（机械设计及理论专业论文）基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究.pdf

基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 y 9 4 1 4 9 9 摘要 随着现代科技的飞速发展，激烈的市场竞争要求企业能够根据市场要求，快速 设计、开发与制造新产品，并根据用户意见进行修改，最后形成投放市场的定型产 品。快速成型技术为企业适应市场环境提供了方法，而其中的分层制造技术又因其 成本低廉、成型精度高、效率高等特点而倍受关注。目前，以金属作为造型材料的 研究已成为国内外快速成型技术的研究热点。本文主要研究了基于超声波焊接的快 速数字分层制造方法，提出以金属薄板作为造型材料，以超声波焊接作为各层金属 板之间的连接方法。 三维模型的分层处理是快速数字分层制造技术软件系统的核心部分。本文介绍 了目前常见的用于c a d 模型与快速成型系统之间数据转换的文件格式s t l 文件，并 分析了三维模型的分层处理过程及分层算法。 超声波金属焊接是一种特种加工技术。本文采用了不同的材料和设备，并在试 验中逐步改进工艺，通过超声波金属焊接试验制取试件，继而进行了强度试验和金 相组织分析。试验结果表明，应用超声波焊接来实现金属分层板之间的连接，层与 层的原子能够均匀扩散，金属板之间的界面基本消失，且金属分层板的结合强度较 高，试件性能良好。 在试验的基础上，分析和减小材料的应力集中是十分必要的。本文应用弹塑性 理论，利用a n s y s 有限元分析软件建立模型，确定边界条件，针对超声波金属焊接 过程进行了有限元分析，通过瞬态动力学分析得到了焊接过程中声极和零件的应力 分布情况，为后续的研究做了铺垫。 本文的研究结果证实了超声波焊接是一种较为理想的连接金属薄板的方法，将 其应用于快速数字分层制造方法制造金属零件具有可行性，在工程中具有一定的应 用价值。 关键词： 快速成型；分层制造；超声波焊接 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y ，f u r i o u sm a r k e tc o m p e t i t i o n d e m a n d st h ee n t e r p r i s et od e s i g na n dm a n u f a c t u r en e wp r o d u c t sr a p i d l y ，a n d m o d i f yt h e ma c c o r d i n gt ot h eu s e r so p i n i o n ，a n dt h e nt h ea p p r o v e dp r o d u c t s w i l lb em a d e r a p i dp r o t o t y p e ( r p ) t e c h n o l o g yp r o v i d e sag o o dm e t h o df o rt h e e n t e r p r i s e s t oa d j u s tt ot h em a r k e te n v i r o n m e n t ，a n dt h el a m i n a t e d m 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 o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sl o w c o s t ，h i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c y b yn o w ，i th a sb e e nt h ef o c u so f r pt ou s et h em e t a la sm o d e l i n gm a t e r i a l s r a p i dd i g i t a ll a m i n a t e d m a n u f a c t u r i n gb a s e do nu l t r a s o n i cw e l d i n gw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ， i t w a sp u tf o r w a r dt h a tu s i n gm e t a l f o i l sa sm o d e l i n gm a t e r i a l sa n du s i n g u l t r a s o n i cw e l d i n gt oc o n n e c tm e t a lf o i l s t h es l i c i n go f3 dm o d e li st h ek e yo ft h es o f t w a r es y s t e mi nr a p i dd i g i t a l l a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n g t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es t lf i l e ，w h i c hi sac o m m o n f i l ef o r