（机械制造及其自动化专业论文）射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 射流电沉积快速成形技术是制造直接金属型的新工艺，控制技术是其关键技术和 工艺实验的基础。 本文分析了射流电沉积快速成形系统的组成和功能采用了c a d 模型几何信息 的数据处理和射流电沉积的现场成形控制相分离的，以i s o 数控代码为数据接口的分 布式控制的体系结构。 本文使用了分布式构架和组件技术设计并实现数据处理子系统采用了n c + p c 的模式、面向对象的模块化方法、多线程及同步等技术设计并实现现场控制予系统。 最后，在研制的系统上进行了射流电沉积快速成形工艺实验，得到了基本实验结 论和金属铜的快速成形样件，验证了射流电沉积快速成形控制系统良好的应用性。 本文的研究得n t 国家自然科学基金“射流电铸快速成型研究及生成纳米品金属 零件的探索”( 课题号：5 0 1 7 5 0 5 3 ) 的资助。 关键词：快速成形射流电沉积直接金属型控制系统分布式讨算数控 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用 a b s t r a c t c o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g ya n de x p e r i m e n tf o u n d a t i o n so fr a p i d p r o t o t y p i n gb ye l e c t r o d e p o s i t i o nw i t l le l e c t r o l y t e sj e t w h i c hi san e wt e c h n i q u ef o rd i r e c t m e t a l p a r t sp r o t o t y p i n g t h ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o no f r a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mi sa n a l y z e d t h es y s t e mi s b u i l tu pw i t hd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r e ，i nw h i c ht h ed a t ap r o c e s s i n go fc a d m o d e l sa n dt h ef i e l dp r o t o t y p i n gc o n t r o li ss e p a r a t e d ，a n da l s ot h ei s on cc o d ei s e m p l o y e da st h ed a t ai n t e r f a c eo ft w os u b s y s t e m d a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e dw i t hd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g a r c h i t e c t u r ea n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g y f i e l dc o n t r o ls u b s y s t e mi sb u i l tu pw i t hn c + p c m o d e ，o b j e c t o r i e n t e dm o d u l a r i z a t i o nm e t h o da n dm u k i t h r e a dt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t so fr a p i dp r o t o t y p i n gb ye l e c t r o - d e p o s i t i o nw i t he l e c t r o l y t e s j e ta r ep r o g r e s s e do nt h es y s t e m s o m ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o na n d d i r e c tc o p p e rp r o t o t y p e s a r em a d e t h i sp a p e ri ss u p p o s e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( c n cj e t f l o we l e c t r o c a s t i n ga n df o r m i n gn a n o - m e t a l ，5 0 1 7 5 0 5 3 ) k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) ，e l e c t