（材料加工工程专业论文）基于反求工程的快速成型系统制造精度的研究.pdf

k 连理i ：人学硕十学位论文 摘要 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g , r e ) 起源于精密测量和质量检验，是一项由设计下 游向设计上游反馈信息的技术。本文以自主搭建的反求建模系统为基础对反求工程技术 在快速成型系统中的应用、评价等方面进行了初步的探讨。 为了制造更复杂的快速成形零件，将辅助分割体概念引入快速成型制件工作中，将 复杂零件的整体脱模过程转变为辅助分割体逐步分离的过程。通过对待制造零件的辅助 分割体的合理设置保证局部细小部位的顺利脱模，实现了复杂零件的快速成型制造。 在认真分析了目前国内已有的商用三坐标轮廓仪机构的基础上，根据实验需求，设 计研制了一套三坐标反求建模硬件试验机。整个系统主要包括x y z 三轴联动进给 机构，激光测量机构，数据采集存储机构。详细分析了各部分的设计思想和工作原理， 完成了设备各个机构的分装和整装，成功实现了待测实物外表面的三维坐标的数据采 集。 在三坐标反求建模硬件试验机的基础上，开发了一套反求测控绘图建模软件系统。 系统包括运动控制，数据采集，数据处理，绘图建模四个部分。详细分析了各部分的设 计思想和作用，成功实现了对硬件试验机的运动控制和测量数据的采集处理绘图。软件 系统中利用两种方法对快速成型制件精度进行评价：一种是虚拟评价法，一种是真实评 价法。 在应用实椤i 中利用虚拟评价法对快速成型工件进行了加工代码的虚拟加工，通过虚 拟件与原型的叠形对比，颜色差异显示，表面积量化差异比较，实现了对快速成型系统 加工工艺的评价。利用真实评价法对一些零件实体进行了反求点云建模，提出了一种统 计学处理点云数据的方法，成功的实现了鼠标，散齿轮等零件的点云数据建模。最后通 过反求模型与原型的比较对快速成型的制件精度进行了评价。 关键词：反求工程；快速成型；虚拟评价；统计学 基于反求l ：稃的快速成型系统制造精度的研究 a b s t r a c t r e v e r s ee n 【g i n e e r i n g ( 1 旧w h i c hs t e m sf r o m p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dq u a l i t y i n s p e c t i o ni sat e c h n o l o g yt h a ts e r v e st ot r a n s f e rf r o md e s i 伊l o w e rr e a c h e st od e s i g nh i g b e r r e a c h e s i nt h i sp a p e r , ap r e l i m i n a r yd i s c u s s i o ni sp r e s e n t e do nt h ea p p l i c a t i o na n da p p r a i s a l o fr ei nr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fas e l f - d e s i g n e dr e v e r s em o d e lb u i l d i n g s y s t e m i no r d e rt op r o d u c em o l ec o m p l e xp a r t sb y r a p i dp r o t o t y p i n g , an e wc o n c e p t s u b d i v i d i n gp a r ti si n t r o d u c e di nr a p i dp r o t o t y p i n g t h em e t h o dr e n d e r st h ew h o l em o u l d u n l o a d i n gp r o c e s si n t oas e v e r a lp a r t su n l o a d i n gp r o c e s s t h r o u g hs u bd i v i d i n gp a r tp r o p e r d e s i g n e d ，s o m el o c a lp a r i sa l ep r o t e c t e di nm o u l du n l o a d i n ga n dt h ec o m p l e xp a r t sa g e p r o d u c e ds u c c e s s f u l l yi nr a p i dp r o t o t y p i n g u n d e ras e r i o u sa n a l y s i so fc u r r e n tc o m m e r c i a lp r o f i l em a c h i n e ，at h r e e - c o o r d i n a t e r e v e i s em o d e lb u i l d i n gm a c h i n ei sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t t h i ss y s t e mi n c l u d e sx - y zt h r e ea x l eg e a rs y s