m a tc o n v e r t i n gd a t ab e t w e e nc a dm o d e la n dr ps y s t e m t h es l i c i n g p r o c e s so f3 dm o d e la n dt h es l i c ea r i t h m e t i cw e r ea l s oa n a l y z e d u l t r a s o n i cw e l d i n gi san o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g t h ep a p e rt r i e d d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n de q u i p m e n t s ，a n di m p r o v e dt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i nt h ee x p e r i m e n t s s p e c i m e n sw e r em a d ei nt h eu l t r a s o n i cw e l d i n ge x p e r i m e n t s ， a n dw e r ea n a l y z e do na d h e s i v es t r e n g t ha n dm e t a l l o g r a p h y t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw h e nt h em e t a lf o i l sw e r ec o n n e c t e db yu l t r a s o n i c w e l d i n g ，t h ea t o m sc o u l dd i f f u s eu n i f o r m l y ，a n dt h ed i f f u s ei n t e r f a c e sn e a r l y d i s a p p e a r e d t h ea d h e s i v es t r e n g t ho ft h em e t a l f o i l si se n o u g h ，a n dt h e s p e c i m e n sh a v eg o o dp e r f o r m a n c e i t i sn e c e s s a r yt oa n a l y z ea n dm i n i m i z es t r e s sc o n c e n t r a t i o n si nt h e m a t e r i a l t h ep a p e ru s e dt h ee l a s t i c p l a s t i ct h e o r y ，c r e a t e dt h em o d e l t h r o u g ha n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n di n d i c a t e dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rd e t e r m i n a t i o no ft h es t r e s sf i e l d si nt h et o pf o i1a n dt h e s u b s t r a t ed u r i n gu l t r a s o n i cw e l d i n g t h ef u l lt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s i i 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 m e t h o dw a se m p l o y e d t h i sw o r kl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r t h es u b s e q u e n t r e s e a r c h t h er e s u l to ft h i sp a p e ra p p r o v e dt h a tu l t r a s o n i cw e l d i n gi sag o o dm e t h o d c o n n e c t i n gm e t a lf o i i s t h em e t h o do fr a p i dd i g i t a ll a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n g b a s e do nu l t r a s o n i cw e l d i n gi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；l a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n g ：u l t r a s o n i cw e l d i n g m 北京工商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 快速成型技术概述 1 1 1 快速成型技术的原理与特点 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来 的一种观念全新的现代制造技术，它在新产品开发过程中带来了显著的经济效益， 因而受到了高度的重视。