r o d e p o s i t i o n w i t h e l e c t r o l y t e sj e t ，d i r e c t m e t a l p a r t sp r o t o t y p i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，n u m e r i c a l c o n t r o l ( n c ) 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注、致谢和 参考文献的弓| 用外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得南京航空舷天大学或其他教育机构 的学位或证书露使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段傺存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：刊窍嫱 日期：2 0 0 4 年2 月 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 快速成形概述 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) 是7 0 年代末、 8 0 年代初发展起来的新技术，它与虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，简称v m ) 一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。该技术以增材制造法( m a t e r i a li n c r e a s e m a n u f a c t u r i n g ，简称m i m ) 一次成型复杂的零部件或模具，不需要任何工装。快速 成形技术汇集了计算机、c a d 、数控、物理、化学、材料等诸多工程领域的先进成果， 解决了传统加工方法中的许多难题，对缩短新产品开发周期降低开发成本具有极其 重要的意义，是继n c 技术后制造业的又一次革命。最近，国外学者将快速成形的含 义扩大为快速生产，快速生产就是使用快速成形的方法来生产用户最终使用的产品。 经过二十几年的发展，快速成形技术已经从早期的快速原形制造向多功能、多材 料、多应用的快速零件制造发展。快速成形技术在航空航天、机械电子以及医疗- i ! _ - i ： 等领域有着广泛的应用。 1 1 1 快速成形的基本原理 快速成形技术基于离散堆积的概念。首先，通过三维造型软件或逆向工程的方 法建立零件的计算机c a d 三维模型，用几何信息数据处理软件将模型离散成一系列 一定厚度的薄片，再离散每个薄片生成每层的加工轨迹，这个过程是一个数据的离散 处理过程。然后，在计算机的控制下按照加工轨迹使用能量流有选择地对某一区域进 行固化粘结或沉积，从而形成实体的一个层面，如此逐层堆积形成实体，这个过程是 一个材料的物理堆积过程。最后，根据需要对成形件进行后处理，使其达到一定的功 能和性能要求。快速成形的基本流程如图1 1 所示。 1 1 2 快速成形的特点 快速成形技术自动完成从计算机c a d 三维模型到物理模型的转换，简化了零件 的制造工艺，较其它制造方法有其独特的优势。 更适合于形状复杂、不规则零件的加工。 零件的复杂程度与制造成本关系不大。 不需要专用的工装夹具和模具，大大缩短新产品的试制时间。 具有广泛的材料适应性。 没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术。 能根据c a d 的结果快速生成三维原型，检验设计过程的正确性，解决了从概 念设计到大批量生产的瓶颈问题。 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用 造型过程 离散过程 堆积过程 后处理过程 图1 1 快速成形的基本流程 1 1 3 快速成形的分类 基于离散堆积原理的先进性，快速成形技术的发展非常迅速，目前已出现了多种 快速成形方法，这些方法由于采用的材料、能源和堆积方式的不同，有着各自的特点 和适用领域。 目前比较成熟且使用广泛的快速成形方法主要有以下几种： 叠层制造( l o m ；l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 。 激光选区烧结( s l s ：s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 。 立体光造型( s l a ：s t e r e o l i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ) 。 熔融沉积制造( f d m ：f u s e dd e p o s i t sm a n u f a c t u r i n g ) 。 三维印刷( 3 d p ：t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 。 1 1 - 4 直接金属型快速成形的发展 直接金属成形由于省去模具制造及相应设备的准备等中间步骤，大大缩短了产品 的开发周期，增强了产品竞争力。