（机械设计及理论专业论文）大型薄壳件的特征设计与快速原型制造的应用研究.pdf

摘要 摘要 争5 1 4 3 5 7 激光选择性粉末烧结( s l s ) 快速成型技术涉及到c a d c a m 、激光加工和材料 科学技术。本文从猎豹汽车车身的c a d 建模与内饰件快速原型制造入手，以大型 薄壳件的设计与制造为目的，对s l s 技术中以下三方面问题：基于特征技术的参 数化c a d 模型的建立、s l s 烧结成型的能量传输过程和大型薄壳件s l s 烧结成型 精度和效率的主要影响因素作了深入的研究。具体内容如下： 1 、产品的特征信息模型包含了产品从设计到制造过程中所需相关信息，实现 激光快速成型技术的第一步即构建此模型。本文首先讨论了可用于快速原型的 c a d 三维信息模型的建立，提出了采用特征技术建立零件信息模型的方法，并利 用特征模型实现了不同工业标准下工程图纸的转换。 2 、激光快速原型技术是在产品特征信息模型基础上，采用c a m 技术通过激光 选择性固化烧结成型。因此，本文讨论了激光选择性粉末烧结成型技术中能量的 传输过程，提出s l s 技术中能量的传输应由粉末成型前的预热和成型时的激光多 重扫描加热两部分组成，经过分析对比，得出辐射传热是s l s 技术中粉末受热的 最好方式。 3 、快速原型制造技术是通过激光束扫描直接将产品的特征信息模型分层叠加 而形成产品。大型薄壳件具有体积大、壁薄等特点，其快速原型制造过程中也存 在诸多技术难点。本文从定性和定量两方面讨论了激光扫描参数对激光扫描能量 大小和分布的影响，得出了扫描问隔、烧结厚度与激光功率密度之间呈非线性的 关系，影响激光扫描能量大小和分布的主要因素是扫描间距和烧结厚度，并给出 了实现扫描能量均匀化的扫描间隔与烧结厚度的适宜范围。此外，选取合适的扫 描方式对提高烧结成型精度和成型效率具有重要的意义，提出分区变向扫描方式 能较好的满足大型薄壳件的成型烧结。 最后，在分析了多个主要因素对烧结过程的影响后，结合理论分析和优化后 的 ：艺参数，利用h b l 粉末材料，成功的烧结了大型薄壳件的典型代表一一汽车 仪表板。 关键词：特征技术选择性激光烧结扫描方式成型精度成型效率 a b s t r a c t a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) t e c h n o l o g yi sr e l a t e dt o m a n ys u b j e c t ss u c ha s c a d c a m ，l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，m a t e r i a l s s c i e n c ea n ds oo n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，ac a d f e a t u r em o d e lo f l i e b a oa u t o m o t i v eb o d yi se s t a b l i s h e da sw e l la s t h ea p p l i c a t i o no ft h er a p i d p r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n o l o g yi nt h em a n u f a c t u r eo fs o m e d e c o r a t ep a r t s i no r d e rt or e a l i z et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f l a r g e s c a l et h i ns h e l l p a r t su s i n gs l st e c h n o l o g y ，t h r e ef u n d a m e n t a lp r o b l e m si n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n t o ft h ec a dm o d e lb a s e do nt h ef e a t u r et e c h n o l o g y ，e n e r g yd e l i v e r yo ns l sp r o c e s s a n dt h em a i n l yf a c t o r st h a ta f f e c tt h em o l d i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c yt ol a r g e s c a l e t h i ns h e l lp a r t sa r es t u d i e da sf o l l o w s ： 1 ap r o d u c t sf e a t u r em o d e lc o v e r st h er e l a t i v ei n f o r m a t i o nf o ri t sd e s i g na n d m a n u f a c t u r e ，s oi t i st h ef i r s ts t e pt oe s t a b l i s ht h ec a d t r i a x i a l i t yi n t e l l i g e n c ef e a