快速成型技术的基本工作原理是离散与堆积。这种加工过 程可分为前期数据处理( 离散) 和物理实现( 堆积) 过程。首先借助三维c a d ，或用实体 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) 采集得到有关原型或零件的几何形状、结 构和材料的组合信息，并以此建立数字化描述模型。之后，将这些信息输出到计算 机控制的机电集成制造系统，成型工具在运动轨迹的控制下加工层片，并将新的层 片与已成型的部分堆积连接，两个过程循环往复，直到整个零件加工完毕。现在已 经研制成功并进入商业运营的快速成型技术主要有立体印刷( s l a ) 、分层实体制造 ( l o m ) 、熔融堆积制造( f d m ) 、选择性激光烧结( s l s ) 、激光熔覆净成型( l e n s ) 以 及三维打印( 3 d p ) 等“1 。 快速成型技术是计算机技术、数控技术、材料科学、现代光电技术以及机械工 程技术等集成的结晶。它与快速反求技术、快速模具制造技术等一起构成快速成型 制造系统，利用它可以加速产品的设计进程，提高产品的设计质量，还可以降低制 造成本，提前进行零件的配合检查及功能测试，使设计错误在上生产线之前被发现 并得到更正。与传统的制造技术相比，快速成型技术具有以下特点： 1 高度的柔性 快速成型技术最突出的特点是柔性好。它取消了专用工具，在计算机的管理和 控制下可以制造出任意复杂形状的零件。当零件的形状或要求批量改变时，无需重 新设计制造工装和专用工具，仅改变它的c a d 模型、重新调整和设置参数即可制造 出新的零件。 2 技术的高度集成性 c a d 数据转化成s t l 数据后，即可开始快速成型制造过程。c a d 到s t l 文件的转 换是自动完成的，大多数的c a d 软件都具有这个功能模块。而传统的数控加工方法 c a d c a m 存在着c a p p 这个瓶颈，这是由于在切削过程中，机床、刀具、夹具、零件 定位及夹紧等诸多因素使工艺过程的制定复杂化。而快速成型技术越过了c a p p 过 1 基于超声波焊接的快速数字分层制造方珐研究 程，实现了c a d c a m 的无缝连接。 3 快速性 由于快速成型技术是建立在高度技术集成的基础上，加工过程比传统的加工方 法要快得多。此技术可以将三维问题转化为二维问题，从而降低了加工处理的难度， 同时又不受零件复杂程度的限制，特别适合制造形状复杂的零件，且零件的复杂程 度和生产批量及制造成本基本无关。 4 材料的广泛性 快速成型技术可以制造塑料、纸、石蜡、复合材料、陶瓷材料和金属材料的原 型，在某些工艺中还能由液体甚至气体直接生成固体原型，使材料的设备和原型的 加工统一起来，因此该技术可阻广泛地应用于多种材料的成型中。 1 1 2 快速成型技术的研究现状 立体印刷、分层实体制造及熔融沉积等制造技术一般只用来制作非金属零件， 使用光敏树脂、热塑塑料、纸张、蜡、尼龙等非金属材料通过分层造型堆积成所需 的零件，一般用于设计的评估和零件的展示等。近年来，随着工业界对尺寸精确、 表面状况良好、力学性能优异的功能金属零件兴趣的提高，以及技术的进步和新设 备的开发，也出现了一批制造金属零件的新方法。 1 金属板材叠加制造 直接以金属片材为材料，通过激光切割、电弧焊接或粘接剂粘结金属片材成形 金属零件。如日本使用0 2 m m 厚的钢板，板材两面涂敷低熔点合金，通过焊接成形 金属零件“。英国n o t t i n g h a m 大学的p h i l d i c k e n s 和j d s p e n c e r 提出了一种基 于三维焊接成形的方法，利用焊接机器人制造金属模具。这些工艺方法的主要弊端 是金属零件或模具的性能低，难以满足实际需要的技术要求。国内重庆大学提出采 用真空固态压力热扩散连接分层板的新方法，研究表明焊接后堆积成型方向上零件 尺寸变化较小，其误差仅为1 “1 ，目前主要进行了焊缝强度等基础试验。 2 金属粉末堆积成形 主要是采用激光烧结或粘接剂粘结金属粉末成形，典型代表是粉末激光烧结和 三维打印工艺。目前国外基于粉末激光烧结工艺的设备已经商品化，但是只能使用 极其有限的成形材料，难以成形大型的原型。另外由于采用激光烧结设备昂贵，难 以降低制造成本。国内华中科技大学基于激光烧结工艺做了大量高水平的基础应用 2 北京工商大学硕士学位论文 研究。美国麻省理工学院采用三维打印工艺用不锈钢金属粉，在保证金属粉对所喷 射的化学粘结剂具有较好湿润性的条件下制造金属零件。零件再经过去除粘结剂处 理和渗铜处理，便可得到高密度件，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用m 。 3 金属丝材熔融堆积 笃 美国s t r a t a s y s 公司开发出能用熔融堆积制造工艺成形的金属材料，将金属粉 与粘结剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲强度的丝材，供熔融堆积制造设备成形使 用，制造出不锈钢、钨及碳化钨材料的零件叫。 