金属比其他材料有更高的强度、刚度和广泛的应用 领域，因而直接金属成形受到了广泛的关注。 从已有的快速成形工艺开发新的适合于金属直接成形的工艺是当前快速成形领 域的一个研究热点。国内外研究人员在传统快速成形方法l o m 、s l s 、f d m 、3 d p 2 南京航空航天大学硕士学位论文 的基础上发展了直接金属型的快速成形技术，主要有清华大学采用激光切割陶瓷或金 属薄膜基于l o m 技术的、德国e o s 公司采用激光逐点照射金属粉末材料熔融并实现 材料联接基于s l s 技术的和美国s t r a t a s y s 公司使用金属丝材料基于f d m 技术的直接 金属型快速成形技术。 同时，一些新的直接金属型成形工艺也在不断的出现和发展。美国c a m e g l e m e l l o n 大学的l e w e i s s 和s t a n f o r d 大学r m e r z 提出了用多个喷头熔融沉积不同材 料来制造微机械的多相组织的沉积制造方法。c o n n e c t i c u t 大学的k e v i n j a k u b e a s 提出 了使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体，沉积出一个材料的薄层进而逐层 制造的气相沉积成形方法。s a n d i an a t i o n a ll a b 提出了使用聚焦的n d y a g 激光在金 属基体上熔化一个局部区域，同时喷嘴将金属粉末喷射到熔融焊池里层层叠加制作金 属原型零件的激光工程净化成形技术。m i t 的j u n - h o o n c h u n 提出了将加热炉熔化的 合金通过电场偏转控制金属微滴直接成形生成金属零件的液态金属微滴沉积技术。 1 2 射流电沉积概述 1 2 1 电沉积的原理和特点 金属电沉积是用可导电的原模作阴极，用电沉积金属材料作阳极，用电沉积余属 的盐溶液作电解液，在直流电源的作用下，阳极上的原子交出电子成为金属正离子进 入溶液，并进一步在阴极上还原成金属原子在阴极上逐层沉积，获得电沉积件的电化 学加工方法。 1 8 3 8 年，俄国兜cob u 教授发明了电沉积铜，1 8 4 2 年，德国的b o t t g e r 教授发 明了电沉积镍，1 8 6 9 年，俄国财政部印刷所发明了电沉积铁。 金属电沉积具有复制精度高、重复精度高、表面粗糙度小、应用广泛等特点。它 主要用于复制精细表面轮廓花纹、复制注塑模具、制造电火花加工电极模具、制造复 杂高精度的空心薄壁零件。 金属电沉积虽然具有很多优点，但和其他制造技术一样，自身也存在一些缺点和 局限性，主要表现在：阴极的工作电流密度低，一般只有每平方分米几安培到几十安 培，限制了线沉积速度的提高。阴极的形状结构和表面的微观不平引起的电场和电流 密度的分布不均匀或变化急剧，导致沉积层均匀性差。电沉积过程中的析氨和电流密 度的限制引起的麻点、针i l 、结晶粗大等沉积层缺陷。 1 2 2 射流电沉积 针对传统电沉积的问题，国内外研究者提出了各种解决方案，如加强对电解液的 搅拌、使用脉冲电流进行电沉积、组合电沉积和电解液高速射流等方法。1 9 6 2 年 b o o k e r 和s t i c k l e r 在半导体表面电解抛光巾首次采用了电解液射流技术，a l k i r e ( 1 9 8 2 ) 、d a t t a ( 1 9 8 9 ) 和k u n i e d a ( 1 9 9 3 ) 的研究表明电解液高速射流技术的高电流密 3 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用 度特性更适合于电沉积。 射流电沉积是将含有沉积层盒属离子的电解液以高速射流方式喷向阴极，制取特 定成分、性能、形状的金属的电沉积方法。这种方法可以有效的解决传统电沉积过程 中线沉积速度低、沉积层不均匀和沉积层容易出现缺陷的问题，具有以下优点： 电解液以高速射流方式喷向阴极，提高了电解液中金属离子的迁移速度，使 阴极“电极溶液界面”的离子数量迅速得到补充，有效的抑制了由于盒属离 子迁移缓慢造成的浓差极化。同时，高速射流降低了扩散层的厚度，使极限 电流密度得到了提高，从而提高了线电沉积速度。 电沉积中阴极的极化主要由浓差极化和电化学极化共同引起，而在射流电沉 积中，浓差极化被大幅度削减，因此阴极极化以电化学极化为主，极化过电 位降低，从而较好地抑制了析氢，提高了电流效率。 高速射流使析氢难以附着于阴极，抑制了沉积层缺陷。极化过电位的降低使 金属电结晶的临界尺寸减小、形核几率提高，从而使沉积层致密、品粒细化， 提高了沉积层质量。 1 2 3 射流电沉积快速成形 快速成形技术从快速原形、快速工具发展起来，随着该技术与相关技术的不断进 步，金属零件的快速制造成为当前快速成形领域的研究热点和快速成形技术的最终目 标之一。国内外研究人员提出了多种直接金属型快速成形方法其中射流电沉积快速 成形是直接金属型成形的一个方向。1 9 9 5 年，b o c k i n g 将喷射电解液技术与快速成形 技术相结合，首次提出了射流电沉积快速原形技术的概念并进行了相关试验研究。 1 9 9 8 年m a s a n o r i 和k u n i e d a 在射流电沉积快速成形过程中采用了一定间隔时间 内电解整平修复的方法在定程度上提高了沉积层的厚度。 