其制造周期仅为数控加工的1 5 1 1 0 。 2 ) 生产柔性好，不需要专门的模具和夹具，就可制造出具有一定精度和强度 的、具有一定功能的原型或零件。零件变化只需修改其c a d 模型即可。 3 ) 复杂性高，对零件复杂性几乎没有限制，特别适合于制作单件或小批量的 具有复杂形状的零件。 4 ) 高度集成化，c a d 数据转换为s t l 数据之后，就可以制作模型或零件， 而大多数c a d 软件都支持c a d 到s t l 的自动转换。 5 1 可通过重编程、重组或修改c a d 模型就可以获得一个新零件的设计和加 工信息。 1 2 3 主要的r p m 技术简介 从1 9 8 7 年世界上出现第一台快速成形机以来，快速成形技术的工艺方法已有 十余种，其中有些已经商品化、有些还在研究当中。按具体工艺来划分，目前有 光固化立体造型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法、熔融沉积造型法、掩 模固化法、三维印刷法、喷粒法等。其中比较成熟的已转为商业产品的方法主要 有： 光固化立体造型法( s l - - s t e r e o l i t h o g 阳p h y ) 1 2 1 , 它是第一个投入商业应用 的快速成形技术，据1 9 9 5 年统计s l 设备占有快速成形市场8 0 左右的市场份额， 其代表产品为美国3 ds y s t e m s 公司的s l a 系列成形机。7 0 年代末和8 0 年代初， 耄痰夫学硬士车盈论文 i 绪论 3 m 公司的a h e r b e r t ，1 7 本的n a g o y ap r e f e c t u r e 研究所的h k o d a m a 和加利福尼亚 懿c h a r l e sh a l l 独立遂行抉速藏形兹攘念= l | ； 究。在t 9 8 6 年h u t l 孛请了专嚣，嚣黪 创立了3 ds y s t e m s 公司。日本于1 9 7 4 年申请了关于r p 技术的第一个专利。 该技术的基本原理如图1 2 所示：以光敏树脂为原料，将计算机控制下的激光 蒙按预定鲍零件各分层截露臻患对液态的光敏捷塞表露逐点扫接，激光囊捶过懿 嚣城树箱固纯，形成零件静一个薄层。当一层固纯完毕艏，移动工作台，在已固 化的树脂表面涂上新的液态树脂继续进行新一层的扫描。新固化的一层牢牢地粘 结在前一层上。如此重复直到蹩个零件制作完毕。 该方法麓突囊特点是：赣度高、表瑟壤量菇，覆誊耋瓣剩薅率离，可制造结褥 复杂的零件。 兜霜 降台 图1 2s l 婀撩理 f i g ，1 2t h ep r i n c i p l eo f s t e r e o - l i t h o g r a p h y 分层实体错0 造( l o m i n a t e do b j e c tm o n u f o c t u r i n g ) 渊，它出现予1 9 8 5 年，主 要制造商为h e l y s i s 公司。其熬本原理如图1 3 所示。首先铺上一层材料( 金属箔、 纸张等) ，然后髑一定功率敬激浅切割器盔计算机的控制f 按分层信惑切出本层轮 群线，并将菲零佟部分按一是形获讶戒碎片以便去滁。崽本屡轮露竞成之后，秀 铺上一层材料，用热辊碾压，以固化粘绪剂，使新铺上的一层粘结在混成形体上， 再切割该层的轮廓。如此反复点到加工完成。最后切去多余的部分，便得到完整 豹零 孛。 先路系统 黼1 3l o m 的鞭理 j = i 9 1 3t h e o r yo f l o m 4 重痰大学硬军监论文l 绪论 其特点是：无需支撑，遮行成本较低，最终模型残余应力小不易变形。但其 材精耧蘑率较低，模墅表嚣耱发不高。 熔融堆积成形( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 【2 5 1 ，该方法有美国s c o t tc r u m p 予1 9 8 8 年发明的，其材料范围广泛，石蜡、尼龙、热塑性塑料、a b s 等都可以作 造溅搴孝籽，其王 擘藤理魏图1 4 。 