t u r e m o d e li nr p t e c h n o l o g y ，w h i c hi sc o m p l e t e df i r s t l yi nt h e d i s s e r t a t i o n t h em e a s u r eo f t h ei n s t i t u t i o no ft h ep a r t si n t e l l i g e n c em o d e lu s i n gf e a t u r et e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d u s i n g s u c hm o d e l ，a n e n g i n e e r i n gd r a w i n g c o n v e r s i o nu n d e rd i f f e r e n t i n d u s t r y s t a n d a r di sr e a l i z e d 2 a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef e a t u r e m o d e l ，t h r o u g h c a mt e c h n o l o g y , p r o t o t y p em a t e r i a l sa r es o l i d i f i e da n dm o l d e dh e a t i n gb yl a s e r ，w h i c hi st h ep r i n c i p l e o fr p t e c h n o l o g y t h ee n e r g yd e l i v e rp r o c e s so nr p , e s p e c i a l l ys l si ss t u d i e d t h e e n e r g yd e l i v e ro ns l si s d i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei st h e p r e h e a t i n gb e f o r et h e p o w d e rm o l d i n g ；t h eo t h e ri st h el a s e rm u l t i s c a n n i n gh e a t i n gd u r i n gm o l d i n g a f t e r a n a l y z e ，i ti s d r a w nac o n c l u s i o nt h a tr a d i a t i o ni st h eb e s th e a te x c h a n g ew a yf o r p o w d e r i ns l s t e c h n o l o g y 3 l a r g e s c a l e t h i ns h e l l p a r t s a r ec h a r a c t e ra si n l a r g e v o l u m ea n dt h i nw a l l w h i c hi n d u c es o m et e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e si nt h er pm a n u f a c t u r ep r o c e s sb e c a u s eo f i t s l a y e r e do v e r l a pm a n u f a c t u r ep r o c e s s t h el a s e rs c a n n e rp a r a m e t e r si n f l u e n c i n go n l a s e rs c a n n i n ge n e r g ya n di t sd i s t r i b u t i o na r ed i s c u s s e dq u a l i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l y i ti sr e v e a l e dt h a tt h er e l a t i o no fl a s e rp o w e r d e n s i t yw i t hs c a n n i n gs p a c ea n ds i n t e r i n g t h i c k n e s si sn o n l i n e a r af e a s i b l er a n g eo ft h es c a n n i n gs p a c ea n ds i n t e r i n gt h i c k n e s s t or e a l i z et h e s c a n n i n ge n e r g yu n i f o r m i t y i s p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，i n o r d e rt o u a b s t r a c t i m p r o v e t h e m o l d i n gp r e c i s i o n a n d e f f i c i e n c y ，i t i s i m p o r t a n t t o s