射流电沉积快速成形是基于离散堆积原理，通过离散零件的计算机c a d 三维模 型得到成形加工轨迹，然后在计算机的控制下按照成形加工轨迹将含有沉积层金属离 子的电解液以高速射流方式有选择地喷射到阴极形成一个电沉积层，如此逐层堆积成 形直接金属型的快速成形方法。 1 3 快速成形控制系统概述 快速成形控制系统是快速成形系统中对离散堆积全过程进行数据处理和成形控 制的部分。快速成形技术要求将计算机c a d 三维模型进行离散，再将材料精确地堆 积可见控制技术是快速成形的重要支撑技术之一，高可靠性和高精度的控制系统是 快速成形技术产生和发展的关键要素。 1 3 1 快速成形系统的一般组成 快速成形分为l o m 、s l a 、f d m 、s l s 等几大类他们的成形原理既有共性又 4 南京航空航天大学硕士学位论文 有差异，因此系统的功能既有通用性又有特殊性。快速成形系统应当能够进行用户交 互，并根据输入的标准格式的数据文件( s t l 文件、c l i 文件) 进行相应的数据处理， 按照扫描方式生成扫描轨迹，并转化为本系统能够执行的指令，然后控制运动部件、 扫描部件、专用执行部件( 如激光器、扫描头、送丝头等) 以及辅助部件完成成形加 工任务。 快速成形系统般由机床机械本体、伺服扫描机构、运动控制与信号检测控制 器、控制计算机、专用执行部件、操作系统平台、数据处理软件、成形控制软件、支 撑软件等组成。 1 3 2 快速成形控制系统的结构 一般来讲，快速成形控制系统由运动控制与信号检测控制器、控制计算机等硬 件幕i 操作系统、数据处理软件、成形控制软件和支撑软件构成，这与一般的c n c 系 统相比既有共性也有特别之处。快速成形技术是一种直接用c a d 模型驱动的、山计 算机控制的快速制造三维零件的先进制造技术，c n c 加工技术是一种山计算机数字 控制进行冷加工的技术，它们都是用数字化信号控制执行部件完成零件的加工。 快速成形技术的材料处理维数都是二维的，即将一个零件的c a d 三维模型进行 离散化处理成二维平面，再由二维平面堆积成一个物理的三维实体。从信息处理和运 动控制的角度来看，具有2 5 轴以上联动功能的c n c 系统可以完成快速成形控制过 程。因此，快速成形的成形控制可以采用具有二轴及以上联动功能的c n c 控制系统 完成。显然c n c 控制系统是快速成形装置中的必要组成部分，是快速成形的关键 技术之一，集成快速成形的专用执行部件，就能完成快速成形的加工任务。快速成形 的各种工艺都是通过控制系统具体实现的，因此，快速成形控制系统的性能直接影响 成形的速度、精度、表面质量等多项工艺指标。 快速成形控制系统按照控制的层次可分为单一层次控制的和上下位机两层控 制，如华中理工大学的l o m 系统，南京航空航天大学的r a p 系列s l s 快速成形系 统，清华大学的m r p m s 多功能集成系统、上海交通大学f d m 系统。 单一层次控制的结构，其数据处理、用户交互和轨迹扫描都由一个c p u 完成控 制，通过接口控制卡或并行接口对底层进行控制，所有的运算都由计算机完成，控制 忙和并行接口只起到计算机的外设接口作用，负责将电机的驱动脉冲和激光器的丌 关、功率控制信号从计算机总线传送到电机驱动器和激光器电源。控制卡不进行插补 运算，只是将位置、速度、温度等检测信号送到计算机总线上。 采用上下位机控制的结构，其上层主机采用p c 机，下层予机采用单片机或d s p 等微控制器。主机、子机以特定的通信协议进行双向通讯，构成并联的双层系统，整 个控制系统设计带有分布式控制系统的特征。 主机完成计算机c a d 三维模型的数据处理和总体控制任务，实现人机交互，提 供各种可选的加工参数，将模型数据处理并生成符合快速成形工艺特色的c n c 信息， s 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应j ； j 将获得的c n c 信息传给子机，对成形情况和运动状态进行监控。予机进行成形运动 控制，主要任务为运动控制，按照预定的顺序与主机相互触发，响应主机传输的控制 命令，实现c n c 信息和运动参数的接受，对成形运动状态进行控制。 1 4 本文的主要研究内容 本文是国家自然科学基金资助项目“射流电铸快速成型研究及生成纳米品金属零 件的探索”( 课题号：5 0 1 7 5 0 5 3 ) 的一个组成部分主要研制射流电沉积快速成形的 设备。 在众多的制造技术中，电沉积技术由于具有极高的复制精度和重复精度而得到了 广泛的应用但它存在着线沉积速度低、铸层均匀性差等问题。为了解决这些问题， 国内外的研究人员从上世纪a - i 。年代展开了射流电沉积的理论和实验研究，并取得了 一些研究成果。与此同时，快速成形技术从快速原型向直接金属型快速成形发展，并 成为该领域的研究热点。射流电沉积技术可以大大提高线电沉积速度，改善铸层质量， 形成致密的纳米化沉积层，结合快速成形技术在计算机控制下有选择地进行射流电沉 积是探索直接金属型快速成形的新途径。 射流电沉积快速成形控制系统是射流电沉积快速成形的实验基础和关键技术之 一。本文在般的快速成形控制技术和数控技术的基础上，结合射流电沉积快速成形 的自身特点，研究了射流电沉积快速成形控制系统的组成和功能，设计并实现了控制 系统。