4 金属微滴沉积成形 金属微滴沉积成形主要采用金属液滴沉积喷射的方式直接成形金属零件。美国 s t a n f o r d 大学提出的形状沉积制造工艺。3 ，是以块作为基本成形单位，具有较高的 效率，可以制造大型原型。但由于使用铣床成形基本单位，制造柔性受到限制。美 国c a r n e g i em e l l o n 大学和s t a n f o r d 大学提出的多相组织沉积制造方法，利用等离 子放电来加热金属丝，材料熔积到工件逐渐成型。这种技术仅可在一些小型复杂结 构器件的一次整体制造中使用o “。美国m i t 的液态金属微滴沉积技术，是通过电场 偏转控制金属微滴直接成形生成金属零件，但金属需要熔化“。国内有色金属研究 总院、6 2 5 所和清华大学在激光同轴和偏轴粉末熔覆直接金属堆积成形方面，做了许 多高水平的工作”h 1 。 5 气相沉积成型 美国c o n n e c t i c u t 大学提出了一种基于活性气体分解沉淀的成型技术。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行逐层制造， 通过改变活性气体的成份、温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件 1 5 1 ， 但制造速度慢。 6 精密铸造成形 快速成型技术与铸造技术相结合，是最直接、成本最低、性能最好的工艺方法， 如美国3 ds y s t e m s 推出q u i c kc a s t i n g t m 工艺、无焙烧陶瓷型制造工艺等，但是成 形模具的尺寸精度与表面质量较低，制造周期较长，也难以实现功能梯度材料产品 与模具的快速制造“小“! 。 7 电铸成形 澳大利亚昆士兰州理工大学开发了基于光固化立体造型( s l ) 工艺的电铸制模 1 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 技术，先制造s l 原型，翻制硅胶模，电铸成形镍金属壳，安放金属框架，铝粉增强 的环氧树脂背衬壳层形成模具，可成形0 5 o 8 m m 的铝板。这种方法的优点是精度 高，缺点是成形速度慢、模具寿命有限“”。西交大、南航、大连理工大学等单位作 了大量高水平研究工作。 8 粉末冶金成形 美国3 ds y s t e m s 公司推出的3 dk e l t o o l 和d r e x e lu n i v e r s i t y 推出的快速烧 结制造工艺，都需要翻制硅胶模，得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内 部疏松结构( 约3 0 孑l 隙率) 的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和 机械强度，通过机加工保证模具的精度，其不足是需要高温烧结，工艺复杂。1 。 9 金属沉积成形 东京大学和日产汽车公司的熔射制模法，由于原型耐热性不高，只能熔射低熔 点锌合金，金属背衬采用树脂材料，造成模具的耐磨性和导热性差“。华中理工大 学的张海鸥教授近来开发出直接熔射不锈钢粉末沉积制造皮革模具的方法，西安交 通大学开发出基于电弧喷涂沉积的快速模具制造系统，并也在汽车行业应用啪1 。清 华大学以r p 原型为母模，利用涂层转移法翻制表面合金化的基模，然后利用等离子 喷涂不锈钢粉沉积到基模上，再进行金属材料背衬，制造的模具具有较好的机械性 能嘲一。 综上所述，目前国内外发展了基于快速成型的直接制造与间接快速制造模具技 术。直接制造模具技术目前存在精度低、材料性能差的缺点。熔融堆积金属( 黑色 金属、有色金属以及其它耐高温合金等) 的难度决定了其难以迅速商品化。间接制 造技术由于需要工艺转换，周期长，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质 量好的模具。然而模具存在一个巨大的市场，世界范围内已经达到6 5 0 亿美元产值 的水平，这个市场对于模具加工技术的要求是全面的，如精度、材料、寿命、尺寸、 形状复杂程度以及快速性等。 1 1 3 快速成型技术的发展方向 1 金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术 目前的快速成型技术主要用于制作非金属样件，由于其强度等机械性能较差， 远远不能满足工程实际需求，所以其工程化实际应用受到较大限制。从9 0 年代初开 始，探索实现金属零件直接快速制造的方法已成为快速成型技术的研究热点，国外 4 北京工商大学硕士学位论文 著名的r p 技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。可见，探索直接制造满足 工程使用条件的金属零件的快速成型技术，将有助于快速成型技术向快速制造技术 的转变，能极大地拓展其应用领域。此乡 ，利用逐层制造的优点，探索制造具有功 能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件，也是一个新的发展方向。 2 概念创新与工艺改进 目前，快速成型技术的成型精度为0 0 l 衄数量级，表面质量还较差，有待于进 一步提高，其中最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要。 