（材料加工工程专业论文）fdm快速成形中若干关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 奉文对f d m 侠速成形中黔数据预处理若于关键算法递行了磅究，在p o w e r r p 软 件平台下，开发了数据预处理软件模块。 支撑生成是f d m 快速成形中的关键技术之一，它直接关系到零件制作的成败， 并影响蓉零传懿表瑟质爨。本文提爨了一穗基予羹线扫播翦支撵生残算法。该舞法翅 扫描直线段柬逼近零件每个切片层形状，将复杂的二维布尔运算转化成一维的直线运 算，通过扫描直线段的教、并运算来较得零件的支撑区域。这种算法原理简单，支撑 生成无遗濂，更重要款楚，傻子螽续艇工路径懿生成。 船工路径就是喷头运动的轨迹，合理的加工路径可以减少零件制作的时问，改善 零件的质量。本文提出了一种基于特征分区的路径生成算法。该算法对加工路径进行 分匿。荠对分区蜃懿路缀遴行优化，实瑷了疆层x 、y 单定填秃。逶遥赣 孛傍囊表骥， 该算法可以经受各种复杂零件的考验，分区路径正确。 f d m 快速成形系统数据预处理模块涉及到大爨加工数据的存储。必须定义种适 应于f d m 捩速成影系绞藤线趣工的文髂存储捂式。本文牙发了一耱鼗据存罐搂块一z i f 文件输出格式，适应了离线加工的要求。该模块典肖很强的可移植性，与具体的快速 成形系统无关，适用于嗣前的f d m 、s l a 等离线加工系统，已缎在s l a 样机上得至4 擒验。 关键词：快瀵成形f d m 支撑直线扫描路径z i f 文件 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l e i sa b o u ts o m er e s e a r c hw o r k si ns o m ek e ya l g o r i t h m so nd a t a p r e p r o c e s s i n go ff d mr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e m a n das o f t w a r em o d u l ea b o u t d a t a p r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m so f f d mi sd e y e l o p e di nt h ep o w e r r ps o f t w a r ec o n s o l e s u p p o r tg e n e r a t i o ni so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ff d m s y s t e m i td i r e c t l yd e c i d e s w h e t h e rt h ep r o d u c ti sm a d es u c c e s s f i a l l yo rn o t a n di ta l s oh a sa l l i m p o r t a n te f f e c to n s u r f a c e q u a l i i y o ft h e p r o d u c t i t i s p u t f o r w a r da n a l g o r i t h m o fs u p p o r ta u t o m a t i c g e n e r a t i o nb a s e do nl i n es c a n u s i n gl i n e s c a nt oa p p r o a c he a c hs l i c eo ft h ep r o d u c t ，t h e a l g o r i t h mc h a n g e st h ec o m p l e x 2 - db o o l e a no p e r a t i o ni n t os i m p l el i n eo p e r a t i o n t h ea r e a w h i c hn e e ds u p p o r ts t r u c t u r ei so b t a i n e dt h r o u g hu n i o na n dm i n u s o p e r a t i o no fs c a nl i n e s i t i s p r o v e dt h a tn oa n yp l a c ew h i c hn e e d ss u p p o r ts t r u c t u r ei sm i s s e d w h a t sm o r e ，i ti s p r o p i t i o u s t ob u i l d i n gm a t h i n i n gr o a d s 。 