本文的主要研究内容如下： 结合快速成形技术和射流电沉积技术，探索一种新的直接金属型快速成形的 工艺方法一射流电沉积快速成形。 提出了计算机c a d 三维模型几何信息的数据处理和射流电沉积快速成形现 场控制相分离的、以i s o 数控代码作为数据接口的分布式控制系统体系结构。 采用了分布式的体系构架和组件技术实现了控制系统的数据处理予系统，实 现了数据处理的相关算法。 采用了开放式系统的设计思想，使用n c + p c 的控制模式、面向对象的模块 化设计、多线程及同步技术实现了控制系统的现场控制子系统。 进行了射流电沉积快速成形工艺实验得到了基本实验结论和金属铜的快速 成形样件，验证了控制系统良好的应用性。 本文共分为六章，主要章节安排如下： 第一章绪论介绍了快速成形、射流电沉积和快速成形控制等技术的概念和发展， 并对本文的主要研究内容作了介绍。 第二章射流电沉积快速成形系统介绍了射流电沉积快速成形系统的组成和功 能。 第三章射流电沉积快速成形数据处理予系统阐述了分布式体系结构的数据处理 6 南京航空航天大学硕士学位论文 子系统和主要的数据处理算法。 第四章射流电沉积快速成形现场控制子系统阐述了n c + p c 模式的现场控制予 系统和所使用的关键技术。 第五章射流电沉积快速成形系统的应用进行了射流电沉积快速成形工艺实验， 得到了金属铜的快速成形样件，对控制系统进行了验证。 第六章总结与展望全文的总结和前景的展望。 7 射流电沉积快速成形控制系统的研究与戍用 第二章射流电沉积快速成形系统 射流电沉积快速成形是射流电沉积技术与快速成形技术相结合的直接金属型快 速成形的新工艺。射流电沉积快速成形以计算机c a d 模型驱动，对模型进行数据处 理，将其离散形成指示扫描轨迹的数控代码，以此数控代码为标准数据接口在现场计 算机的控制下按照数控代码指示的轨迹，将含有沉积层金属离子的电解液以高速射流 方式有选抒地喷射到阴极形成一个电沉积层，并逐层堆积成形直接金属型。射流电沉 积快速成形系统就是完成此工艺的设备。 2 1 射流电沉积快速成形系统的组成和特点 射流电沉积快速成形系统是一种由计算机控制的设备，由机床机械木体、电解液 喷射装置、电解液温度控制装嚣、阳极腔及喷嘴、脉冲电源和计算机控制系统等几部 分组成。计算机控制系统由数据处理子系统和现场控制子系统组成，两个子系统以 i s o 数控代码为数据接口，通过以太网或其它媒质传输数据。射流电沉积快速成形系 统的组成示意图如图2 - 1 所示。 矶抹z 辄 刖极腔 i 笔釜i 罡喷嘴l r 一 + ll 一 蜥 威 、 厕鞴 w 极板一 送渡管 画收槽j 谴vl墨篓 k 髻弋以太网卢剖 目e i 叫渡管i雨 一 嵌 p c l - 8 3 9 机床x - y z 作台 砧 直槽5 u 控制卡的工控机 液泵l 射流电沉积快速成形 数据处理予系统 射滤电沉积快速成彤 现场控制予系统及其它 图2 - 1 射流电沉积快速成形系统组成不意图 射流电沉积快速成形系统与一般的数控机床有一定的共同点，如机械本体、计算 机控制系统、伺服系统、执行机构等。由于采用的是射流电沉积增材制造，不同于车、 铣、刨、磨等去材方式的冷加工方法，因此射流电沉积快速成形系统有一些不同于 一一般数控机床的特点。 系统应具有对计算机c a d 三维模型进行分层切片生成层面信息，再对层而 信息进行离散生成扫描轨迹的数据处理功能。 系统应具有一般数控机床的程序控制功能，保证成形精度和形状，满足不同 南京航空航天大学硕+ 学位论文 扫描方式的工艺要求。 射流电沉积存在定域性问题，且定域性与喷嘴高度存在一定的关系，因此， 要求系统能够按要求对喷嘴高度进行调节。 射流电沉积是一种电化学加工，系统应具有电源、阴极、阳极和电解液组成 的“电解池”体系。电解液具有一定的腐蚀性，机床部件应具有一定的抗腐 蚀性。 射流电沉积的电解液是循环使用的，因此系统应具有电解液循环、流量调节 和温度控制装鼹，且具良好的抗腐蚀性。 射流电沉积快速成形系统的实物图片如图2 2 所示。 图2 - 2 射流电沉积快速成形系统的实物图片 2 2 射流电沉积快速成形系统的控制部分 射流电沉积快速成形控制系统是一种快速成形控制系统，由数据处理予系统和现 场控制子系统两部分组成。具有计算机c a d 三维模型的数据处理、扫描运动控制、 喷嘴高度调节、射流电沉积电源控制等功能。 2 2 1 控制系统的分布式结构 通常的快速成形系统是将数据处理和成形控制集成在同一台计算机上完成的，即 直接以计算机c a d 三维模型的s t l 文件为输入数据，进行数据离散处理后，控制设 备进行材料堆积，这种结构的控制系统通常自行约定层面和轨迹信息的表示形式，只 能针对某种快速成形方法进行控制，通用性较差。 本文采用了几何信息数据处理和现场成形控制相分离的、以数控代码为数据接口 的分布式控制结构，即数据处理和现场控制分别在不同的计算机和平台上进行，各自 完成相应的任务，采用这种结构有以下优点： 有利于大数据量的处理，计算机各司其职提高了数据处理的效率和精度， 避免了相互干扰。 q 射流电沉积快速成形控制系统的研究与麻用 两个子系统之问采用标准的数据( i s o 数控代码) 指示加工轨迹，提高了数 据的通用性。 降低了子系统之间的逻辑和数据的耦合性，有利于系统的维护和扩展。 有利于实现不同的扫描模式，便于数据处理算法的改进、数据的仿真和错误 的检查。 