图1 4f d m 的艨理 f i g 1 4t h ep r i n c i p l eo ff u s e dd e p o s i t i o n m o d e li n g 三维窜剐成澎( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，简称3 d p ) 球1 1 是一静不需要激光 的r p m 技术，该技术由麻省理工学院e m m a n u e ls a c h s 和m i c h a e lc i m a 等联合开 发，其原理如图1 5 ，喷头在铺好的粉末材料上有选择地喷射出粘接剂，有粘接裁 豹缝方糖精被懿绥在一起，荬它逢方爨麓粉末，这嚣一蔟搂一层蘧铺上耱耒秀藉 接两就得到一个空间实体，去除多余未粘撩的粉末材料厢再烧结就得到所要求的 零件 囤1 53 d p 的原理 f i g 1 5 t h e p r i n c i p l eo f t h r e e d i m e n s i o n a lp r i m i n g 重痰太学l 蠹车韭论文 l 绪论 油墨喷射成形( i n kj e tp r i n t i n g ，简称i j p ) 【2 6 】的基本原理：用压电喷射头按 n c 程序痰定路黩囔蹇| 凄熔爨热鏊辩漆难获戏一垂实露。竞藏一层造登螽熹瀵壤酝 新的一层，按熔融热塑料固有的特性，新的一层牢牢她粘接在已成形体上。由于 喷头数可以有很多个，故i j pw 以高速造型。 1 2 4r p m 技零酶应零 | c 况 快速原型技术已经广泛的虑用到汽车、航空航天、家电、医疗、正艺品制作 以及玩具等各个领域。随着该技术的不断完善与发展，其应用范围还搬不断扩大。 嚣麓该按本主要惩在噬下尼个方嚣嘲： 产品的设计评嵇和审核 为提高设计质量，缩短生产试制周期，快速原型技术可在几个小时或几天的 时阀内将设计人员的图纸或c a d 模型转化必实实在在鲍零件。这样可根据设计原 型遴行设计评定，遥速圭氇取褥糯户对设诗静反续信惠。鞫靖氇有稳予产晶毒l 造者 加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程。与传统模型制造相比，该 技术不仅速度快、精度高，而鼠能够随时通过c a d 进行修改与验证，使设计走向 尽蛰尽美。 产品功熊试验 在快速成形系统中使用光敏树脂或金属箔材制作的实体具有足够的强度和硬 度。可尾于传热、流体力学试骏，甚至枫械试验。 与窖户竣订魏裔静交流手段 在国外，r p 原型己成为某魑制造商争夺订单的手段。例如位于d e l a o i t 的一家 仅缀建两年的制造商，由于装锯了2 台不问型号的快速成形机和快遴精铸设备， 饺褒接爨f o r d 公霹耩书惹熬4 令工终舅蠹後生产塞了雾一令臻疑洋 串，鼓露夺褥 f o r d 公司年总产值达3 0 0 0 万麓元的发动机缸盖生产合同。另一方面，客户总是更 乐濑于对照实物和公司讨论，提出产品的修改意见。 + 快速模其露l 造 以r p 生戚的实体模作为模芯或模套，结合精铸、耪束烧结等按术可以快速翻 造成企业产品所需要的功能模具或工装设备，其制造周期一般为传统数控切削方 法的i 5 1 1 0 ，而成本却仅为其l 巧l 5 。模具的几何复杂程度越高，这种效益越 饔嚣。据美国一豢貘其供应裔声髂，冀车阗在绩弱客户c a d 设诗文彳譬蕊l 螽内可 提供任意复杂的铸塑模具，而实际上8 0 的模具在2 4 4 8 小时就可生产出来。 1 2 。sr p m 技术与相关学科的关系 r p m 与c a i ) 技术之强簸关系：e a d 援术是r p m 技零豹前提帮蘩磷。