因此，如何完善现有快速成型工艺与设备，提高零件的成型精度、强度和韧性，降 低设备运行成本是急待解决的。此外，快速成型技术与传统制造技术相结合，形成 产品快速开发制造系统也是一个重要趋势，如快速成型技术结合精密铸造，可快速 制造高质量的金属零件。另一方面，许多新的快速原型制造工艺正处于开发研究之 中。 3 优化数据处理技术 快速成型数据处理技术主要包括将三维c a d 模型转存为s t l 格式文件和利用专 用r p 软件进行平面切片分层。由于s t l 格式文件的固有缺陷，会造成零件精度降低。 此外，由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成型精度。优化 数据处理技术可提高快速成型精度和表面质量。目前正在开发新的模型切片方法， 如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法。 4 开发专用快速成型设各 不同行业、不同应用场合对快速成型设备有一定的共性要求，也有较大的个性 要求，如医院受环境和工作条件的限制，外科大夫希望设备体积小、噪音小。因此 开发专门针对医院使用的便携式快速成型设备将很有市场潜力。另一方面，汽车行 业的大型覆盖件尺寸多在l m 左右，因此研制大型的快速成型设备也是很有必要的。 5 成型材料系列化、标准化 目前快速成型材料大部分是由各设备制造商单独提供，不同厂家的材料通用性 很差，且材料成型性能不是十分理想，阻碍了快速成型技术的发展。因此，开发性能 优良的专用快速成型材科，并使其系列化、标准化，将极大地促进快速成型技术的 发展。 6 拓展新的应用领域 快速成型技术的应用范围正在逐渐扩大，这也促进了快速成型技术的发展。目 5 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 前快速成型技术在医学、医疗领域的应用，正在引起人们的极大关注，许多科研人 员也正在进行相关的技术研究。此外，快速成型技术结合逆向( 反求) 工程，实现 古陶瓷、古文物的复制，也是一个新的应用领域。”。 1 2 课题来源及研究内容 1 2 1 课题来源及选题意义 本论文是国家自然科学基金青年科学基金项目( 编号：5 0 3 0 5 0 0 9 ) 的部分研究 内容。在分层制造工艺中，现有的一个主要问题是金属板材之间的连接问题，目前 的低熔点合金连接、电弧焊接、螺栓紧固连接等方法，难以获得高强度、耐高温的 产品。利用超声波焊接实现片材连接，采用去除加工技术在每层切割出零件或模具 的形状，层层堆积与加工，可获得高质量的制件，是一种高效低成本的快速制造方 法，具有重要科学意义和工程应用价值。 基于超声波焊接的数字分层制造方法的原理是采用薄片材料，如金属、塑料片 材或带材等，材料表面不需要涂覆任何粘接剂，先将片材压实，然后采用超声波焊 接实现层层材料固体连接。每一层完成后，根据c a d 数据信息，驱动刀具进行平面 加工，然后再堆积加工成形新层，直至完成零件与模具的制造。该制造方法的装置 示意图如图卜1 所示。 图卜1 基于超声波焊接的数字分层制造方法系统原理图 从图卜1 可以看出，每一层材料首先进行超声波焊接，然后进行平面切割，完 6 北京工商大学硕士学位论文 成之后由工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和 供料轴，带动料带移动，将新层移到加工区域；然后将工作台上升到加工平面；用 热压辊热压，此时工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在己成型的工件上 焊接新层并切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面焊接、切割完毕，得到分 层制造的实体零件与模具。本方法的工艺流程图如图卜2 所示。 图1 - 2 基于超声波焊接的数字分层制造方法工艺路线 1 2 2 论文的主要内容 本论文主要研究以下内容： 1 超声波焊接快速数字分层制造技术中的数据处理； 2 金属分层板的超声波焊接试验分析； 3 焊接区域的金相组织分析： 4 超声波焊接的有限元分析。 7 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 第二章快速数字分层制造中的数据处理 2 1 引言 基于超声波焊接的快速数字分层制造技术与传统的制造加工方法截然不同，传 统的加工工艺是用专用工具逐渐去除毛坯余量，是通过“去材”过程加工出最终零 件，而分层制造技术则是通过材料从无到有逐层堆积的“增材”过程得到原型。该 技术首先把三维c a d 模型( 电模型) 分解成二维层片轮廓，加工轮廓边界以内的填充 扫描轨迹信息，形成n c 代码后，在计算机控制下，通过扫描头的运动逐层堆积成形 材料，完成三维实体模型( 物理模型) 的建造。为了实现这样一种基于离散堆积概念 的成形过程，首先必须解决三维c a d 模型的分层问题。 2 2 快速数字分层制造中的数据接口及预处理 目前，从c a d 模型到分层制造系统的数据转换处理过程通常有三种方法： 1 由c a d 模型直接分层； 2 先将c a d 模型转化成s t l 文件，再对s t l 文件进行分层； 3 利用反求工程中的c t 、m r i 等分层接口文件进行分层。 在上述三种方法中，目前常用的为第二种方法。