e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t es c a n n i n g m e t h o d i tr e v e a l st h a td i r e c t i o n a d j u s t a b l e z o n e p a r t i t i o n s c a n n i n gi st h eb e s tw a y t om e e tt h er e q u e s to ft h em a n u f a c t u r eo ft h el a r g e s c a l et h i n s h e l lp a r t s t h ei n f l u e n c e so ft h em a j o rf a c t o r si nt h ep r o c e s sa r ea n a l y z e di nt h el a s tp a r to f t h ed i s s e r t a t i o n as e r i e so f e x p e r i m e n t s ，w i t hh b i p o w d e r a sp r o t o t y p em a t e r i a l ，h a v e a l s ob e e nm a d e t oo p t i m i z et h es i n t e r i n gp r o c e d u r e ，i m p r o v e m e n tm e a s u r e sh a v e b e e n p u tf o r w a r d o nt h eb a s i so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a ld a t a a tl a s t ， a t y p i c a ll a r g e s c a l et h i ns h e l lp a r to f l i e b a oh e a d e rb o a r di ss i n t e r e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：f e a t u r et e c h n o l o g y s l s s c a n n i n g m e t h o d m o l d i n gp r e c i s i o n m o l d i n ge f f i c i e n c y i i i 大型薄壳件的特征设计与快速原型制造的应用研究 ( 摘要) 研究生：鞠春雷 指导教师：刘子建教授 提要 粉末利料激光选择性烧结( s l s ) 技术是一二十1 廿纪九十年代发展起来的崭新的 制造技术。经过十多年的发展，取得了很大的进展，但是由丁其l 嗣有的复杂性，在许多方 面还需要进一步的研究。本文在综述，特征建模技术利快速原型技术的发展历张的基础上， 从猎豹汽印车身的c a d 建模山发，探讨了可州丁快速原型制造技术的零什特征模型的建立， 使得特征技术与快速原型技术有机的结合；以猎豹汽币仪表扳为典型代表的人型薄壳什的 快速原型制造为目的，就s l s 烧结过程的能量传输以及人型薄壳什烧结成型精度平成型效 率的主要影响冈索作了深入的研究为s l s 技术烧结成型人型薄党什提供了理论承l 实验依 据。 关键词 特征技术选抒性激光烧结扫描方式成型精度成型效率 第一章概述 论述了特征建模技术的发展历程，重点阐述了特征的定义与分类以及基丁特征的设计 与产品的特征信息模型的建立。论述了快速原型技术的产生背景、成型原理以及此技术与 传统加l ：技术的主要区别，介纠了快速成型技术的典弛l 艺以及其住l ：业中的主要麻川， 重点介皇 了粉末材料的激光选择性烧结l ：艺的国内外研究现状以及发展趋势。最后介绑了 本文的课题来源、意义和鼠的，并对本文的研究重点作了归纳。 第二章基于特征技术的参数化模型的建立 产品的特征信息模型包含了产铺从设计到制造过程中所需相关信息，利川特征技术建 立产品的信息模型是实现激光快速成型技术的第一步。本章从拯体山发，在原j ：程图纸的 基础上，规划了猎豹汽车车身覆盖1 ，| ：和内饰什建模流程和整体思路，讨论了可川丁快速原 删的c a d 二维信息模型的建立，提山了采刚特征技术建立零件信息模猖的方法，建立了猎 豹汽下乍身覆盖什和内饰件特征序，实现了零1 ，1 ：的参数化管理，爿：以仪表盘这一内饰什为 例具体介t 了建模过群同时，利_ l ：l j 特征模型的2 d - 3 d 的关联性实现了不同川k 标准p f 】鼙i 笙l 纸的转换 第三章s l s 烧结过程的热作用分析 激光伙述原型技术是在，“t 铺特征信息模刑基础上采川c a h 技术通过激光选择性同化 烧结成型。冈此，研究烧结过程中的能量传输过程，对丁控制产品的成型过程是1 | 常重要 的。本章从对能馘传递的基本方式导热、对流和热辆射的分析入手，讨论了激光选择性粉 末烧结成型技术中能量的传输过稗，提山s l s 技术中能量的传输应由粉末成型前的预热羽i 成型时的激光多重扫描加热两部分组成，提山热辐射传热方式是s l s 技术中粉末受热的最 好方式；成型时的激光多重扫描加热可以有效的维持成型过程中的成型件传热体系的平衡； 有利丁提高激光功率密度的均匀程度；得山影响激光功率密度分布的主要冈素有扫描间隔、 激光功率、扫描速度与成型速度等，为进一步优化烧结i ：艺参数提供了有价值的参考。 