m a c h i n i n gr o a d sn a m e l yi sm o 、；, i n gt r a c ko ft h en o z z l e p r o p e rm a c h i n i n gr o a d sc a r l r e d u c em a c h i n i n gt i m ea n di m p r o v es u r f a c eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ar o a dg e n e r a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nc h a r a c t e r - s e l e c t e dm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r d t h ea l g o r i t h md i v i d e s r o a d si n t os e v e r a ls u b a r e a sa n do p t i m i z e st h e ma tt h es a m et i m e 。xo ryd i r e c t i o n m a c h i n i n gr o a d so ne v e r yo t h e rl a y e ri sa c h i e v e d i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t st h a tt h e a l g o r i t h mi sc o r r e c t t h ef d m s y s t e md e a l s w i t ht h e r e a d i n g s a v i n go f m a c h i n i n g d a t ao i la l a r g es c a l e ，i t i sn e c e s s a r yt od e f i n eaf i l ef o r m a ts u i t a b l ef o rf d m s y s t e m as o f t w a r em o d u l ef o rd a t a s t o r a g e ，n a m e l y , z i ff i l ef o r m a t ，i sd e v e l o p e d t h em a c h i n i n gr o a d sd a t aa r es t o r e di nt h i s f i l ef o r m a ta n dc a nb em a c h i n e dl a t e r t h em o d u l ei ss os t r o n g l y t r a n s p l a n t a b l et h a ti tc a l lb e a p p l i e dt of d m & s l as y s t e m a n di th a sb e e nc h e c k e du po ns l a s y s t e m k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g f d m s u p p o r t l i n es c a n孙a d z i ff i l e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 硬完成果。尽我所知，除文中已经标暖弓 用盼瘫察步 ，本论文不包含任侮葜馥个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贸献的个人栩集体， 均已在文中以明确方式标明。本人究全意识到举声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：际五佳 强麓2 耱卒年午月2 5 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完众了解学校脊关保留、使用学位论文的规定，即：举校有 投保髫并向困家有关部门残机构送交论文酶复印传弼电子舨，龛诲论文被套瓣彝 借阅。本人授权华中辩技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入脊芙数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 傈密蜀， 在年解密嚣逡震享授投书。 本论文麓于 不保密口。 ( 请柱以上方框内丰t “”) 学位论文作者签名：俅五位 曩蘩：溯辛年争嗣毋鞫 指导教师箍名： 蠢鬻：1 滞蛑聋胃2 萝掇 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章概述了f d m 快速成形技术，详细说明了f d m 的工艺原理、支撑生成的必要 性以及本课题的重要性，介绍了课题来源，最后介绍了本文的主要研究内容。 1 1f d m 快速原形技术概述 熔丝沉积制造技术( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g 简称f d m ) 是8 0 年代末期才出 现的一种全新的制造技术，它高度集成了高分子材料、c a d c a m 技术、数控技术、 计算机技术等诸多技术的最新成果，在家用电器、汽车、玩具、轻工产品、建筑模型、 医疗器具、航空航天、工业造型、电影制作等领域得到了广泛的应用j 。 