t e m , l a s e rm e a s u r i n gs y s t e m d a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h ed e s i g na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fe v e r ys e c t i o ni sa n a l y z e di n d e t a i l sa n de v e r y s y s t e m i sa s s e m b l e d c o m p l e t e l y i t s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h e t h r e e - c o o r d i n a t ed a t aa c q u i s i t i o no f c o m m o nm o d e l an e wr c v c l s cm o d e lb u i l d i n gs o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nt h et h r e e - c o o r d i n a t e l c v e r s 4 9m o d e lb u i l d i n gm a c h i n e t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e sf o u rp a r t s ：k i n e t i cc o n t r o l ， d a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g , a n dm o d e lb u i l d i n g t h ei d e ao fd e s i g na n df u n c t i o no f e v e r yp a r ta g ea n a l y z e d t h es o f t w a r es y s t e mf u l f i l l st h ek i n e t i cc o n t r o lo fr = v e 嗽m o d e l b u i l d i n gm a c h i n ea n dm o d e ld r a w i n go fa c q u i r e dd a t as u c c e 鹞f u l l y t w om e t h o d sa r ea d a p t e d i nt h ea s s e s so f = o d e lb u i l d i n gp a r t , w h i c ha r cd u m m ya p p r a i s a lm e t h o da n dr e a la p p r a i s a l m e t h o dr e s p e c t i v e l y i na p p l i c a t i o n , w i t hd u m m ya p p r a i s a lm e t h o d ，a p p r a i s a lo fr a p i dp r o t o t y p i n gp a r t si s o b t a i n e dt h o u g ht h ec o n t r a s ts i m u l a t i n gm o d e lw i t ht h eo r i g i n a lp a r to v e r l a p , c o l o ra n d s m f a c a r e a sd i s c r e p a n c i e s s o m ew o r kp i e c e sa r ec o n s t r u c t e db yr c v c i s cd a t ac l o u db u i l d i n g m e t h o d an e wd a t ap r o c e s s i n gp a t hi sp r o p o s e di nt h i sr e v e r s ed a t ac l o u db u i l d i n gm e t h o d t h i sn e wd a t ap r o c e s s i n gp a t hf u l f i l l sb u i l d i n gm o d e lo fm o u b e v e lg e a ra n di m p e l l e rp a r t s u c c e s s f u l l y f i n a l l y ，a l la p p r a i s a lf o rt h ep r e c i s i o no fr a p i dp r o t o t y p i n gw o r kp i e c e si s o b t a i n e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nt h er e v e r s em o d e la n dt h eo r i g i n a lo n e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；d u m m ya p p r a i