c a d 技术的出现使人们显示和修改设计变得容易了，但是其设计中的缺陷德往在产品 6 重庆大学硕士毕业论文1 绪论 开发出来以后才能发现，随着r p m 技术的出现人们的设计概念可以很快实物化， 使设计中的优缺点形象直观便于讨论修改。但是c a d 是实现r p m 技术的前提， 它为r p m 技术提供完整的数据，如s t l 文件。 r p m 技术与材料科学的关系：如前面所述，r p m 技术中使用的材料种类很 多，从纸张、石蜡、尼龙到光敏树脂、金属和非金属。材料影响着r p m 技术的成 形工艺和零件最终强度和硬度，而且粘结剂的性能直接影响原型件的质量和使用 性能。因此，新材料的出现必将对r p m 技术产生重大影响，同时r p m 技术的发 展又会对材料科学提出新的要求，从而促进材料科学的发展。 r p m 技术与数控技术的关系：r p m 技术与数控技术的关系是显而易见的，但 是不同的工艺对数控系统的要求有所不同。例如，在每次加工一层的掩膜法光造 型中，控制方式为简单的一轴控制；而在s l a 、l o m 、s l s 、f d m 等工艺中，数 控系统则是二轴联动，而r p m 的点堆积方式则要求三轴数控系统。 除了控制运动方式之外，数控技术在r p m 技术中的应用还包括对加工参数的 控制。如s l a 工艺中的补偿系统、l o m 和f d m 工艺中的温度补偿、半径补偿、 材料进给控制等。可见数控技术为r p m 技术奠定基础，而r p m 技术的发展又为 数控技术提出了新的研究课题，丰富数控技术的研究内容。 r p m 技术还和很多学科有密切的关系，如信息技术、机械科学、激光技术、 数控技术、电子技术等等。它是多学科的集成，是多门学科发展的结果，又是各 学科发展的推动力。 1 2 6r p m 技术的研究现状与方向 在国际上，r p m 的研究活动非常活跃，相关的研究机构和服务中心数量都在 不断增加，各种新工艺、新材料不断涌现。在这一行业中，有提供快速原型系统 设备的制造商和提供快速原型服务的服务的s b ( s e r v e rb u r e o u ) 的服务商，以及 为r p 技术支持的零部件供应商( 如软件、材料、激光器等) 。设备制造商中研究 s l a 方法的有3 ds y s t e m 公司、e o s 公司、f & s 公司、c m b t 公司等，研究 l o m 工艺的有h e l i s y s 公司、k i m 公司、k i n e r g y 公司等，研究f d m 工艺的有s t r o t o s y s 公司等。系统软件商有b r i d g e w o r k s 系统软件商：美国的s o l i d c o n c e p t 公司、 b r o c k w o r e 系统软件商：软件工程师b r o o n e y 、m o g i c s 系统软件商b e l g i o n 公司等。 而从事专业快速原型服务的s b 全世界多达2 8 4 家，其中1 4 5 家在美国，约占总数 的5 l 。在欧洲多数国家集中于r p 的应用研究，德国公司e o s 公司和f o c k e l & s c h w a r z e 公司在开发和销售r p 系统。 在我国，快速制造技术的研究起步相对比较晚，研究经费也比较紧张，目前从 事这方面研究的单位主要有清华大学、西安交通大学、华中理工大学、北京自动 重获大学硕士毕业论文l 绪论 威形系统有限公司等等。设备方面有清华大学的l o m 鄹f d m 系列成形杌，珏安 交i 蕤大学弱l p s 、c p s 系捌快速残形瓿，华中理工夫学l o m 工艺翡袋形设备和隆 源公司的a f s 快速成形机。 目前，快速舔型技术方面的研究，主要有以下几个方面： c a d 数攥处理熬磅突 c a d 数据处理的研究，主簧工作是s t l 数据模垄豹数据错误分析和修正、分 层计算、辅助工媳的开发和新的接口数据格式。