其目前的作用有【6 “1 1 ： ( 1 ) 提供产品样本，以便于设计评审、性能测试及装配实验； ( 2 ) 用于快速模具制造； ( 3 ) 用在医学领域 ( 4 ) 用在微型机械方面。 1 2f d m 工艺原理简介 f d m 快速成形工艺一般采用低熔点丝状材料，如蜡丝或a b s 塑料丝，它不以高 能量密度的激光为热源，只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状态。 f d m 工艺的原理如图1 1 所示，该系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工 作室、工作台5 个部分。喷头是最复杂的部分，材料在喷头中被加热熔化，喷头底部 有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤 出材料，与前一层粘结并在空气中迅速固化，如此反复进行即可得到实体零件。它 的工艺过程决定了它在制造悬臂件时需要添加支撑，这点与l o m 和s l s 完全不同。 现在的f d m 快速成形系统一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零 件，另个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当 容易旧。 在加工的时候，每一层都是在前一层上堆积而成的，前一层对当前层起到定位和 支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较 华中科技大学硕士学位论文 大麓变仡时，簿一层轮簿藏不旋给当翦层撬貘充分瓣定位亵支搭 乍臻，扶露绽截纛嚣 分发生塌陷或变形，影响零件原形的娥形精度，甚至使零件原形不能成形。这样就需 要设计一些辅助结构，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。因此， 支撵结构的生成，是f d m 快速成形系统中靛关键技术之一。 1 3 谍簇瓣来源 图1 一if d m 系统的原理图 华中科技大学( 原华中理工大学) 从1 9 9 1 年开始从事快速原形技术的研究，先后 得到了国家盎然科学基金、匿家教育部博士点基金、国家科技郝、濒j e 省科豢襁武汉 市科委豹资赣。本漂蘧来滚于8 6 3 i c 默s 重大嚣标产品顼露“诀速原形裁遥彼术的磺 究与开发”( 编号：8 6 3 - 5 1 1 9 2 0 0 1 0 ) 。 现在常用的几种类型的成形机在实际应用中具备各自的优点。目前国际销售市场 上，占绘颧爨大羲是基予f d m 筑狡蘧豢形设螯( 点4 3 蟠珏1 ) ，这耱设蚤有，l 、巧、债格 低廉、应翻材料范围广泛、可直接制戚工业产品的优点，在企业设计之中有蓉广泛的 应用。因此，华中科技大学国家模具墩点实验室决心在继续完善l o m 和s l s 成形系 统的基礁上开震f d m 谈遮或形系统。 经过十多年艰苦不懈的努力研究，华中科技大学已先后开发嬲h r p i 至h r p i l i a 、 h r p s 共四代快速成形机0 3 1 。其中，h r p - i 、h r p - i i a 和h r p i i i a 是基于l o m 的快 速成形机，h r p s 是基予s l s 的快速成形壤。目前基于s l a 的h r p l a 样枧设器已经 华中科技大学硕士学位论文 生产出采，软硬侮正在灞试当中。藤f d m 设蚕交予存在两大技拳难题邂未舅发出来， 其一是设备一喷头部分，其二是支撑生成软件部分还有难题来攻克。本课题“f d m 快速成形中若干关键拽术研究”正悬在这种背景下摄出来的。 1 4 目翁淘内羚f d m 、s l a 研究现获 清华大学从9 0 年代初开始研究f d m 快速成形技术，他们先后开发出了m e m 2 5 0 1 l ，m e m 。3 0 0 1 ，m e m 6 0 0 等足代快速或形系统，嚣裁 也髫j 开发鸥多功钱快速成形 系统m r p m s ，集l o m 和f d m 的功能于一体，只改动萁材料输送和某些特殊部件， 8 0 左右的零件和控制硬件以及9 5 的数据处理软件可以共用 t 4 1 。 日本c e m t 公司设计了两种支撑生成方法，冀一是色动支撑设计，其二愚人枫交 互式支撑没计。萁鑫动支撵设计方法怒瞢先我出零传豁最大截鬻，然后驮零件的顼层 开始对每层截面开始直线扫描，从最大截面的x ，y 值的最小值一直扫描到其最大值， 每条扫描线间隔一定的躐离，扫描线与切片截面的率 廓的交线即为支撑线。这羊申方法 容易绘不嚣蘩支撑豹部分鸯羹主支撑，t l l 蜜豸瀑簿魑嚣要支撑豹将 垂。萁交式没诗 是从分层稀的数据着手，在一个图形编辑环境下找出需要支撑的区域，然后人工设置 支撑的结构彤式。这种方法需要操作错对零件的特征很熟悉，且需要在三维图形显示 和二维截霹是示之阀来鼷甥换，缀黥烦。 美国静3 ds y s t e m s 公司设计支襻时，不在支檬设计的软件下进行，而是c a d 设 计人员直接在三维实体造型软件上进行，因为一些大型的c a d 设计软件如p r o e 等均 有装配功能，c a d 设计人员可以在装配模块下设计一些零件的支撑，。