s a l ：s t a t i s t i c s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丑盔獐日期：坦z ：丝：堑 基丁反求l 仃ii 的快速成颦系统制造粘度的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阔和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 储虢监堑 铆签名：龇湿 垒丑年立月盟同 人连理i ：犬学硕士学位论文 1 前言 1 1 反求工程技术概述 反求工程( r e v e r s ee i l g i n c c 面g ) 也称为逆向工程，它是相对于传统的设计而言的，是 近年来c a d c a m 技术领域研究的一个热点i l 洲。简单的讲，如果把传统概念的从构思一 设计产品这个过程称为一向工程的话，那么，由产品模型( 或实物卜c a d 信息模型 c a m 或快速原型制造这个过程就称为反求工程。反求工程的研究在国内外得到了广泛 的重视。反求工程是相对于传统的c a d ，c a m 技术的工作流程而言的，是对已有实物 原型进行数据测量、拟合、重构c a d 模型，分析、改进设计、实现新产品开发的一种 工程手段：是近年发展起来的消化、吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合 它以己有的产品或技术为研究对象，以现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学和 相关专业知识为基础，以解剖和掌握对象的关键形状和制造技术为目的，最终实现对研 究对象的认识、再现及刨造性地开发 1 1 1 国外反求工程发展现状 反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代初分别由美国3 m 公司、只本名古屋工业研究所及美国 u v p 公司提出并研制开发成功的。在越来越剧烈的市场竞争中。这项技术己被先进工业 国家和有远见的企业所采用，从而使其在市场竞争中立于不败之地，特别是在家电、汽 车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵器等行业碍到广泛的推广，并取得重大 的经济效益i u , - q 。 近三十年来，反求工程不但在理论上( 以各种曲面重构算法为代表) 得弱广泛的研究， 同时还涌现出一仳商用软件，或多或少地提供了一些逆向工程的功能如美国的 s u 矾c e r ，髓v e n g ，英国的d e s a u l t ，法国s t r i m l 0 软件的d g m 程序包等，这些软件提供 许多真正实用的曲面反求操作手段，但在功能覆盖域、自动化程度、稳定性、与其他c a ) 系统的兼容性等方面还不够成熟，特别是智能化程度低，很多工作必须由熟练掌握反求 构翌技巧的操作人员来实现，例如需要通过人机交互给定曲面的边界、节点数、阶数等 参数条件，对操作人员的技术要求很高，所需要的造型时间也相当可观。 在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出现了多个与反求工程相关的软件系 统，主要有：美国m a g e w a r e 公司产品s u r f a c e r 、英国d e i c a m 公司产品c o p y c a d 、英国m y r v 公司的s t r i l l i a n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、英国r e n i s h a w 公司的t r a c e ，在一些流行的 c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、 p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等 基于反求j 瞿的快速成型系统崩造精度的研究 只本开发了从m r i ，c t 重构三维实体的软件，英、法等国能将扫描数据在数控设备上复 制，美国开发y c t 可视化及转成i g e s 的软件。 1 1 2 国内反求工程发展现状 在我国，有关反求工程的研究与丌发工作也在不少单位内展丌，如浙江大学、华中 理工大学、西安交通大学，西北工业大学等，并取得一定的成果。反求工程技术是r p i j i 端数据转换和处理的重要内容。国内这方面的工作较薄弱，尚处于发展阶段。当前国内 从事反求工作研究的有1 1 捌： 浙江大学c 矗d 实验室在研复原三维模型方面丌展了大量的研究并取得较好成绩，推出 了r e s o f t 软件系统。 华中理工大学开发了三维激光彩色扫描系统3 1 ) l c s 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专利。 上海交大利用b p 神经网络重构反求技术中基于数字化点的曲面。 北京隆源公司实现了将片层反求数据( c t ，c g i ) 和激光扫描数据直接转换成r p 加工 的数据。 清华大学激光快速成型中心进行了照片反求、c t 反求研究照片反求是通过提取实 物照片的几何信息，重构实际物体的s t l 模型。有t s t l 模型，就可以用r p m 系统制造出 该物体的原型。c t 反求是指利用人体器官或工业零件的c t 切片扫描文件，通过图像处理， 提取物体的平面轮廓线，并通过层片问的插值，得到可以被r 刚系统接受的层片文件格 式。 