针对表达c a d 模型的s t l 数据格 式浆不足，文献阱】分析了s t l 数据格式经嚣出现翦问题搬镶误，对擞现的错误秘 摸瀵静缺陷送行修矜处理研究，提出矮薪的数据转输接秘来克骧s t l 数据格式存 在的不足，并对c a d 模型到p ( p m 的数据传输精度问题进行了研究。 成形工艺豹研究 为了改善鬟彰黻蓦鍪裁露凄萋，天秘霞 曩臻方式虢及镧终参数戆浚定主选送行 了很多探索，如3 d 系统公司提出的w e a v e 、s t a r l 喊a v e 、a c e s 和西安交通 大学提出的y l s f 制作方式，使得最终零件翘曲变形得到很大程度的改善。为了 加快r w m 的原溅的制作速发、制话效率秘衮嚣质量，撼感了自适应分层处理、俊 纯分层方向、多零件摆敖撬纯等技术措施。 新的成形工艺方法研究 毅的成形工黻方法研究涔现如下三个特点： 1 ) 多耱耪辩复合或形，帮蠢嚣装配，一次囊造多势：| 孝辩、复杂形毫爰戆零箨 和器件。 2 ) 直接金属成形，即直接用金属材料制造功能零件的成形方法。 3 ) 低成本低俊臻懿藏形方注，其譬豹裁楚善及捩建琢跫技术帮扩大痰鼹范围。 1 3 课题研究的背景和意义 1 3 1 谋蘧翳 突的背景 分层制造技术( l o m ) 魁一种离散，堆积的加工技术，其基本思想是先将三维 实体沿某一方向进行分层处理，得到一系n - - 维截面轮廓数据，再分别加工所有 屡嚣，最后难菝逐蒙或三维实体。其造鍪突傣与理论实髂存在尺寸精度、髟获精 度和表面精度三方面的误差。传统l o m 工蕊由于存在“台阶效应”，难以满足形 状精度和表面糟魔的要求，为减小“台阶效应”对造型精度的影响，通常采用降 低分罴厚度( 最薄对仅0 0 2 5 m m ) 豹方法袋提高造型精度，但该途径又会导致屡 片数麓增多，造甏效率下降。 因此，如何同时提高造型精度和造型效率成为本领域普遍关心的问题。从现 8 重庆大学硕士毕业论文1 绪论 在的各r p m 生产商的发展策略来看，在推出新的型号，新的机种的同时，仍将很 大一部分力量投入到工艺、材料、软件的改进上，以追求更快的制造速度、更高 的制造精度或是二者的平衡。学术界也沿着这个趋势发展着。陶明元等分析了实 体原型表面与分层平面的夹角对造型精度的影响，并提出“实时测量，实时分层” 的优化分层思想；郝永平等提出了根据实体形状改变分层厚度的思想，并分析了 几种特殊形状实体的实例。在先期的研究中分析了造型曲面特征与造型精度的关 系，提出了新l o m 技术，该技术在保证造型精度的同时可以大幅增加分层厚度( 最 厚可达2 m m ) ，使造型效率明显提高。 1 3 2 课题研究的意义 随着中国进入w t o ，企业面临地竞争越来越激烈，产品的生命周期越来越短， 相应地产品的研发周期也越来越短。功能零件快速制造技术的研究，正是适应了 这样的潮流，它既在学术上有极其重要的意义，也有广泛的应用前景。以金属作 造型材料的r p m 技术，直接制造机械零件而非原型零件快速制造，为机械零件的 制造提供了新的方法，所以市场需求越来越广。如何提高以金属作造型材料的 r p m 技术的造型精度是目前学术界最关心的问题。 本课题在现有的l o m 技术的基础上重点研究关于提高l o m 技术造型精度和 造型效率的问题，实现依据实体不同曲率部位选取不同分层厚度地自适应优化分 层，并开发出优化分层系统为新l o m 技术的应用奠定基础。 1 4 课题来源与研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“复杂形面最终用途零件快速制造的关键 技术研究”( 5 9 8 7 5 0 8 8 ) 和重庆市应用基础项目“基于l o m 的快速制造c a d 基础 研究”( 2 0 0 0 6 0 6 2 ) 。 1 4 2 研究内容 本文的主要研究内容如下： 基于s t l 数据的曲率半径计算方法研究； 基于s t l 模型的新l o m 优化分层处理研究； 基于s t l 模型的新l o m 分层处理软件系统开发。 