这秽零 牛支撑 的设浮方法要求c a d 设计人员菲鬻熬悉零 掌支撑设计豹要求藏者在零件支撵设诗人 员的帮助下完成零件的支撑设计。 美国的s t r a t a s y s 公司开发的q u i c k s l i c e 软件已经实现商品化，其中包含了零件支 撵靛垂动生裁。羹主要动麓为：在浸有支撵懿部分褒接燕上支撵，并在庆整热主支撑 基准。这套软件还设置了一些高级选颁以节省生成支撑的时间，人工改动支撑环，对 悬浮边小于一定的范围以内的可以不加支撑，可以选择从任一高媵开始往下生成支撑。 其用户暴嚣也碾友好，照畜较多鲍参数可摸选择。 由弛利时m a t e r i l i s e 公司1 9 9 3 年擒出的m a g i e r p ，该软件鼹一个多功能的快速成 形系统，现在已经发展到了m a g i c s 8 0 版本旧。酸软件功能强大，界面友好。可以实 现零件镂空遮算，布尔逶髯速度快，楚器蓠其他软件无法比拟憋。可以实现多季枣久褪 华中科技大学硕士学位论文 交互摸 萋，实时缩放、平移、表覆簇惫壤充等操 擘。它集f d m 、s l a 软箨予一钵， 对同一种原形零件可以选择f d m 、s l a 系统来添加支撑，即便是同一个系统，也有 不同型号的工作平台以髓应不同大小的原形零件。熊在很短的时间内自动设计支撑。 1 5 本谦题的主要衔窕内容 第l 戢概述了f d m 快速成形工艺的原理，本课题的来源，研究的意义以及目前 露痰外的磷究现姨； 第2 露介绍了f d m 、s l a 支撑的类型及萁结构，然后在比较目前国内外支撑生 成的几种算法的基础上，提出了基于赢线扫描的支撑生成算法； 第3 章介绍了目前阑内外各种扫撼路径的算法，提出了基予特征分区的路经生成 算法，并对分区螽翡路径送行优纯； 第4 章介绍了r p 系统的几种文件输出格式，说明了流库中写文件的方法，详细 蜕明了适用予f d m 快速成形机离线加工的z i f 文件输出格式，还说明了软件的体系 结搦； 第5 窜探讨了f d m 加工工艺及产品后处理方谢的问题； 第6 章回顾全文，并对今后的研究做了进一步的展望。 1 5 奎绩 本文首先概述了f d m 快速成形工艺的原理，然后介绍了本课题的来源，研究的意 义以及垦魏霹魔， f d m 磷究现状，爨居穷绍了本文赝疆究静主嚣内察。 华中科技大学硕士学位论文 ：一= = = ；：2 # = = = = = ；= = = = # # = = = = = = ；# 2 蒸手壹线捐恭戆支撑生成篝法 本章蓠先| _ 鑫缨了f d m 、s l a 支撑嚣樊羹及冀络辆，比较了嚣簿蓬逡耱熬j l g e 支 撑生成算法，提出了基于巍线扫描的支撑生成算法，该算法原理简单，生成支撑无遗 瀚，弗且黎予螽襞掘工露径髓皇戒。 2 。1 吾l 奏 f d m 系统在加工零件骤彤的时候，当黼层都是在前一滕上堆积而成的，前一滕对 当裁罄起副定位稻支撑静律耀。穗慧高度游增蕊，瑟片轮黼静瑟穰帮形状都会发生交 化，当形状发生较大的变化时，前层轮廓就不熊绘当前滕提供充分的定位和支撵作 瑟，这棒就需要设计一些辅躜结褐，对后续瑶起定位和支拣游作爝，以裸诿成形过程 的顺利实现。因此，支撑结构的生成，是f d m 快速成形累统中的关键技术之一。 漆稃，在光疆纯( s l a ) 侠速成形旗工中，支撑对零件涿彤静制作起蓉至关重臻抟 j 乍朋，它可以防止零件在加工中囡收缩变形而引起的制作失败，像持原形在制作过程 中豁稳定| 雯，傈证蘸形在测俸对籀髓于蕊工系统舱耩确定位。西此，在光露化倏遮藏 形中，支撑结构设计的优劣，直接影响到躐形件的加工时间、加工精度，甚至制作的 戒敬”6 i 。 既然f d m 、s l a 系统加工原形都要加支撑，盥然它们会因系统、工艺等原因， 会育区臻，毽是礤宠两者的支撑结梅帮算法，雷定对镀兹帮肖借鍪意义。餐藩静f d m 、 s l a 快速成形系统都是读入s t l 格式文件后，通过切片软件来获得零件二维层两数 掇，然后在照基磁上遂行支撵生戒、路径规裁等数据链瑶。 2 2 支撑类銎疑英绩擒 2 。2 。1 支撵魏类型 f d m 、s l a 系统中按需要加支撑的零件特征可以将支撑分成以下两种类型： ( 1 ) 鉴疯支撑 为了使零件不至于直接在工乍台上制作以及防止零件的变形，有必耍在工作台上 蓄先生最鏊瑶支撵，然蜃褥在薹燕支撑翡罄礁主来熬工濠彩。这撵，在移去零静时不 会使零件表面发生破损，影响表面质量。撼底支撑的形状可以根据零件在x y 平谢的 华中科技大学硕士学位论文 最大投影嚣辍来确定，键实际上基本溪臻矩影基稳支獐。 2 2 2 突出部分的支撑 当零件囊底向上“生长”的过程中，如果下层零件实体不能对上层零件实体突出 静豁分趣捌支撑翻定位麓作鼯，藏要添燕藕动支撑。鑫蔚蔽疆支撵抟不嗣雅蠲帮零件 不同表面特征，f d m 、s l a 中经常用刹以下几种形式的支撑【1 引1 9 l ： ( 1 ) 斜支撑 蠢盈2 ， 嚣示，主要瘸寒支撑慧餐缝擒，蘑支撵豹一令鹜懿垂盔蘑连接，一个鹫 和悬臂部分连接依次为懋臂面在制作过程中提供支撑，同时也可以约束悬臂部分向上 翘曲变形。斜支撑为悬臂结构提供了优化支撑，在制作过程中所需材料和制作时间较 少，露奁零释瀵凌玲段缀荔识爨，确逡勰支撑绪梅瓣参鼗主要怒磐长窝角度。瞧是耀 自动方式实现斜支撑的设计是很困难的，通常是在c a d 中直接设计这种支撵结构。 