s t l 文件是美国3 ds y s t e m s 公 司提出的用于c a d 模型与快速成型系统之间数据转换的文件格式，它得名于该公司 推出的光固化成型系统s t e r e ol i t h o g r a p h ys y s t e m ，即s t l ，现在已经成为了快速 成型技术领域内一个事实上的“准工业标准”。也正是由于s t l 文件的出现，快速成 型技术已经完成了向市场化的转变，并迅速投入到实际应用中。如今，s t l 数据格式 已经被3 0 多家c a d 软件公司所采用，如c a d k e y 、i b m 、i n t e r g r a p h 、c o n t r o la u t o m a t i o n 等公司，而且越来越多的c a d c a m 系统都增加了输出s t l 文件的功能模块，如s d r c 公司的i d e a s 、e d s 公司的u n i g r a p h i c s 、m d t v 公司的e u c l i d 、p t c 公司的 p r o e n g i n e e r 、a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 等等，而且几乎所有类型的快速成型系统 都采用s t l 数据格式。 s t l 文件是对c a d 实体模型或曲面模型进行表面三角形面片离散化后，得到的一 种由许多小三角形面片拟合的三维多面体模型。三角形面片离散化就是用小三角形 面片去逼近自由曲面，逼近的精度通常由曲面到三角形面的距离误差或是曲面到三 角形边的弦高差控制。误差越小，曲面越不规则，所需三角形面片的数量越多，s t l 文件越大。s t l 文件有两种数据格式：一种是a s c i i 格式，另一种是二进制格式。在 r 北京工商大学硕士学位论文 a s c i i 格式中，s t l 文件由文件名、每个三角形面片的法向量、内外环标识以及每个 三角形的3 个顶点坐标逐行表示。每个三角形面片的信息以f a c e tn o r m a l 开头，以 e n d f a c e t 结束。每个法向量以矢量端点的3 个投影坐标表示，矢量的模为1 。顶点 坐标以v e r t e x 开头，记录每个顶点的三维坐标值。在二进制格式中，s t l 文件的存 储方式是：前8 0 个字节作说明用，其后4 个字节用来存放三角形面片的总数，然后 开始记录三角形面片信息( 法向量和三个顶点) ，在每个三角形面片记录结束后，循 环记录三角形面片信息，直至文件结束。采用二进制格式表达s t l 文件时，其数据 量比用a s ci i 格式的数据量小得多，a s ci i 格式的s t l 文件一般是二进制格式的5 6 倍。a s c i i 格式文件可读，多数情况下用于测试和演示，而数据转化和传送大多采 用二进制格式的s t l 文件。 s t l 文件具有以下优点： 1 s t l 文件生成的简单性。几乎所有c a d 软件均具有输出s t l 文件的功能，同 时还可以控制输出的s t l 模型的精度。 2 输入文件广泛。几乎任何三维几何模型都可以通过表面的三角形化生成s t l 文件。 3 具有简单的分层算法。由于s t l 文件数据简单，所以分层算法相对也要简单 得多。 4 模型易于分割。当成型零件很大而很难在成型机上一次成型时，应将模型分 割成多个小的部分分别制造，模型分割对于s t l 文件来说要相对简单。 2 3 三维模型的分层处理 2 3 1s t l 文件分层处理的基本过程 快速成型技术能直接从三维c a d 实体数据生成实体零件，分层算法是快速成型 制造中的一个关键环节。在所有的快速成型工艺中，一个零件的c a d 模型在c a d 造 型软件中生成之后，必须经过分层处理才能将数据输入到快速成型设备中。分层处 理的效率、速度以及所得到的截面轮廓的精度对于快速成型制造来说非常重要。在 分层处理之前一般都要选择一个优化的分层方向。设z 轴轴向为分层方向( 若分层方 向不是z 轴轴向，则先对s t l 数据进行坐标变换，使z 轴轴向成为分层方向) ，层厚 为a z ，零件在z 轴上坐标的晟大值和最小值分别是z 一，z 。分层处理的过程就 是用一系列平行于x 轴和y 轴的平面( 称之为切平面) 与零件的数据模型求交的过程， 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 其基本过程如图2 一l 所示。 图2 - 1 分层算法的程序流程图 2 3 2 分层算法的研究现状及其典型算法分析 为了充分体现快速成型技术的快速性，长期以来人们在研究高效率的切片算法 上付出了很大努力，加上计算机技术日新月异、运算速度不断提高，目前切片速度 北京工商大学硕士学位论文 已有了很大改善。以3 ds y s t e m s 公司的两个分层软件s l i c e r 和c s l i c e 为例，后者 的分层速度大约是前者的四倍，对一个包含1 6 3 3 3 5 个面片的s t l 文件，用s 1 i c e r 在一台1 2 m h z 的工作站上需要2 0 多个小时，而用c s l i c e r 在一台1 5 0 m h z 的工作站 上只需要2 8 分钟，分层的速度十分惊人。 国内各研发r p 系统的单位也都在致力于切片算法的研究，并将成果应用在各自 的成型系统中。目前比较典型和成熟的算法是西安交通大学李占利博士提到并成功 应用到其开发的快速成型系统中的基于三角形面片特征的快速分层算法。 