第四章大型薄壳件s l s 烧结成型精度和效率的研究 人型薄壳什具有体积人、罐薄等特点，其快速原刑制造过程中也存在诸多技术难点。 本章介绍了激光快述成型技术的s l s 烧结1 ：艺，探讨了激光扫描方式对制什精度平效率的 影l 响，提出激光扫描方式的合理选抒是人型薄壳什的成型关键所在。提分区变向j = 二| 捕方 式能较好的满足人型薄壳1 ，| ：的成型烧绱：同时从定性和定量两方面讨论了激光扫描参数对 激光扫描能埘人小和分稚的影1 9 f i ，提山了扫描间隔、烧结厚度与激光功率密度之间的大系 是非线性的影响激光扫描能量人小和分布的主要冈素是扫描间距和烧结厚度，井给山了 实现扫描能越均匀化的扫描问隔与烧结厚度的适宜范嗣。在此基础上，通过试验进一步优 化l ：艺参数以控制人弛薄壳件成型精度和效率。最后，在分析了多个主要冈素对烧结过程 的影响后，结合理论分析和优化后的i ：艺参数，利川h b l 粉末材料。成功的烧结r 人型薄 壳件的典型代表一一汽乍仪表扳。 第五章全文总结( 略) 参考文献( 略) 致谢( 略) 答辩时间：啊二oo 二年五月 湖南人学硕士学位毕业论文 第一章概述 1 1 特征技术综述 1 1 1 特征建模技术的发展历程1 2 1 1 3 】1 4 】6 1 1 7 】 建模技术是c a d ( c o m p u t e ra id e dd e s i g n ) 的核心技术，建模技术的研究、 发展和应用历程也就代表了c a d 技术的研究、发展和应用。从2 0 世纪5 0 年代至 今，建模技术的发展经历了二维建模、三维几何建模( 包括线框建模、曲面建模、 实体建模) 、特征建模( 包括参数化、变量化建模及产品集成建模) 的发展过程。 二维建模是最初的c a d 技术用来解决二维绘图问题的，出发点是用传统的三 视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，使得设计工程师摆脱繁琐、 费时、绘制精度低的传统手工绘图。这种以二维绘图为主要目标的算法一直持续 到7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应 用较为广泛的软件是c a d a m 。6 0 年代将其发展为三维几何建模技术，可分为线框 建模、曲面建模和实体建模。线框建模是以线来构造三维物体，以线段、圆、弧 及一些简单的曲线为描述对象，利用产品形体的棱边和顶点来表示产品的几何形 状。其主要算法是空间自由曲线的拟合，表达相对简单。这种初期的线框建模系 统只能表达基本的几何信息，不能表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的 表面信息，不能为同一时期兴起的数控加工技术提供形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期，当时只能采用 多截面视图、特征纬线的方式来近似表达飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲 面问题，在制造上依赖于用油泥模型来近似模拟睦面，这种表达的不完整性，经 常导致制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。为此， 人们开始研究新的更先进的描述手段一光滑曲面。法国的贝塞尔于1 9 7 1 年发明 了种用控制多边形定义曲线和曲面的方法；8 0 年代后期皮格尔和蒂勒提出非均 匀有理b 样条( n u r b s ) 方法，并成为当时自由曲线和曲面描述的最广为流行的技 术。用n u r b s 可统一表示初等解析曲线和曲面以及有理与非有理b e z i e r 、非有理 b 样条曲线和曲面。表面造型是在线框造型的基础上发展起来的，它用有向棱边 围成的部分来描述形体表面，用形体表面的集合来定义形体。由于表面造型比线 框造型增加了有关面边( 环边) 信息以及表面特征、棱边的连接方向等内容，从而 可以满足曲面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等应用，使在c a o 阶段建 第一章概述 立的模型数据在c a m 阶段可用，表面造型在工程中得到广泛的应用。但由于曲面 模型只能表达形体的表面信息，对有限元及零件的物性计算等方面无从开展，满 足不了工程优化设计的需求。但表面造型的出现，标志着计算机辅助设计技术从 单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零 件的主要信息。有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决，同时也使得c a m 技术 的开发有了现实的基础，有人称之为第一次c a d 技术的革命。当时典型的软件是 c a l i a 。7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，c a e 、c a m 技术也 开始有了较大发展。采用曲面建模技术产生的表面模型只能表达形体的表面信息， 难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利，最 大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索， s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。实体造型给出了表面间的相互关系等拓扑信息，在设计和加工 上可以减少数据的损失，保持数据的完整性。