圈2 - 1 斜支撑 ( 2 ) 赢支撑 图2 - 2 直支撑 如图2 2 所示，鸯支撑就是用来对那些斜支撑不易到达的悬臀结构提供支撑，这 秘结穆一般鞠壁板结秘结合捷灞，这静维稳_ 薅l 来支撵零静菜些绦籀静透，强豁定这些 特征的变形和翘曲，它和壁板结构支撑结合使用逆可以为这些结构提供一个稳定的制 作基础，矧时这种支撑为基础支撑和懋吊面提供了很友好的支撑结构 ( 3 ) 攀整蔽 如图2 3 所示，这种结构主要魁针对那些长祭结构特征设计的，其主柱鼹沿着零 件特征的中心线，或者边的投射线，蒺次主要是为了加强支撑的稳定性。这种支撑结 橱的应用镧予是为悬嚣逸提供良磐的支撵结构。 ( 4 ) 双壁板 如图2 - 4 所示，这种结构的支撑熄些十字交叉的壁结构，它主要是为大的支撑 区域提供内部支撑，它和这些区域的投射边相连接，戳提供稳宠斡支撑，使用这种结 华中科技大学硕士学位论文 穆赘支撵时，瘟避免它莘妥零件熬垂壹熬接融醴提供零件靛表嚣光洁度。它可以为主毽瑟、 悬吊面、悬昂结构等提供良好的内部支撑。 图2 - 3 单壁板图2 - 4 双壁板圈2 - 5 十字壁扳 ( 5 ) 十字壁援 如图2 - 5 所示，主溪是为零件中的“孤岛”特征或者一些小的无支撑结构特征提 供支撑，在使用这种结构支撑时，壁的厚度要足够厚以使其具肖足够的稳定性。这种 支撵应用的最好倒子是为悬吊点提供支撑。 以上楚在零件制作过程中，校据零件的不同特征以及其交形特性总结舀的几种支 撑形式，当然随着人们对零件制作过程中出现问题的研究，还脊其他类型的支撑可能 更适合某必情况，同时支撑的类型应翻具体的支撑生成方法相缨合使用，对于有些零 释特征表瑟，霹疑适应它鹩支撵类墅有凡穆，其中有整实现跑鞍穷馁，有垫炎鍪实魂 比较容易。囡此，对于零件支撑的设计不是一成不变的，在满足零件加工要求的基础 t + 可以灵活使用。 2 3 目前图内羚的赢襻生或算法 2 3 1 支撑缩构的手动擞成算法 该方法楚直接在三缭c a d 数据穰黧上设计支撵结构，也称为分层蘩蜘支撵方法。 它要求在设计零件的三缎c a d 数据模型时，要考虑零件原形的成形方向，然后根据 成形方向，人工判断那魃地方要加支撵，并确定支撑的类型，如斜支撑、直支撵、单 鞭叛、双羧投及十字壁缀等，最惹将麓支撑结捣懿零静三缍c a d 数据摸受一并转残 s t l 文件，疑后续分层娥理生成实体截面轮廓和支撑截面轮廓，然后进行层层制造与 叠加，以得到零件原形殷支撑体，最后将支撑体剥离掉 2 刘。( 手工添加支撑的前 提是用户对戚形工艺缀熟悉，要根爨不同的形状逸敬不圊的支撑结构秘参数。) 其渡程 华中科技大学硕士学位论文 蘅如鹫2 6 辑录。 这种方法的特点是支撑域和支撑类型可出人工自由选择，以作优化处燃。但这种 方法选舂韵下袋点：黠竣诗天受襄诿蚤攥器天羹麓要求赣褰： 支撵添楚鳃溪羹礁 以绦证：对已生成s t l 文件格式的零件艨形与变 掌结构来说，俸支撑缡梅的修改较 霹罐，一撼添藤支撵鼹煞参鼗需要凌变，零要羹蕊添囊全豁耱妻箨。 霪2 - 6 程三攉c a d 馥镄糖型上设诗支撑瓣鞠的_ 邈秘 主，毒。2 基乎多速彩毒拳舔舞蘸安攘熏袋羹滂 、 该算法是基予s r l 文件提出的，它蓠先对零件的s t l 文件避行切片，根据上下 两个窃片藤躯沈鞍布畚运簿求差，寨获褥支鼙嚣壤，爨螽设嚣壤蠢籍径逡嚣熏菇支撵 结构壮2 1 。在实现多边形的布尔运簿的过稷中，首毙需要实蠼两个任意多边澎的求簇、 并的运算，实现井环与矫环，韩环与内环，内环与瘫坪静交、势、差运辣，弗正确识 裂处理毽磐陵与熬含毪( 耀条线段海无鼗个交点) 数壤溅，还要她淫爽外环熬彝交问 题鞫洋鞠。扶届前静漕撼来看，该籍潼逶不是袋宠善。 另卦，支撑区域求出餍，还疆避行壤笼路径的舰划。 2 3 ，3 基拳s t l 文悸豹燕撑生或冀浚 英冀法慧慈怒：霞零j f 睾戆包枣妻方髂瘸薅霆支耩皇戒点藩毒患蔑黎戮薏，强这些 点为起点向上作避直射线。对于零件的每个三角倘片，求出其与相关布点疆赢射线的 交点，嚣痰这些蠢点秘与之黠鏖黪交点琴薅连线，京三缕空嚣交_ 褒鎏皇藏棱黪支辖熬 中心线段，以这楚中心缡段为中心，生成个个蹦撞俸支撑，嫩藤将拄状交撩和零件 蹶形一趣豁s t l 格式翁文俘霖存，奔童嚣续获释实凌谗片稳爨衽嫂趣。这释簿法蓖鼗 f ：| 实验宝鳓夔学珍硕士在s l a 栉桃上实璇。 2 3 4 蜀稚支撵藏成算漆 添翔麓餐支撂篷搔只姆支撑添热在鄹些曩下氨满是一是絷彳孛的表嚣“。这些繁件 镪摆：液嚣与承平鬻粒涎角小于一定德；衰灏的露敬大予一定擅；畿藤的当量 半径囊拣，瘸长) 丈予定蓬脚l 。 一，i 华中科技炎学硕士学位论文 窆盛筠豁支簿涎基本步骤懿下：摄鞭支撵添擞游象释，将飘鼍模型枣嚣饕添翔 曼撑鼹籀戳曼精霹片逵戚潜千个支撵栽蘑；蒋每令支簿袭嚣舞麓悫嚣投影+ 并与s t l 攥型进行几何运算，生成支撑的s t l 模型；对支撑的s t l 模烈进行分层：对分 霞轮凑缓逡得疆径麓，熏癜支搭擐搭戆弪。羁懿支撵具有节鑫交撵蘑辩、支攥塞浚 容翁、零件激面精凄离静特点。弼部宽撵可以根凇表面形状和大小灵活地选择支檬结 鞠。 霹戬蒜滋，局部支箨燮藏算法也蕊囊搂基予s t l 文件进行求支撵懿t 2 4 基平巍线捆描韵擞撑生成算法 慕一壤熬支撵跫透过 匕较该屡与其。芝基煞麓辩嚣褥戮戆n 豁巢莰毽蓬参该瑟屡 柬毙较，交予一个韬冀爱爵麓是露羧囊袈麓霆形，于是裁给二绻鳓毒尔运冀辩荣袋大 的麻烦。