采用不同的组件，可以完成多种快速成形工艺的数据处理，提高了系统的丌 放性和通用性。 数据处理子系统完成计算机c a d 三维模型几何信息的数据处理，对表示c a d 模型几何信息的s t l 文件进行分层切片，扫描轨迹生成，最后输出数控代码文仆： 现场控制子系统完成射流电沉积的现场成形控制，根据数控代码文件指示的加工轨迹 控制扫描运动，将电解液有选择地喷射到阴极上形成一个金属电沉积层，并逐层堆积 成形直接金属型。 射流电沉积快速成形控制系统的工作流程如图2 3 所示。 厂一一一一爵磊毛i ；磊丽i j 石i 埘一一一一? 刭母匿习固 c a d - - - 维模型i ( 数据接口) 直接彘属型 图2 - 3 射流电沉积快速成形控制系统的工作流程 2 2 2 数据处理予系统 数据处理予系统主要完成对计算机c a d 三维模型几何信息的处理，将其离散为 扫描轨迹，并输出标准形式的数控代码，作为现场控制子系统的数据接口，然后由现 场控制予系统按照数控代码指示的轨迹完成射流电沉积扫描。 计算机c a d 三维模型可以采用三维造型软件( 如u g 、p r o e 等) 建立，也可以 通过逆向工程的方法获得。然后，将模型转换为s t l ( s t e r e o l i f h o g r a p l l yi n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n ) 格式，将模型实体的表面( 包括平面和曲面) 用三角片集合表示。s t l 格式的文件是系统进行几何信息数据处理的源对象。 数据处理予系统包括计算机、操作系统、支撑软件和数据处理软件等。数据处理 软件以s t l 文件为数据源，对以s t l 格式文件表示的计算机c a d 三维模型进行分 层切片离散得到层面信息，然后对层面信息蒋离散生成层面填充扫描轨迹，并以l s o 数控代码文件作为输出数据。 针对快速成形的几何信息处理的特点，数据处理子系统采用了分布式计算的结构 和组件技术。s t l 文件的数据冗余较大，因此对s t l 文件处理的计算量很大，采用 分布式的计算结构能够提高计算效率和精度。 分布式计算结构可以将大数据冗余的计算分布到网络中的多台计算机或工作站 上进行，使分层切片、扫描轨迹生成和数控代码生成等计算分布地并行进行。网络中 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 的各个计算机采用标准的通讯协议交换数据，这样就将单机串行计算方式转变为多机 并行计算方式，提高了计算效率、计算精度和可靠性。 为了适应不同的工艺要求，提高系统的开放性和扩展性数据处理软件使用了组 件技术，针对不同的工艺要求和计算功能设计相应的组件，每个组件相对独立地完成 特定的任务，系统的组件可以根据需要进行增加和卸除，完成对整个计算流程的控制。 2 2 3 现场控制子系统 现场控制子系统以i s o 数控代码文件为输入数据，按照数控代码指示的轨迹控制 x y 工作台的运动和射流电沉积电源的丌关，使电解液通过喷啪有选择地喷射到阴极 上形成一层金属电沉积，如此逐层堆积形成直接金属型。 现场控制子系统包括工业控制计算机、操作系统、p c l 一8 3 9 运动控制卡、步进电 机及驱动器、继电器和现场控制软件等。在传动方面，使用了滚珠丝杠传动，提高了 传动精度和系统效率，现场控制子系统的x 、y 、z 轴的分辨率达到了0 0 1 m m 。 工业控制计算机是现场成形控制系统的核心。它按照设定的程序对其他装鼹进行 管理和协调。工控机e i s a 插槽中嵌入了p c l 、8 3 9 运动控制卡，工控机对运动轨迹进 行插补计算，然后向运动控制卡发送运动指令。 p c l 8 3 9 运动控制卡负责伺服系统的驱动，控制卡通过e 1 s a 总线与工控机进行 数据通信。控制书按照工控机的指令向步进电机驱动器发送进给和方向脉冲信号、向 继电器发送逻辑丌关信号，同时控制卡将伺服系统的各轴坐标值和状态信息传送到工 控机中进行处理和显示。 步进电机驱动器接收运动控制卡发送的进给和方向脉冲信号，对其进行细分和功 率放大后驱动步进电机平稳、准确的转动，并通过滚珠丝杠转变为工作台的直线运动。 现场控制软件构建在上述硬件平台和w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统上，使用v i s u a lc + + 6 0 集成环境开发而成。软件秉承了开放式数控系统的思想，采用了面向对象的设计 方法和模块化的结构。软件以数控代码为输入数据，完成人机交互、数据校验、数控 代码译码和插补计算等任务，通过程序指令控制硬件进行相应的动作，完成射流f 乜沉 积快速成形。 现场控制软件采用了面向对象的设计方法，对硬件操作细节、内部数据结构和处 理算法进行了封装，各模块之间通过一组标准的接口进行通信和数据交换，从而使系 统具有一定的开放性、可重构性和可扩展性。 2 3 射流电沉积快速成形系统的其它组成部分 其他组成部分包括机床机械本体、电解液喷射装置、电解液温度控制装置、踺 极 腔及喷嘴和脉冲电源等，它们是射流电沉积快速成形系统的执行部件。 机床机械本体对整个系统起支撑作用，采用c 型立柱式、x y 工作台和可升降z 射流电沉积快速成形控制系统的研究与麻用 辘魏缝橡。魄熬滚回波稽羲予x y 王作台上，阳投黢溺定在z 毒l l l 嚣浚主，霹辩缕蠖 和阴搬之间的距离进行调节。 