实体造型常用的表示形式有构造的 实体几何( c s g ) 表示、边界表示( b - r e p ) 和扫描表示，其中最主要的运算有形体的 求交运算、集合运算和欧拉操作。为了统一几何建模的表示，s d r c 公司还研究开 发了新的算法即非均匀有理b 样条( n u r b s ) 算法。这种算法在几何建模中起到了 重要的作用。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于 统c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性；其代表着未来c a d 技术的发展方向，标志c a d 发展史上的第二次技术革命。但是新技术的发展往往 是曲折与不平衡的，实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带 来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型所需计算量与计算 机运算速度很慢之间的矛盾，大大制约了实体造型技术的进一步发展。 8 0 年代后期，c i m s 技术得到了长足发展，这就要求传统的造型系统除了满足 自身信息的完备性之外，还必须为其它系统，如c a p p 、p d m 、e r p 、c a m 等提供反 映设计人员意图的非几何信息，如公差、材料等。前面的三种造型方法，都是从 几何的角度出发，而对于非几何信息，如尺寸、材料、公差、工艺、成本等，则 没有反映，因而实体的信息是不完整的。因此，必须开发取代现有实体造型的支 撑系统，为c a d c a m 系统提供完备的和多层次的产品信息。使c a d c a m c a e p d m 等集成，以至c i m s 的实现走向现实。在这种需求的推动下，出现了特征造型技术。 特征造型是用较高层次的、语义丰富的特征来代替简单的原始的几何元素作为基 本元素，通过一定的组合法则来建模。其已经成为c a d c a m 方面一个实用性很强 的研究与应用的热点，特征建模成为主流，而参数化、变量化等技术的发展伴随 2 湖南大学硕士学位毕业论丈 着这一发展过程。参数化技术是指用一组参数来约定结构形状比较定型的尺寸关 系，设计结果的修改受尺寸驱动，是基于全尺寸约束的设计，即设计者在整个设 计过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来控制形状，通过尺 寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸为出发点。这种技术的不足在于旦所 设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，无法改变这些尺寸以达到所需 要的形状的要求。再者，如果设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些 约束的几何特征就会造成系统数据混乱。为此，产生了一种更为先进的实体造型 技术基于特征的变量化技术，即通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和 形状，有更大的自由度修改设计对象。约束方程可以是几何关系，也可以是工程 计算条件，设计结果的修改受约束方程的驱动。特征建模技术是c a d 技术的第三 次革命。此技术是在c a d c a m 技术的发展和应用达到一定水平，要求进一步提高 生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的，包含了产品的特 定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求等；实 现了基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动的设计；摆脱了传统的基于 几何拓扑的低层次交互设计方法，从而使设计人员集中精力处理较高层次的设计 问题，使得设计任务能够更加迅速方便的完成，设计质量也能得到保证。另一方 面，由于特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计人员的设计意图， 这些设计意图对于设计的维护以及后继分析、综合等也具有重要的意义。简而言 之，特征可以携带大量的工程信息，可以比较容易的将c a d 、c a p p 、c a m 等多个系 统有机的联系在一起。典型的软件如p r o e n g i n e e r 等。 目前又有人提出了基于特征的产品集成建模的新思想，是面向产品生命周期 的产品模型的概念。这一概念较好地解决了信息在设计、制造、检验和装配等环 节的共享问题，完整地描述了产品在概念设计一一装配设计一零件设计全过程 中的各种属性和相互关系，实现了产品生命周期中的内部描述信息( 如产品设计、 计划、加工、检验等信息) 和外部过程信息( 如内部描述信息所依赖的环境、知 识和规则等) 的集成。这种产品集成建模技术目前仍在研究中。 1 1 2 特征的定义与分类 l 、特征的定义 由于对特征的认识不尽相同，至尽尚无统一的特征定义。目前较为通用的定 义这样的1 8 n 9 j ：特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性， 通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。