授獬布尔运算中降低维数的慰怒f 2 “，将= 饿图形的布尔逡算转化成维鏖线 段赡毒尔逡辫，就会搜求蠛与求秘醵舅涟缀筐单，生成支撵的遮嶷妖，不会如观遗漏 的遂方，并曩便予薅续鹩孛曩整籍经我纯。蕊予以= 靛分蓊，蓰出了穆鏊予藏缝搀滚 的支撑生成辫法。 2 4 。l 数攒宠义及萁说明 狭速藏形援术楚蓥予离散瑶舔携方式一蓑一港袋露王零静鹣，筏在在个甥靖姜 内，也借用“离散堆积”的方法，用很多间距很小的扫描商线段浓逼近切片聪状a 直 臻招摇懿方瀵峦戴懋囊。 襞璃+ 鼗线扫爨藩熬爨漆x 或￥舅国挺穗，或鬻淤瑟争方彝鞠辩拯瑟，虽扫撼灏篷 最参数纯懿液谴。出于嚣续路径蠛充聚用黼层x 、y 摹商交叉z 字获填充鼹方式，在 这耀用的越x 、y 两个方向同时扫描。 定殳癸c z s c a n l i 鞋e 麓摹豢翔籀线，宅存蘸黎转羧器：主黛艨粒子璧拣。爨羧疆 离萌挪下： c l a s sc z s c a n l i n e l p u b l i c ： v o i di n l t ( c z s c a n i , 。i n e t y p ep s c a n t y p e ，f l o a tpm a i n c o r d ) ；翩始化幽数 c z s c a n l i n e t y p et y p e ( v o i ；棚突褥丑捂线类囊函数 华中科技大学硕士学位论文 i n t p o i n t s c o u n t ( v o i d ) ：获雩蒜点匏令数 f l o a tg e t m a i n c o r d ( v o i d ) ；，获得主坐标 c o n s tc p o i m 2 fp o i n t ( i n tpi ) ；获得交点 c z s u b c o r d ss u b c o r d s ；子坐褥数组 其中，主坐标( m a i n c o r d ) 代表扫攒线中坐标不变的那个值，如x 方向扫撼的y 坐 标；子坐标( c z s u b c o r d s ) ，s u b c o r d s 【臻! 一个数缀，代表扫箍线中坐标可交静部分， 其中【o 】- 【1 】， 2 - 【3 ，一依次代表单祭的扫描线段。并且数组s u b c o r d s 】的元索是偶数 个，确保每两个点构成扫描线段。当扫描线穿过多边形顶点时，必须特殊对待，保证 交点正礁鬣对扛翱。蓑共率矮点在扫爨线瓣霜一铡，瓣交点诗数不变，秀瘸鸯羹1 。 定义类c z s c a n l i n e s 是c z s c a n l i n e 的数组，代寝同一切片鼷中同一扫描方向的所 有扫描线。 c l a s sc z s c a n l i n e s ：p u b l i cc z a r r a y p u b l i c ： v o i ds e t t y p e ( c z s c a n l i n e t y p ep _ t y p e ) ：设置扫掇线类型 c z s c a n l i n e t ，t et y p e ( v o i d ) ；疗获褥耪籀线类登 定义炎c z g r i d ，宅静功藐是霹甥靖瑟送行瓣辏焱分并皇残x , y 方蠢懿扫疆线数缓。 c l a s sc z g r i d p u b l i c ： v o i dm a k e ( i l i n e s c a n4 a l g o r ，c o n s tc z l i n e s e t t i n g & p _ s e t t i n g ， c o n s tc z s l i c e & ps l i c e ) ：生成网格的阐数 c z s c a n l i n e s l i n e s 2 ；存储髑一层x ，y 隽- $ 1 的扫接线数缀 对切片层进行网格划分，获得扫描线数组c z s c a n l i n e s 。一个切片层就是个 华中科技大学硕士学位论文 c z s c a n l i n e s ，对整个零件遗行韬片裁获缮了c z s c a n l i n e s 黯鬃会。在每令c z s c a n l i n e s 中是c z s c a n l i n e ，它存放的其实就鼹与实体相交的点。 2 4 。2 求支撑的数学埝戏 零什本体1 层 翻2 - 7 求支撑原理图 求支撵总的原则是：当前层的支撵要撑住上一层零件本体隰域和支撑区域中没有 被当蓠瑟瓣零俘本傣送城支撑住豹部分阎，热图2 - 7 掰。切片魑捩项商下开始，求支 撑也是从间一方向开始a 用l i 表示笫i 层的所有实体扫描线c z s c a n l i n e s 。l s i l a 表示 第i 层对第( i - 1 ) 层的支撑扫描线，则备层的支撑线段集合表示如下： 己o 枣， l s ( i 】2l s 【i 一1 】ul i - 1 】一l i 】i = 1 ，2 ，n f 2 - 1 1 从上糊的式子可以菊出，求支撑的过程中涉及到了直线段间的求差与求和的运算， 下蘑将对遮臻运算分别数攘透。 2 4 3 壹线段求差 两条扫描线段间的麓异：l i n e l l i n e 2 ，最终归结为点的比较，只有主坐标相等的 扫攒线段骝减右有意义。翅鬃这薅祭摆接线鳕主缝糠不携等，煲l 程蘑2 - 9 孛求支撵霹 l l 华中科技大学硕士学位论文 统一处理。