9 重庆大学硕士毕业论文2 基于金属造型材料功能零件的新l o m 方法 2 基于金属造型材料功能零件的新l o m 方法 2 1传统l o m 方法成形原理 传统的l o m 方法与其它快速成形技术基本原理相同，都是基于离散堆积思 s 1 1 。“g b y p a r t i c u l a r z l e v e l c u t t i n g b y l a s e r l a m i n a t i n ga n ds t a c k i n g 图2 1 金属功能零件的分层实体制造过程 f i g 2 1t h ep r o c e s so f l o m f o rm e t a l l i cf u n c t i o n a lp a r t 想，集成计算机、数控、激光等高新技术把三维零件的生产过程简化为二维层片 的叠加过程。一般先由c a d 软件设计出零件的计算机三维曲面或实体模型，再根 据具体成形工艺要求按一定厚度进行分层，由三维模型信息生成二维截面信息， 再生成数控信息，最后以平面加工方式依次加工各分层截面，粘结或焊接所有截 面制造出具体零件。由于成形工艺和造型材料的不同各快速成形工艺具体零件的 制造过程有所不同，其中l o m 工艺的实体制造过程如图2 1 所示：首先按具体方 向离散实体模型；再根据实体表面与分层平面交线切割分层轮廓，得到一系列分 层板后将分层板连接在一起，从而获得重叠堆积成形的造型曲面的金属实体模型。 现有商用l o m 分层工艺一般沿分层平面与造型曲面的相交线垂直切割分层板，当 实体表面与分层平面不垂直时，就会在每一层分层板与造型曲面之间形成一个小 台阶，如图2 2 所示。要获得正确的造型形状，就必须在后续的加工工序中将此台 阶去除，因此我们亦称此台阶为残留加工量。将每一分层板的台阶与造型曲面的 最大距离( 图中的6 ) 称为此层分层板的原理误差。 s t a i rs t e p 图2 2l o m 的堆积成型原理 f i g 22t h es t a c ks h a p i n gp r i n c i p l eo f l o m 要提高l o m 的加工精度，减小残留加工量，必须设法降低和消除现有工艺出 o 重庆大学硕士毕业论文2 基于金属造型材料功能零件的新l o m 方法 现的“台阶效应”。 2 2 金属造型材料功能零件的快速制造及其存在的问题 快速成形技术发展初期以制造零件模型为目的，但随着该技术在汽车、电器、 模具等行业中的进一步推广和技术的更加成熟，快速成形技术逐步热衷于具有一 定机械强度、刚度和耐磨性功能零件的制造。其中以金属箔材作造型材料的l o m 技术由于其最终零件具有良好的机械强度和硬度正逐步成为快速成形技术的主 流。先期研究提出的以金属板材作造型材料的分层实体制造过程如图2 1 所示，在 对功能零件快速制造的关键技术进行研究后提出了一条新的技术途径：基于l o m 原理从c a d 模型的s t l 文件提取层片文件c l i 数据，根据造型曲面的几何特征 性改变分层厚度实现优化分层，并按c l i 数据和曲面的几何特征生成4 坐标数控 加工代码，用机械或激光加工切割平面分层板，采用金属连接技术将一层层分层 板连接成一个整体，最后通过光整加工形成具有较高精度和强度的金属零件。以 制造原型零件为目的的l o m 技术使用的分层材料比较薄，一般在o 0 1 o 1 5 m m ， 以金属板材作造型材料的新l o m 技术为保证功能零件的使用性能，使用的金属板 材在o 5 2 0 m m ，使用较厚的金属板材为造型材料，既提高了功能零件的强度、 使用性能、减少了造型时间，还可以有效降低切割加工过程中的分层板变形问题1 1 1 1 5 】。目前，以金属板材作造型材料的新l o m 技术需要进一步解决以下三个问题： ( 1 ) 分层制造过程中的精度问题： ( 2 ) 变分层厚度优化分层问题； ( 3 ) 分层板的连接问题。 