更为严格的定义是： 第一章概述 特征就是一个包含工程语义的几何原型的外形。特征在此已不是普通的体素，而 是一种封装了各种属性和功能的功能要素。随着特征技术的进一步发展，特征定 义趋向于更一般化。下面是一些特征定义的罗列：从设计的观点看，特征是由几 何和拓扑元素组成的形状特性；从制造的观点看，特征表示与制造相关的形状和 技术属性；从构造c a d c a p p c a m 集成产品信息模型的目的出发，对于并行工程来 说，特征又是人们对产品及其一组零件描述的相关信息的集合。在c a d c a m 的不 同阶段，特征对数据的组合和处理方法也不同。在设计阶段，设计者从功能的角 度看产品，而在制造阶段，工艺人员从生产的角度看产品。由于观察的角度不同， 对产品数据的理解也不同。因此，在c a d c a p p c a m 集成过程中共享或交换的应该 是信息。据此结合本文所涉及的范围，作者将特征定义为：挂堑星厦哒主昌墨佳 缱盛龅! 亘这二庭厦则地丝坌羞的主昌曲信宣：星逡进! 制造过程史直重送曲丛 盟理；笠亟塞签：星塞盛叠缝史直星谩竖信星的羹住塑基查谴猃望丞。 因此，特征不仅具有按一定拓扑关系组成的特定的形状，而且反映特定的工 程语义，适宜在设计、分析和制造中使用。其兼有形状和功能两种属性，从名称 和语义足以联想其特定的几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造 技术和公差要求等。特别是在产品并行开发过程中，特征作为c i m s 中 c a d c a p p c a m 问传递产品模型信息的媒介；利用特征建模技术，完成产品的定义 和设计，能够使各c a x 应用系统可以直接从零件模型中抽取所需信息。目前，特 征技术被公认为是解决c a d c a p p c a m 集成的主要途径和发展方向。 2 、特征的分类 由于按一定规则对特征进行归类能给特征表达、操作等带来诸多好处，所以 各种特征的分类方法相继问世。目前特征的分类还没有统一的标准，不同的应用 形成不同的特征定义，继而又形成不同的特征分类标准： 1 ) 从产品整个生命周期发展过程来看，特征可分为：设计特征、加工特征、 分析特征、公差及检测特征、装配特征等； 2 ) 按特征的复杂程度可分为：基本特征、组合特征、复杂特征等； ：3 ) 按特征的功能可分为：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配 体特征； 4 ) 按设计方法特征可分为：通道特征、挤压特征、提拉特征、过渡特征、表 面特征、形变特征。 目前较为通用的是将特征分为造型特征( 又称为形状特征) 和面向过程的特 征“7 。“”1 。造型特征是指那些实际构造出零件的特征，是特征的主体。造型特 4 湖南大学硕士学位毕业论文 征进一步分为基本特征和二次特征。基本特征是指构成零件主要形状的特征，又 称为基础特征：二次特征是指用来修改基本特征的特征，通常称为设计特征。而 面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。面向过程的特征可细分为： 精度特征、技术要求特征、材料特征和装配特征。如图1 1 所示 特征 形状特征 技术特征 精度特征 装配特征 材料特征 附加特征 主特征 辅特征 尺寸公差特征 形位公差特征 租糙度特征 材料类型特征 材料性能特征 材料热处理特征 图1 1 特征分类 作者基于对特征的认识，在学习期间参与研究和完成了“猎豹汽车整车车身 结构c a d c a e 分析建模系统”课题的基础上，认真分析了猎豹汽车车身各部件零 件图纸，结合目前的通用分类方法，认为零件图纸主要表达了如下六个方面的信 息，即存在六大类特征： 管理特征：用于描述零件的管理信息，如标题栏里的设计者、日期、批量、 g t 码、零件号等； 材料特征：用于描述材料的组成成分与条件，如性f l , 规范和材料处理方式等： 技术特征：用于描述零件的功能、性能和作用，如性能参数、受力方式等； 精度特征：几何形状和尺寸的许可变动量或误差，如几何公差、形位公差、 尺寸公差、表面粗糙度等； 装配特征：用于描述零件在装配过程中需使用的所有信息； 形状特征：用于描述有一定工程意义的几何形状信息，是非几何特征的载体。 非几阿特征信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素上。形状特征又可分 为主形状特征和辅助形状特征，简称基础特征和设计特征。基础特征用于构造零 第一章概述 件的主体形状结构，设计特征用于对基础特征的局部修改。各种特征最终都将在 特征模型以及所建立的零件库中得到反映。 1 1 3 基于特征的设计和产品的特征信息模型的建立 在基于特征的设计方法中，特征从一开始就力求融合在产品模型中，并试图 提供更丰富的产品信息，与后续过程实现信息共享与集成。定义的特征原型被用 户放入一个特征库中，即用户自定义特征库u d f l ( u s e rd e f i n e d f e a t u r e l i r a r y ) 。通过定义尺寸、位置参数和各种属性值，可以建立特征实例。下面讨 论三种主要的基于特征的设计方法： 1 、特征分割造型 零件模型是通过毛坯材料与特征的布尔运算创建的。利用移去毛坯材料的操 作，将毛坯模型转变为最终的零件模型，设计和加工规划可以同时生成。毛坯模 型可以是一个方形块，也可以是由各种扫掠方法生成的形状，如在p r o e n g i n e e r 系统中，毛坯可以由平移扫掠或者旋转扫掠而生成的任意形状。 2 、特征合成法 系统允许设计人员通过加或减特征进行设计。