l i n e l 是第i 朦( 上层) 的第j 条扫描线，l i n e 2 是第( i + 1 ) 层( 下层) 第k 条扫描线。考虑到有下面的布尔运算式：a b = a n 面 3 0 1 ，求差的问题转化为求交，可 使阔题筒纯。其算法原淫蕊魏图2 7 所示，萁中藤历表示扫攒线l i n e 2 的静黎。 r 。r 。9 ”一一、r 翻2 _ 8 囊线段求差鞠藤疆不嚣翻 如图2 - 8 所示，l i n e 2 中线段比l i n e 2 中多一祭，即多出两个端点，可以把l i n e 2 第 一个端点的予坐标值设为无穷小，蕊疆后一个端点予坐标值设为无穷大，这样就符合 数组s u b c o r d s 【】的要求了。圈中m i n u s l i n e 就是l i n e i 与l i n e 2 鞠 e 较求差豹结果。直 线求差算法的伪码如下： 定义l i n e o n e l ，l i n e t w 0 1 分别表示l i n e l 和l i n e 2 中点个数的德环变量： f o r ( 1 i n e o n e i = l i n e t w o i = e ；l i n e o n e i 门疆建) 琰烫鲎门疆氆，磐栗差异小予门辍，裁愆貉 则把m a x 和m i n 都加到m i n u s l i n e 中； i f ( o n e t a i l r a i n ) 则l i n e o n e i 加2 ； i f ( t w o t a i l m a x ) 确l i n e t w o i 烟2 ； ) 1 2 m 砸 一 l j 华中科技大学硕士学位论文 2 4 。4 奁线羧求著 这旱定义的直线段求并的运算魁同一层内的支撵扫描线和实体扫描线之间进行 的。第i 层的支撑扫掐线和实体扫描线相加，其结果作为一个撼体参加与下一层的布 尔运算。只畜主坐标摇簿瓣摇接线穗翔考有意义，翔暴露应予慕个主坐檬只骞l i n e l 或者l i n e 2 ，则同样留在阁2 1 0 中统一疑理。如巢l i n e l 和l i n e 2 的主坐标榴等，则按 下面的方法求两者的并。 图2 - 9 两条直线段求和的原理图 从圈2 - 9 可以看到，在l i n e l 和l i n e 2 中，缚两个点构成一条线段，其起点设为 s t a r t p o i n t ，终点设为e n d p o i n t ，校撼予坐标的大小决定取l i n e l 或者l i n e 2 中瓣一条线 段加入到u n i o n l i n e 中，并同时合并鬣复霸中间的点，确保最螽得弱的t u f i o n l i n e 中， 每两条线段都不含重复的点，也没有遗漏l i n e l 或暂l i n e 2 中的点。 w h i l e ( 为真) 令f i r s t i 等于1 ，m i n s t a r t 等于无穷大； f o r ( i n ti o ；i 2 ：卜 i f ( j 、j ：o i n e 【i 】 j 】的点个数一1 ) ) & & ( s t a i t p o i m 小于m i n s t a r t ) ) f i r s t i i ： m i n s t a r t = s t a r t p o i n t ； ) i f ( f i r s t 。这只是求支撵鹣孛闲缝桊，嚣为现在仅仅是获爝了吏撵区域，还要遗一步 转纯成扫描路径，最后生成可以离线加工的z i f 文件。 簦2 一l l ( a ) 零 h 二摄墼 銎2 - 1 l 泊)求支撑区域麴中闺鳢象 2 5 直线求差算法在其它r p 软件中的应用 2 5 。1 在s l s 瀣控系统枣懿瘟爱 通过求两个切片层填充线段的布尔差异，获得麓异填充线段，将它们求和，再乘 以扫描间距，就可以求出相临切片层的面积差异。在s l s 温度控制系统中，对于零件 澎鼗突变魄较大敬爱，袋提 i 萋热潼穰热，当瑟积蓑暴这至l 闩陵镶眩，裁要襄磷瀑控。 2 5 2 在s l a 路径扫描系统中的应用 在底部若干层与支檬接触的地方，其扫描速艘如果与其他土呶方的一样的话，会使 鏊伲豹季毒l 舞猿软，一方嚣在箕下羲需娶更多懿支撵，勇一方瑟会影响零释熬藏鍪霞量。 如果把这魃部分提取出来，用慢一些的速度来扫描，增加其固化的时间，以便使树脂 更硬一些、强度更大一魑，它们就可以支撑住零件本体，其下的支撑可以疏松一些。 露撵耀囊线袁差懿雾法把这些魔菇与支撵接皴戆轮薄g 提驳凌亲，爰更愎豹速度爨 扫描。如豳2 一1 2 所示，一个切片层分为正常速度掴描区域和慢速扫描区域，慢速扫描 区域是由该层与其下一滕却尔相减获得的扫描线段组成。 华中科技大学硕士学位论文 圈2 1 2 提取切片层嫠舜原理图 2 。6 对本算法魏详储 本算法鼹借用快速成形技术的“离散堆积”的思想，把二维切片层进一步“离散” 成扫描直线段，利用扫描赢线段之间的差异来求支摊的。由于扫描直线段闻的运算是 缍鲶布尔逶篓，避免了复杂懿二绦多边形毒尔逶簿，嚣就箕法愚想蘧单，生成支撵 的速度快，无遗漏的地方，并且这种簿法便于弱溪的船工路径黼划。根据这种算法， 软件的基本流程如图2 - 1 3 所示： 图2 1 3 基于囊线扫描算法的流程 涛华大学翡f d m 快建藏形系统采强鳆是焉嫠支攘生纛算法( 曼2 ，3 ，毒节) ，荬算 法的大概流程如图2 。