在计算生成每一层的截面轮廓线时，都要先分析每个三角形面片与切平面的位 置关系，若相交，则再求交线，其中可能绝大部分三角形面片与切平面不相交。为 了减少三角形面片与切平面位置关系的判断，加快分层处理速度，可先对s t l 文件 中的三角形面片做特殊的排序处理，以减少每层求交时需进行的三角形面片与切平 面位置关系判断的次数。因此，s t l 文件中的三角形面片的排序处理速度，是影响分 层处理速度的主要因素之一。每一层都需要对计算出的所有交线进行分析处理，生 成截面的轮廓线，截面轮廓线的生成过程是对交线进行首尾相连的过程，它是影响 分层处理速度的另一个主要因素。 针对第一个影响因素提出了基于三角形特征的快速排序算法。设z 轴为分层方 向，从直观上很容易理解与分层处理密切相关的三角形面片的两个特征，即：( 1 ) 三角形面片在分层方向上的高度越高，则与它相交的切平面越多；( 2 ) 三角形面片距 x o y 面越远，则与它相交的切平面距x o y 面越远。在为三角形面片分配存贮空间以及 对三角形面片与切平面进行求交处理时，要注意充分利用这两个特征，以尽量减少判 断三角形面片与切平面位置关系的次数。为了充分利用这两个特征，先引入描述这 两个特征的两个概念，即三角形面片的势及能量，其定义如下：设三角形面片的顶 点z 坐标的最大值为z 二、最小值为z 。，则称( z 一十z m i n ) 1 2 为该三角形面片的势， 称z 二一z 二为该三角形面片的能量。其中，势是描述三角形面片在z 方向高度的大 小，而能量是描述三角形面片在分层方向上跨度的大小。 在势和能量概念的基础之上，提出了基于三角形面片的势和能量的快速排序算 法。设s t l 文件中三角形面片的个数是n ，顶点z 坐标的最大值为z m 一最小值为0 。 首先计算出所有三角形面片的势，找出势的最大值和最小值，确定势的范围，根据 三角形面片的势可以将三角形分成若干个级别( 可以简单的理解成把整个s t l 模型 茔三塑兰垫堡量塑堡婆墼主坌星型垄查鲨堡塞 分成若干段) ，如果某s t l 文件中三角形面片的势在1 到1 0 之间( 不含1 0 ) ，可 以将在0 到0 1 ( 不含0 1 ) 的三角形面片划分为0 级，势在0 1 到0 2 ( 不含 0 2 ) 的三角形为1 级，以此类推，势在9 9 到1 0 ( 不含1 0 ) 之间的三角形面片 划分为9 9 级，总共有1 0 0 个级别。划分原则是：方便程序的设计，能够显著提高 程序速度，间距太小会在划分区域中浪费太多的时间，间距太大就失去了意义。然 后计算出所有三角形面片的能量，找出能量的最大值和最小值，确定能量的范围， 同样根据三角形面片的能量可以将三角形分成若干类，划分原则与级别的划分是一 样的。如果某s t l 文件中三角形面片的能量在l 到1 0 0 之间( 不含1 0 0 ) ，可以将 在0 到1 0 ( 不含1 0 ) 的三角形面片划分为0 类，势在1 0 到2 0 ( 不含2 0 ) 的 三角形为1 类，以此类推，势在9 9 到1 0 0 ( 不含1 0 0 ) 之间的三角形面片划分为 9 类，总共有1 0 个类别。 在对三角形面片进行了分类分级快速排序后，每一个面片信息记录中引入了两 个数据z m i n m i n 和z m a x m a x 。其中z m i n m i n 为同一类面片中排列在该面片之后的下一 级别中的三角形面片的顶点z 坐标的最小值，z m a x m a x 为同一类面片中排列在该面片 之前的上一级别中的三角形面片的顶点z 坐标的最大值。在分层过程中，对某一类 面片进行相交关系判断时，当分层高度z 小于某面片的z m i n m i n 时，显然对排列在 该面片以后的面片，无须进行相交关系的判断。同理，当分层高度z 大于某面片的 z m a x m a x 时，显然对排列在该面片以前的面片，也无须进行相交关系的判断。这样 在分层过程中，随着分层高度的变化，不断调整各类面片中与分层高度相对应的三 角面片，减少了与其它面片不必要的相交关系的判断，从而大大提高了分层处理的 速度。 针对第二个影响因素，提出了截面轮廓线的快速生成算法。首先，为了加快轮 廓线的生成速度，在求三角形面片与切平面交线的过程中规定了交线的起点和终点， 给交线增加了方向特征后在连接各交线时减少了比较次数。 交线段的起终点的定义的原则是：人站在水平的切平面上，从起点走到终点， 左手所在的一侧应该是实体所在的一侧。 起终点的判断可以充分利用三角形面片的法向量信息，三角形面片三个顶点的 顺序与法向量满足左手定则，而法向量的方向是从实体表面指向实体外侧。充分利 用这两个特点，就不难确定交线段的起终点了。 仔细的研究切平面与三角形面片相交的情况，除了特殊情况不考虑，那么就不 北京工商大学硕士学位论文 外乎图2 2 的两种情形：( 1 ) 三角形顶点顺时针排列，法向量从屏幕垂直向外，交 线段j i j 2 中j 1 为起点，j 2 为终点，也就是p 1 p 2 或者p 1 p 3 与切平面的交点为起点， p 2 p 3 与切平面的交点为终点；( 2 ) 三角形顶点逆时针排列，法向量从屏幕垂直向内， 交线段j i j 2 中j 2 为起点，j l 为终点，也就是p 2 p 3 或切平面的交点为起点，p 2 p 1 或者p 1 p 3 与切平面的交点为终点。 切 切制t ，。 警i l i i2 p 1 ( 韬 翅 椰n r j j 2 2p 1 0 图2 - 2 切平面于三角形相交 ( 2 ) 对于三角形顶点p l 不在p 2 p 3 之间的情形，可以通过轮流交换法，将它们变换 成图2 2 的情形，而不会影响三角形的法向量。