首先通过一定的规划和过程预 定义一般特征，建立一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修 改、拷贝、删除等，生成实体模型，导出特定的参数值等操作，建立产品模型。 3 、基于特征的设计与特征识别的集成建模方法 在基于特征的设计方法中，特征模型是在设计阶段创建的，设计人员所得到 的信息立即包含在模型中。用户在面向一个特定的应用之前，就需要定义各种特 征，这种方式用于设计的特征集是有限的，而且生成的特征模型是严格地依赖于 某一个应用场合的，它不能在不同的应用场合共享。在特征识别方法中，特征是 从零件的几何模型中提取的，设计人员可以较自由地利用几何体素定义物体形状， 但已知的功能信息就丢失了。几何描述可以适应不同的场合，然而仅可以识别出 数据库中已存储的特征。由此看来，基于特征的设计及特征识别方法，如果单独 使用或者以严格的顺序方式使用，并不能完全地支持产品零件特征模型的构建。 在并行工程环境中，进行有效的基于特征的建模方法似乎应当是以上两种方法的 结合，即基于特征的设计与特征识别的集成建模方法。基于集成的系统应该提供 以下功能：利用特征和几何体素生成产品的特征模型，创建特定应用的特征类， 在不同的应用场合之间对特征类进行映射。这样，用户可以直接使用特征设计零 件的一部分，同时还可以使用底层的实体造型器，设计零件的其它部分。 湖南大学硕士学位毕业论文 竺竺竺呈 i 厂丽 特征面信息 产品信息模型 装配信g 壤型li 管理信息 零件信息模型 fl 基准框架 功能形素模型 i1 尺寸公差信息 几何拓扑信息ii形素关系信息 图1 2 产品信息模型 以特征来表示的零件即为零件的特征模型。由于特征的定义常依赖于应用， 因而对不同的应用就有不同的特征模型，例如有设计特征模型、制造特征模型和 形状特征模型等。在几何造型环境下建立特征模型主要有两种方法。一种是特征 识别，即首先建立一个几何模型，然后用程序处理这个几何模型，自动地发现并 提取特征。另一种方法是基于特征的设计，即直接用特征来定义零件的几何结构， 几何模型可以由特征生成。近年来，又产生了一种混合特征建模方法，即基于特 征的设计与特征识别的集成建模方法。 一般认为，产品定义信息分为描述产品几何形状的几何信息及描述产品性能 的非几何信息，包括与装配相关的信息和与零件相关的信息等，如图1 2 所示。 1 2 快速原型技术综述 1 2 1 快速原型技术产生的背景 快速原型技术是一项高新制造技术，它有不同的英文名称，如r a p i d p r o to t y p i n g ( 快速原型制造、快速成型、快速成形) 、f r e e f o r mm a n u f a c t u r i n g ( 自由形式制造) 、a d d i t i v ef a b r i c a t i o n ( 添加式制造) 等，常常简称为r p 。 其集成了机械工程、c a d c a m 技术、数据处理技术、c n c 技术、测试传感技术、激 光加工技术及材料科学等领域最新成果，是融多学科于一体的先进制造技术。 快速原型技术的形成思想经历了一个较长的过程。从历史上看，很早以前就 有“增长”制造原理1 。1 8 9 2 年，j e b 1 a n t h e r 在他的专利中曾建议用分层制 造法构成地形图。1 9 0 2 年，c a r ob a e s e 在他的专利中提出了用光敏聚合物制造 塑料件的原理，早期的专利虽然提出了一些快速原型的基本原理，但还很不完善， 更没有实现快速成形机械及其使用原材料的商品化。2 0 世纪7 0 年代木8 0 年代初， 一些学者在不同的地点几乎同时提出了r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 的新思想，即 第一章概述 利用连续层的选取固化产生三维实体的思想“2 “。1 9 8 6 年，c a r l d e c k a r d 提出 了激光选取烧结( s l s s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 的思想：s c o t tc r u m p 在 1 9 8 8 年提出了选择性熔覆( f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 的成型思想； m i ( 1 h a a e lf e y g i n 在1 9 8 4 年提出了选择性切割( l o m k a m i n a t e do bj e c t m a n u f a c t u r i n g ) 的思想。至此，快速原型技术思想已基本成型。 从硬件角度出发，此技术的形成需要具备四个条件：首先，2 0 世纪5 0 年代 在m t 出现的第一台数字控制加工机床，7 0 年代后期，数字控制技术发展的相当 完善才有了快速成型技术产生的第一个条件；7 0 年代出现的激光技术是快速成型 技术产生的第二个条件，只有高可靠性激光器得到成功应用，才能保证材料的堆 积能快速实施；直到2 0 世纪8 0 年代，计算机技术发展到在一秒钟内可以完成几 千，次的计算时，才为快速成型技术的诞生创造了第三个重要条件；最后一个重 要的技术条件是高分子聚合物材料科学的发展，聚合物的一个重要特性就是加工 条件要求较低，可以很容易的完成复杂形状的成型。直到7 0 年代术8 0 年代初， 这四个技术条件才发展到一个相当的程度。所以8 0 年代末美国3 0s y s t e m s 公司 的第一台成型机的问世才真正标志着快速成型技术的诞生。 