魄瓣渡獯耀装受艇接渡攒、耐瘸 噍磁力泵、过滤器、渡爨计、竣液鸷路、嬲投脏 和喷嘴、电解液回收稽组成。配最好的电解液存放于储液槽中，耐腐蚀磁力泵为电解 液的缀环提供动力，缀过流量诗的调节电解液在管路中达到一定的压力年n 速度进入阳 极腔，然后经融喷臻以高速射流方式喷射蓟丽极上。使用后的电解液程圈收稽中收集 并回流到储液槽中，黢个装鼹采用了防腐蚀材料。 泡亿学反应往往受弱溢度豹影响，因照强须往霜宽勰液派发控嗣装置将奄解滚静 温度调节到设定的范围内。电解液的濑皮控制姨置包括电子温控仪、加热器、热电偶、 继邀器等。 阳极、阴极、脉冲电源和电解液构成“电解池”体系。阳极固定在阳极腔内，使 嚣l 钢糁搀为辍缀，掰梭腔下竣装毒搂骥，疆极淀是电缎滚喷射薅魍最焉锫震媳，豳掇 腔内的阳极金属在电解液中发生氧化反应，并与阴极形成电场，推动电解液巾的盒属 离予迁移至阴极发生还藏反废，生成众矮困棚沉积。 脉冲电源为射流电沉积掇供电化学反应的能源。脓冲电源由变压器、整流滤波f 色 路、场效应管和脉冲按制器缎成。变滕器将2 2 0 v 交流市电变换为射流电沉积舶加工 工作电压，然焉经过熬流滤波电路变为直流电。控制嚣由5 l 荦片+ 梳和外强电潞缀成， 控制器控制场效应管的开关从而实现加工主回路的电流脉冲。电源能够实现对加工脉 冲亳流的脉宽、踩闽耪频率懿调节，箕稼宽帮稼闯镶熬范围为1 2 m s 6 5 5 3 5 m s 。 2 4 本章小结 射流电沉积快速成形系统就是射流电沉积快速成形加工的没备，它主要是由机床 衽t 械本体、电解液喷射装鬣、踩冲电源和计算机投涮系统控制系统等几部分组成。 射流电沉积快速成形控制系统采用t ；：i - 算机c a d 三维模型几何信息的数掘处理 私甜流电流积快速成形袋场控渊稳分离瓣、疆t s o 数控霞码为数援接日鹣分布式 控制结构，较集成式控制结构在系统的开放性和扩展性方面更有优势。 射流态溉狡茯邃裁澎控铡系统由数撂建璎子系绞秘现场控刳予系统嚣大郏分组 成。数据处理子系统完成讨1 算机c a d 三维模型的几何信息的数据处理，输出数控 找玛文馋；瑷场援裁子系统读取数控于璃文 牛宠戴射滚略滚积熬瑰场控剃，成形 崴接金属烈。 射流电沉欢快速成澎系统的其弛缎成部分包括机臻枫被本体、电熊液喷射装鼹、 电解液温度控制装置、阳极腔及喷嘴和脉冲电源等，它们组成“电解池”体系完 成射流电沉积。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章射流电沉积快速成形数据处理子系统 射流电沉积快速成形是基于离散堆积原理的增材制造方法。首先，在计算机巾 将计算机c a d 三维模型的几何信息进行离散生成加工轨迹，然后再进行扫描成形加 工。数据处理子系统完成s t l 文件( 计算机c a d 三维模型的几何信息) 的数据处理， 输出记录扫描轨迹的数控代码文件，然后由现场控制子系统进行成形扫描。 3 1s t l 文件 s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 文件是计靠机c a d 三维模型文件 经过三角化处理后得到的模型文件，是数据处理子系统的数据源对象。s t l 文件格式 首先由美国3 ds y s t e m 公司提出，并逐渐成为c a d 系统与快速成形系统之问的数据 交换标准。 3 1 1s t l 文件的格式 在s t l 文件巾，计算机c a d 三维模型的表面被离散为三角形面片。每个三角形 面片由四个数据项表示，即三角形的三个顶点坐标和三角形面， 的外法线矢量，s t l 文件即为多个三角形面片的集合，s t l 文件有a s c i i 码和二进制码两种输出形式。 s t l 格式的模型如图3 1 所示。 p 1 p 3 图3 - 1 一个球体的s t l 模型 a s c i i 码输出形式可以阅读并能进行直观检查。s t l 文件的a s c i i 码的输出形式 如下： s o l i d f a c e tn o r m a ln in jn k o u t e rl o o p v e r r e xv l xv 1 yv l z v e r t e xv 2 xv 2 yv 2 z v e r t e x v 3 x v 3 y v 3 z e n d l o o p l3 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用 e n d f a c e t e n d s o l i d s t l 文件的二进制码输出形式的结构如下：由8 4 个字节( b y t e ) 组成的题头，其 中，前面8 0 个字节用于表示文件的有关信息，最后4 个字节用于表示小三角形面片 的数目；对于每一个小三角形面片，有4 8 个字节用于表示其法向量的x 、y 和z 分 量以及三角形每个顶点的x 、y 和z 坐标，其中，每个坐标用4 个字节表示：最后有 2 个不用的字节。s t l 文件的二进制码输出形式是用i e e e 整数和浮点数表示的。 3 1 2s t l 文件的数据冗余 在s t l 文件中，由于组成网格的每个三角形的三个顶点的坐标都被记录一次，而 每个表面顶点至少被三个三角形共用一次，导致严重的数据冗余，使形成的s t l 文 件比较大。