这样就可以规定：如果p 2 在切平面 以上，那么p 1 p 2 或者p 1 p 3 与切平面的交点为起点；如果p 3 在切平面以上，那么p 2 p 3 与切平面的交点为起点。在记录交点的结构体中加入一个标志位f l a g ，如果f l a g = l ， 表示此点为起点；如果f l a g = o ，表示此点为终点。因此，交点的结构体定义如下： t y p e d e fs t r u c ti n t e r s e c t ( f l o a tx ，y ，z ： i n tf l a g ； 规定了交线段的起点和终点以后，就可以按照求交线的算法将交线段求出来， 在分析界面轮廓线的快速生成算法之前假设交线段已经求解完毕，并且存放在一个 动态链表中( 也可以存放在单独的文件上) 。假设有n 条有向线段，端点x 坐标的取 值范围为o x m a x ，y 坐标的取值范围为0 y m a x 。经过该算法处理后，要得到一个 结果数据文件，该结果数据文件由n 条记录组成，每条记录的数据项依次为有向线 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 段的记录号n r e c o r d 、与该有向线段记录号起点相连的有向线段记录号n l a s t 、与该 有向线段终点相连的有向线段记录号n n e x t ( 如果交线段存放在一个动态数组中， n r e c o r d 、n l a s t 、n n e x t 就是三条线段在数组中的编号) 。在初始状态下，n r e c o r d 与 n n e x t 都为0 ，表示所有的线段都没有确定其连接关系。 该算法的基本原理是：设第i 条交线段的起点为p l ( x 1 ，y 1 ) ，终点为p 2 ( x 2 ，y 2 ) ， 定义一个二维数组x y p x m a x + 1 y m a x + i ( 初值均为0 ) 。若x y p x 1 y 1 等于0 ，则 令x y p x 1 y 1 = i ，即让其等于第i 条交线的记录号；若x y p x 2 y 2 不等于0 ，则 记录号为x y p c x 2 y 2 和i 的交线段极可能相连接，读取其坐标进一步核实并确定连 接关系。这样在读一遍交线数据后，就几乎得到每条线段描述其连接关系的两个数 据( n l a s t 和n n e x t ) ，从而极可能确定多条交线之间的连接关系。 在快速排序算法和截面线快速生成算法的基础上，得到了基于三角形特征的快 速分层算法。此算法的提出大大加快了分层处理的速度，而且在求交线的过程中给 交线段定义了起点和终点，这样在半径补偿的时候就无需再进行内外轮廓的识别。 虽然该算法在原始算法的基础上大大提高了分层处理的效率，但由于没有用到三角 形面片之间的毗邻关系，在处理海量的s t l 文件的过程中就显出了其处理速度的局 限性。 重庆大学易树平教授针对以金属板材为造型材料的分层快速制造方法中存在的 问题，提出了新l o m 方法，指出了新l o m 方法对分层切片参数的要求，推导出一种 分层切片算法晒1 。该算法除了求出造型曲面的c a d 模型与分层平面的封闭相交曲线 外，还应求出相交曲线处造型曲面的曲面特征，即相交曲线任意位置处造型曲面的 切平面和法线方向，曲面法线与分层平面的夹角口以及z 向法截线的曲率半径。其 参数的计算如下： 1 1 分层切片轮廓线的求解 ( 1 ) 交点计算 分层切片轮廓线的求解实际上是分层平面与s t l 文件中部分三角形面片的求交 过程。图2 3 为分层平面与其中一个三角形面片的求交处理示意图，分层平面与边 1 2 的交点e 的坐标由式( a ) 确定： 1 4 北京工商大学硕士学位论文 h ：x ，+ 尘兰l ( 一一x 2 )】。x l + z l j z l z 2 儿：m + 生l ( y i y 2 ) ( a ) 毛一乃 = 。= h 同样的方法可求得分层平面与边1 3 的交点f 的坐标。 l 竺伯6 图2 - 3 分层平面与三角形面片求交 ( 2 ) 分层切片轮廓线的生成 将获取的交点首尾相连形成封闭曲线，生成分层切片轮廓线：对有多轮廓线的 分层切片还需进行内外轮廓的识别。 2 曲面特征参数的计算 s t l 文件用三角形网格对任意曲面的c a d 模型作小三角形平面近似，也就是所谓 的实体的三角形网格化。s t l 文件中的三角形实际上就是所逼近的曲面切平面的近似 平面。只要s t l 文件的逼近精度足够，就可以认为三角形平面是相应位置处造型陷 面的切平面。 设图2 4 所示三角形面片1 2 3 在s t l 文件中的法向矢量为元( ，z 。) 。该三角 形平面方程为： 并。( x 一五) + y 。( y y 1 ) + z 。( z 一气) = 0 则z x x筮y + 生_ + 丛肼+ = z qz nz nz “ 图2 4 三角形1 2 3 上p 点的z 向法截面t 基于超声波焊接的快速数字分层制造方法研究 令z ：0 ，得到分层板切割加工中绕x 轴的转动分量为：彳：一) 旦 ( b ) z ” 令】，：0 ，z 1 0 分层板切割加工中绕y 轴的转动分量为：口：一立 ( c ) z 月 过三角形顶点1 ( x 1 ，y l ，z 1 ) 的法线方程为：兰1 ：塑：塾 y o 2 0 该法线与分层平面z