1 2 2 快速原型技术成形原理及与传统加工技术的主要区别 依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面 的二维轮廓图。按照这些轮廓，成型头选择性的固化一层层的液态树脂( 或切割 一层层的纸或薄膜，烧结一层层的粉末材料，喷涂一层层的热熔材料或粘结剂等) ， 形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。零件的制造过程实际上就是一 个“材料的生长过程”i j 。 传统的加工技术，一般分为切除材料的加工方法( 如机加工) 、成型方法( 如 锻压、冲压、铸造等) 和组合加工方法( 如焊接、粘结等) 这样三种。 在传统加工方法中，采用自动化生产方式，一个机械零件的制造费用将是零 件形状的复杂程度和产量的函数。对于切除和成型加工方法，还必须在加工零件 之前，加工复杂的工具，制定复杂的工艺路线；对于传统的组合制造方法，在加 工零件之前，还必须预制相应的加工组件和特殊的夹具。传统的自动化加工方法 主要是用于大批量的生产，通常情况下，生产的准备时间较长。 快速原型技术与传统加工技术的主要区别在于”“”： 【、快速原型技术具有高度的柔性。其并不针对某一类型的零件而设计，对任 何尺寸不超过一次成形范围的零件，无需任何工具就可以快速方便的制造出它的 湖南人学硕士学位毕业论文 原型；对于尺寸超过一次成形范围的零件，可以通过先分割，然后分块制造，最 后将各小块拼结成型的办法实现原形的制造； 2 、r p 加工与零件的复杂程度无关。复杂零件的加工与简单零件加工一样， r p 加工特别适合与具有复杂结构和复杂曲面的零件； 3 、r p 技术的加工成本与零件的生产批量无关，适用于新产品的创新和开发； 4 、c a d 模型直接驱动； 5 、成形过程中无人干预或干预很少； 6 、成形速度快。 1 2 3 快速原型技术的工业应用及其典型工艺 快速原型技术在工业方面的应用主要表现为：1 ) 制作非功能性样品，实现设 计验证和可制造性验证；2 ) 准确校验与分析产品性能，实现功能验证；3 ) 快速 制造模具( r a p i dt o o i n g ) ：4 ) 用快速成型系统制作电脉冲机床用电极等。 自1 9 8 7 年美国3 ds y s t e m s 公司生产出第一台成型机以来。现在，已有多种 快速成形工艺，其中最典型的如下“”：1 ) 液态光敏聚合物选择形固化 ( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) ：2 ) 薄形材料选择性切割 ( l a i n i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) ；3 ) 丝状材料选择性熔覆( f u s e d d e p o s i t i o i lm o d e l i n g ，简称f d m ) ；4 ) 粉末材料选择性烧结( s e l e c t e dl a s e r s i n le r i n g ，简称s l s ) ；5 ) 三维打印( t h r e e d i m e n s io n a lp r i n t i n g ，简称t d p ) ； 6 ) 漏板光敏树脂固化，又称光掩膜( s o l i dg r o u n dc u r i n g ，简称s g c ) ；7 ) 热 塑性材料选择性喷洒快速成型工艺( i n k j e tp r i n t i n g ，简称i j p ) ；8 ) 直接壳 型制造( d i r e c ts h e l lp r o d u c t i o nc a s t i n g ) 。 不难看出，尽管上述各种快速成形工艺和快速成形机的结构有所不同，但都 是基于“增长”成形法的原理，差别主要在于薄片采用的原材料类型，由原材料 构成截面轮廓的方法，以及截面层之间的连接方式不尽相同。其中比较常用的有 以下6 种：1 ) s l a ；2 ) s l s ；3 ) f d m ；4 ) i ，o m ；5 ) s g c ；6 ) 直接壳型制造。已 经市场化并取得较好应用效果的有以下四种：1 ) s l a ；2 ) s l s ；3 ) f d m ：4 ) l o m 。 与其它快速成型方法相比，粉末材料选择性烧结快速成型技术是目前国内外的研 究最为活跃的一种，这是由于其具有下述优点： 1 ) 有广阔的应用前景，与其它工艺相比，能生产最硬的制件，甚至直接制作 金属件和陶瓷件； z ) 成型材料品中繁多，可根据不同的用途选择不同的材料，绝大多数的工程 第一章概述 用塑料、蜡、金属、陶瓷等均可；如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型，用石蜡粉或 塑料粉烧结熔模铸造用母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成型金属 模具或零件； 3 ) 零件构建时问短，成型效率商，可达到1 i n h 高度； 4 ) 工艺过程简单，与其它原型制作工艺( 如s l a 、l o m 等) 不同，s l s 工艺 无须研究专门废料清除工艺：与s l a 原型制作工艺相比无须设计和构造支撑结构； 5 ) 材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到1 0 0 ，因此生产成本低； 6 ) 可以方便迅速制造出传统的加工方法难以实现的复杂形态的零件，例如