本文拟解决分层制造中如何进一步提高造型精度和造型效率问题，以及建立 新的曲率半径计算方法实现变厚度优化分层的问题。 2 2 1 基于金属造型材料功能零件的l o m 精度问题 功能零件分层快速制造工艺方案中，影响精度的主要因素是原理加工误差。 先期研究表明1 1 4 】：现有l o m 技术用台阶来逼近自由曲面，其原理加工误差除与分 层厚度相关外，还随造型曲面法线与分层平面的夹角a 的增大而增大，其最大值 接近分层厚度，平均值为分层厚度的一半。若分层厚度取为l m m 的数量级，其原 理加工误差远远大于三坐标数控加工的原理加工误差，这也是现有l o m 其分层厚 度仅采用0 0 1 0 1 5 m m 的原因之一。虽然有研究者指出通过优化分层取向可有效地 降低原理加工误差，但对许多功能零件，由于考虑强度及使用性能的要求，分层 方向受到约束，不能自由取向。为控制功能零件分层制造精度，先期研究提出新 的分层制造方法，即新l o m 方法【l 沿自由曲面分层位置处的z 向法截线的切 线方向切割平面分层板。分析计算表明用新的分层板切割工艺，可以有效地降低 重庆大学硕士毕业论文2 基于金属造型材料功能零件的新l o m 方法 分层制造的原理加工误差。其误差数值虽然也随造型曲面法线与分层平面的夹角 q 的增大而增大，但平均值仅为现有l o m 方法的1 5 。当分层厚度为l m m 时， 绝大多数情况下原理加工误差小于0 0 1 m m ，仅当n 大于8 0 。时，其误差达到最大 值o 1 5 m m 左右。其残留加工余量仅为传统l o m 的4 8 ，也比步距为1 0 m m 的 三坐标数控加工的残留加工余量小，仅为其4 1 3 。由此可见，新l o m 方法使用 厚的分层板( 1 0 m m ) 达到了现有l o m 方法使用o 0 1 0 1 5 m m 薄板的效果。 2 2 2 优化分层 现有l o m 系统多数采用等厚度分层，该技术在原理上存在台阶效应，后续加 工量大，造型零件精度和强度不高，难以满足当前功能性零件的需求。研究学者 积极寻找功能性零件制造方法，同时深入研讨功能性零件各项要求的影响因素， 积极探寻提高精度和效率的方法。先期研究分析了造型精度和效率的影响因素， 总结出各因素的影响规律，提出根据原理加工误差随夹角a 和造型曲面曲率半径r 的变化规律实行优化分层：根据分层原理加工误差随造型曲面法线与分层平面的 夹角a 的增大而增大的特点，当某一分层平面范围内造型曲面的法线与分层平面 的夹角a 的平均值较小时选用较厚的造型材料，a 的平均值较大时则选用较薄的 造型材料，使整体的原理加工误差与残留加工余量最小，分层板的数量也最少。 同时，还要考虑造型曲面曲率半径r 对原理加工误差的影响，在极端的条件r t 及a 6 5 0 时，选取较薄的造型材料，r t = 5 ，若a 或与谈秘线平行麓努毯绉线( 蠹 凹型麴两) 切割热工分层投，颤圈2 3 所示。从图可以看融，新l o m 方法的残懿 加j = = 酾积( 阴影部分) 远远小于现有l o m 方法( 曲逸三角形a b c ) ，其加工误麓 也缀小。 2 4 掰l o m 方法精瘥冀效率影瀚戮素分耩 2 4 1 新l o m 技术原理误羧及残翻加正量 场辘零件分瀑袄速裁逡工慧方案孛，造型赣度戆谈蒺妻蒙来爨琢毽谈整秘热互 误差，在此以外凸溅地半灏球曲薅为铡，魏疆2 。4 所示。a 为离x o y 乎丽高度为 z 的分层扳中点与造型曲面的交点，沿该点律造型曲褥z 向法截线的垂线，获得 与分艨板上下蕊的交点b 、c 。从图中可知，曲边三角形a b e 和a c d 的藤积之和 就是灏l o m 方法鳓残余翩工面积s 3 它稍在半径方向的离分别为63 i 和63 2 ，两者 蠢鼗艇主是稳等静，称秀该分藩乎露戆驻疆谟差63 。裰嚣鬻孛a 傍关系，新l o m 的原理误差63 、残留加工酾积s 3 与残留加工最v 3 可按公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 计箕： 6 。