s t l 文件的数据冗余现象如图3 2 所示。 5 个顶点1 2 个顶点 图3 - 2s t l 文件的数据冗余现象 在对训算机c a d 三维模型进行网格化处理时，为了提高模型的近似精度，必须 采用很细小的三角形面片，这样使s t l 文件的数据量增大，延长了分层处理所需的 时间。当网格过细时，切片程序为了加快数据处理的速度，对数据进行取整处理，带 来表面形状失真的问题。所以用s t l 文件表示的c a d 模型存在一定的误差，进行几 何信息处理时，数据处理的速度和精度存在一定的矛盾性。 3 2 射流电沉积快速成形数据处理子系统的构架 为了提高快速成形几何信息的数据处理效率和精度、提高系统的开放性和扩展 性，减少与现场控制子系统的逻辑耦合、数据耦合和相互干扰，本文采用了分布式计 算体系构架建立射流电沉积快速成形数据处理子系统。 3 2 1j 2 e e 的体系结构 分布式结构将不同的多层应用配冒和部署到按个应用软件中，其体系结构中的各 应用程序拥有各自的接口定义，应用接口之间使用透明的通讯方式接收相应的输入， 处理后返回结果，从而使各个应用程序之间可以协调工作。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 数据处理予系统采用了j 2 e e ( j a v a 2e n t e r p r i s ee d i t i o n ) 分布式解决方案的技术 体系，由表示层、中间层和信息层组成。表示层负责为用户提供图形化的交互界面， 中间层负责实现软件系统的应用逻辑和业务逻辑，信息层负责管理软件系统的数据。 j 2 e e 为基于组件模型设计的分布式软件提供了简单而统一的标准，它既定义了 管理软件的基本框架也定义了创建软件所需要的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 。j 2 e e 的基础框架结构定义了软件的接口、运行环境和基础框架服务，这 样数据处理软件的开发工作只需集中在应用逻辑上。 j 2 e e 定义了一套标准的a p i 服务，每个具体的j 2 e e 应用软件的实现都依赖于这 些扩展集。这些扩展集主要包括： j a v a 数据库连接j d b c ( j a v ad a t ab a s ec o n n e c t i v i t y ) 扩展集。 基于i n t e m e t 对象请求代理协议上的远程方法调用协议r m i i i o p ( r e m o t e m e t h o di n v o c a t i o no v e rt h ei n t e m e ti n t e r - o r bp r o t o c 0 1 ) 。 企业级组件e j b ( e n t e r p r i s ej a v ab e a n ) 。 j a v as e r v l e t 、j a v as e r v e rp a g e s 。 j 2 e e 还定义了包容器( c o n t a i n e r ) 作为通过运行环境访问这些服务a p i 的统一 方式。所谓包容器，就是一种管理应用程序的组件，它提供了访问j 2 e ea p i 的实时 运行环境。 j 2 e e 体系结构中有两种包容器：w e b 包容器和e j b 包容器。w e b 容器能捕获客户 端的请求( 激活相应的j s p 或s e r v l e t ) ，并把处理后的结果回应给客户端；e j b 容器 能对e j b 组件提供事务管理、生命周期管理和组件查询等服务。在部署应用软件时， 通过对这两种包容器采用不同的部署描述符实现不同的部署方案，从而实现不同规模 的应用系统。 采用j 2 e e 体系构架进行分布式计算有以下优势： 完善的组件技术。j 2 e e 的组件体系分为响应h t t p 请求的w e b 组件、实现 分布式计算的e j b 组件和用于常规应用的j a v ab e a n s 组件，这样j 2 e e 可以 采用各种组件技术来支持应用逻辑的构建。 完善的服务技术。服务技术( a p i ) 为组件提供服务，使组件更高效地发挥功能 开发者可以把主要精力集中在应用逻辑的建模和实现上。 完善的通信技术。客户端和服务端可以通过i n t e r a c t 族协议( 如h t t p 、h t t p s 等) 来进行通信，也可以使用远程对象协议如r m i 、r m i i i o p 等来透明她 实现对象之问的交互，从而实现分布式计算体系构架。 3 2 2 数据处理软件的分布式构架 几何信息的数据处理软件在控制器的协调下以s t l 文件为输入数据按照用户设 定的切片厚度对计算机c a d 三维模型进行离散，生成各层的轮廓，然后再按照用户 设定的扫描方式和间隔，对各层进行再离散生成加工轨迹，最后按照加工轨迹和数控 l s 射流电沉积快速成形控制系统的研究与应用 代码集中的指令和格式生成数控代码文件。其分布式构架模型如图3 3 所示。 图3 - 3 数据处理软件的分布式棋，鬯 控制器负责协调和调度各组件的工作，发送和处理w e b 请求，同时控制各管理 器的运行状况。 分层切片管理器完成三维实体向二维离散的过程，以s t l 文件( 计算机c a d 三 维模型) 为数据源进行分层切片，得到各层的轮廓，写入轮廓库文件。分层切片