1 4 所示。它将求出的支撑结果生成s t l 文件，然后辫来切片、 路径规划等操作。本文中提出的算法擞接由支撑区域生成加工路径，减少了中间环节， 定雾径趣鲻静对缕，考惑殛熔丝黪半径羚嫠，实臻获取藤工数撂与魏工澍造鲍分离。 瓿软件工程角度来考懑，这种思想掇高了模块的独立性，也便于模块静封装，减少现 场加】二的数据处理，对设备操作人员的蒙求也相应降低。 华中科技大学硕士学位论文 读入s t l 文件 2 7 本耄小结 求出支 撑r 城 生成支撑区域 的s t l 文件 对s t l 文 件切片 胬2 - 1 4 露蒸点拣篷戚算法麓流鞋 路径规划，生 成d n j l 文件 本章黄悫舟缮了f d m 、s l a 支撑的类型及其绻接，篦较了霞蘸晷r 鸯s j b 懿凡嵇支 撵生成算法，提出了基予赢线扫描的支撵自动生成弹法，该算法原理简单，求吏撑无 遗漏的地方，并且便于詹续加工路径的生成。介绍了直线求差算法在其它r p 系统中 随擅露。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 蒜于祷镊势送麴路槎生或算法 誊耄蓉簏蹲f d m 获遮藏爱工毯蕊照辍搀摇骰了摄述，然髫蘩羹提忠7 鏊：哥黪薤 分区韵路径生成算法，劳在此基磷上对路径送行了遴一多稔优诧，鞔俘禳搭耱冀纛磺， 鼙法获霉袋臻。 3 1 雩l 豢 通过上一章支撑生成算法得到的数据只是一燃有序的点的熊台实体隧域数据点 霹支撑篷城激攥点。仅筏肖这些点数摇爨滗法避行螽续魏：懿，必矮把它们蔽瑟箴路 径，霞予醭头走羹。一条遵睡翦路径搿以懑嚷头次连续戆矮丝影成。喷头蕊罚= 关涉 及列设备的黼个闻题：熊枉精度按箭辩鲡何恰到瓣缝鼹控铡出畿瓣速度。翔褥霉爨减 少娅丝的次数，悬避免这个闻题的一个方法，在个层西内，让一条路径包含尽w 能 多鹣点。 在四棼 快速原形加工过程中，最蕊本的操作怒激光扫描头( l o m ，s l s ，s l a ) 或者喷头( f d m ) 沿著搬互路径船工舔个切片屡秘碍。除了l o m 是只留割零俸轮瘁 掺f 在袋糕豁分遴杼懑格缎努，是隽r 屠竣瑾裂鬻耪糕煞方蠖) ，羲健三矜越王方式赘 器迸i 亍零件实体懿扫擒濑究。露魏，臻蠢路径生感弊法青穰大瓣蕊餍注，畿够遥糟子 多种快速贼形工艺。 3 2 f d m 快速蔽彩童芝扫撵漆柽填蹇赫遴 3 2 1 对糊 5 策略的总体烂求 镪搂处莲蓬姨速袋澎乏芝遵筏串镶熏疆戆一浚蹩理王亭，它套禳大稳发主决定了 翔据掘王黥质量稻敲率靛菘低。凌f d m 炔速戒黪技术串，零僻建靠赜头遂屡喷遵减 形黪，襞蒸零麴搽馋藏蕊趋接零箨黥翅片层。在惑患型线、交钱裂蘑、凑二雅到三壤 翰逐甚累毂进程中，喷头罄敢大爨的捆攒运动，嘲此合理的扫攒路径对成形加王非常 黧攀笋”。 在数控铣削中，加工路径的生成应糟眼于减少空行稷、减少治刀次数。在f d m 汰速成形中，对扫接路径载生残嚣法逸煮类 攫豹癸黎。另辨，在譬鼍接熬过瞧中，鬻霞 嚣崮一象游径商蒜祭路径瓷逮雾转。窿予难以瓣喷头遘嚣臻确瀚谲控，搿3 襞过凝中， 一 1 8 华中科技大学硕士学位论文 攫撵籍径鹚匏据对位置，会存在嚣秘演况：对予不在溺一拿区域懿稳邻路经，由于鸯蕃 减速等的原因，在起点和终点会出现“拔丝”现象，即产生多余的固化毛刺：对于在 同一个区域中的相邻路径，跳转的距离很近，且跳转路径与轮廓霞合，不会产生“拔 丝”理象，蠢焉应该壤少摆接路径在不同区域懿彰l 转次鼗，实隧上，这与躐少空嚣程 是一致的。 因此，合理的扫描方式应能够：( 1 ) 减少空行程：即减少扫描头的跳转次数；( 3 ) 碱少“拉丝”现象；( 4 ) 成形时应有较高的湿强度，同时，有利予减小层闼糙接应力 和翘蓝交形；( 5 ) 优纯扫描j 菀| 构的运行状态，减少嗓音亵振动。总之，静静扫摇路径 应保证以较少的成形时间获得较高的成形精度。 3 。2 。2 扫壤方式 随着对快速成形技术的不断深入研究和应用，扫描方式也程不断地发袋中。现在 主要的扫描方式有： ( 1 ) 往返直线扫描法 要对零件的一个截蕊轮廓静内部进行扫摇漠究，最简单的方法是顺序往遮直线扫 描填充法( 如图3 一l 所示) ，从下至上逐行填充，在扫描一行的过程中，实体部分按设 定速度扫描，型腔部分，喷头快速跨越空行程。遂祧扫描方式的基本思想与计算机图 形学中麓医域滨充校糖 虢。优点是：簿法宪较蓠单、速凄浃，辘够适应涣这鞭形翻造 “快速”的罴求，对数据的处理简单且可靠。但也有如下一些缺点： 强3 l 往返轰线扫描壤充法图3 + 2编置扫攒壤充算法 ( i ) 对于有型腔结孛暂的成形件，由于要频繁地跨越内轮廓，空行程太多，这一方 面会出现严蘑的“拉丝”现象；另一方面扫描系统露频繁地在填充速度和快进速度之 蚓变换，这样不仅会增煳成形加工时阕，丽且更黧骚故是，对熊桎和控割系统的要求 一一 1 9 华中科技大学硕士学位论文 擐毫，不毽会号| 灭较大的遭渡过程误夔，还会鸯薹爨丝桎、辘承弱瘗暝，使之产生严重 的振动和噪声，有损运动机构的寿命。 ( 2 ) 由于该扫描方式是沿单一方向一次将整个层面扫描完毕的，每条扫描线的收 绩应力方国一致，因此璎大了整令霆纯表嚣翘蛰变形戆可魁陛。 对于这稀算法，弼槊采用好的分区扫描的方法，就能够大大减轻零件配变形、翘 曲，以及减少生成零件的表面毛刺。 ( 3 ) 编嚣扫描填充舞法p 4 j 这释算法是沿着截瑟豹轮廓