2 、瓜呸磊矿了一r = 等( 2 c o s a - c o s 如c o s 0 1 ) 一手一嚷蜘吨一口) 一s i n 静一q ) 】 v 3 = 兀喜【2 ( c 2 + c d + d 2 ) 一( 3 a 2 + 3 b 2 + r 2 ) 】 o 獒孛： o l = s i f f l ( z r ) a ：一s i 娃一1 【( z + ) r 】 o2 s i n 叫f ( z + t 2 ) r 】 ( 1 m o x = s i n 一【( r f 2 ) ，】 n 2 r c o s c l i b r c o s a 2 t c 盘r c o s o 一一耄毽n ( i 2 d = r c o s a + 三t 黼8 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 强2 4 耨l o m 熬摄理误差每魏鹫霸王量 f i 9 2 4t h et h e o r e t i c a lm a n u f a c t u r i n ge l t o ra n d r e m a i n i n gm a t e r i a lq u a n t i t yi nn e wl o mp r o c e s s 重庆大学硕士毕业论文2 基于金属造型材料功能零件的新l o m 方法 2 4 2 分层精度和效率主要影响因素 从( 2 - - 1 ) 式可以直接看到：原理误差63 与造型曲面z 向法截线的曲率半 径r 、切平面的法线与分层平面的夹角a 以及分层厚度t 相关。在分层厚度确定的情 况下，曲率半径r 与夹角a 是影响原理误差的主要因素。对( 2 - - 1 ) 式变形有： s 炉 ( 击 2 埘卜 沪4 ， 分别取r t = 1 0 0 ，5 0 ，2 0 ，5 ，1 ，计算在不同d 处的原理加工误差与分层厚度 t 的比值，其分布规律如图2 5 所示，最大原理加工误差的规律如图2 6 所示。 o 2 0 1 5 0 1 0 0 5 0 01 52 53 54 55 56 s7 5 图2 5 新l o m 原理误差影响因素 n 吐5t h ei m v a c tf a c t o ro f t h et h e o r e t i c a lm a n u f a c t u r i n ge l l o ri ni l e wl o mp r o c e s s 8 l m “m m o 1 5 0 1 0 0 5 o 02 04 08 0l o o 图2 , 6 新l o m 原理最大原理误差 f i g2 , 6 t h em a x i m u mt h e o r e t i c a lm a n u f a c t u r i n ge l l o fo f n e wl o m 通过分析可知：原理误差随a 角度的增加和r t 值的减小而变大，但大多数情 况下小于o 0 5 t ( 分层厚度) 。只有当a 接近a 。达到图2 6 所示的最大原理误差。 从图2 6 可知，最大原理误差随r t 的变大而减少，但影响不显著，最大原理误差 一般小于o 1 3 t ，只有在r t = 1 的极端情况下达到o 1 5 t 。 1 4 重庆大学硕士毕业论文3 优化分层技术殿其实现方法 3 优化分层技术及英实现方法 3 。l基于实薅s t l 模型鳇分凄处理 蜜体的快速制造过程第一步要完成实体的c a d 造型，一般在商用c a d 系统 上进行。目前能完成实体三维造型的软件系统肖：p r o e n g n e e r 、u g i i , s o l i d w o r k 、 a t u o c a d 等，这些系统的数据绪构逶常是保密越，r p m 系绞要通过这然系统获 取实钵c a d 模型逶常是焉三囊形灏片逼近实体藏嚣，霉由系统输出s