西安交通大学完成了激光扫描法、层除法实验室系统的研制，并开发了反求工程的 核心软件一砒d 重构软件 1 2 反求工程的应用 在制造业领域内反求工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转换 为c a d 模型。 1 ) 工业设计原型是粘土或者泡沫等材料，最终要运用反求工程将实体模型转换成c a d 模型，作为一体化制造原型。 2 ) 利用反求工程对实际做出的零件进行模型重构和准确测量，与设计图纸进行比较， 进行误差分析，修改模具。 3 ) 医疗中用于人体骨骼和器官的复制，假肢的制造。还有艺术品和考古文物的复制 都需要应用反求工程技术。 2 人连理j ：大学硕士学位论文 4 ) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过 运用反求工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸 的c a d 模型。 1 3 反求工程中点云数据处理技术的发展现状 1 a1 反求工程过程及前处理 在反求系统中，主要包括三坐标测量平台采集，点云数据处理，曲面拟和重构，c a d 建模与修孙，多视数据归一化等多个处理过程，其中前处理过程点云数据的处理精度是 关系到能否准确反求和复原三维几何形状的关键，因此对这个闯题的研究也逐渐成为近 年来国内外学者关注的热点。反求工程的主要过程如下图所示： 图1 1 反求工程主要过程 f 咎1 1m 帕i n p r o c e s so f 删哪眦衄 基于反求一i 艉的快速成型系统嗣造精度的研究 反求工程过程可以归纳为以下三个步骤1 3 7 , * 1 ： 1 ) 前处理。 在计算机控制下，在载物台上对待测物体进行三坐标数据采集。然后针对采集到的 点云数据进行数据处理。目前应用的主要方法有：数据平滑，数据精简，特征值提取法。 2 ) 反求成型过程。 利用计算机针对处理过的点云数据运用样条曲线法或者三角面片法进行c a d 图形重 构，经过由点到线由线到面或者是由点直接到面的重构过程，实现待测物体的初始的c a d 建模。初始的c a d 模型主要是以下几种情况。 a 线框模型：线框模型是c a d 技术发展最早应用的一种三维模型。这种模型由一系 列空问直线、圆弧和点组成，但是它具有多义性，易混淆，无法识别曲线轮廓，不能计 算模型几何特征，不能给出立体的明暗色调效果。 b 曲面模型：把线框模型中包围的部分定义为面，所形成的模型就成为表面模型， 它比线框模型所表达的信息丰富，其数据结构是在线框模型的基础上再附加一些指针， 使棱线有序的连接。缺点是没有实体概念，数据格式无法实现标准化。 c 实体模型：具备完整的c a d 模型信息，对每个曲面都进行了完整的定义和限制， 数据格式易于实现标准化，方便进行后续的处理 3 ) 后处理。 对已经重建好的c a d 初始模型进行后续处理，对部分曲面进行平滑过渡，对缺失 曲面进行修补。针对需要进行多视数据的归一化处理，拼合所有曲面或者实体的各个部 分形成最后的反求实体c a d 模型 4 大连理l ：人学硕+ 学位论文 1 3 2 点云处理一致据平滑法 数据平滑法通常采用平均值法( a v e r a g i n g ) ，标准高斯法( c , a u s s i a n ) 1 1 朋等途径。 原理如图1 2 所示。 标准高斯法，是使得区域内数据根据标准高斯数据规律进行平滑，其特点是能较好 的保持数据原貌，但是对于奇异点或者毛刺缺乏处理办法。 平均值法指利用平均值滤波器取相邻数据点的平均值。这种滤波方法消除数据的毛 刺的效果好，缺点是会损失部分数据的原始形貌。 胀触 i ) 原始点集”标准高斯法c ) 平均值平滑法 图1 2 三种数据平滑方法 确i a t l m f f i m a b o f h t a 日妇一 1 3 3 点云处理一数据精简法 目前，激光扫描技术在精确，快速地获得数据领域有了很大的进展，三坐标激光扫 描机在反求工程中占有主导地位但激光扫描测量每分钟会产生成千上万个数据点，怎 样处理这些大批量的数据( 点云) 成为基于激光扫描测量造型的主要问题。如果直接对 点云进行造型处理，大量的数据进行存储和处理也成了研究工作突破的瓶颈，从数据点 生成模型表面要花很长一段时间，整个过程也会变得难以控制。实际上并不是所有的数 据点对模型的重建都有用，因此，有必要在保证一定精度的前提下减少扫描数据量，我 们既要对获得的大量的数据点进行精减而又要确保数据精简之后的精度。 在数据精减的研究中，提出了各种处理方法。如1 9 9 6 年k a r t i n 1 1 l 等人提出了均匀 网格减少数据法，选择广泛用于图像处理过程的中值滤波：首先是构建网格，然后把采 集数据点分配到对应的网格中，从同一网格的所有点中，选出一个处于中间位置的点来 代表那一个网格中的其他数据点，实现数据精简。此方法的优点是算法简单，精简效率 高，缺点是对捕捉产品外形形状不敏感。此方法的原理如图1 3 所示： s 基于反求：i ：程的快速成型系统制艚度的研究 一 o 1l i s t p l o 2 pz 3 。 “ 4 e 。 c 昏p 幽1 3 均匀罔格减少数据法 1 3 d e c r e a s ed a t am e t h o db ya v e r a g e 鲥 c h e ny h i 廿j 等人在1 9 9 9 年提出通过先将数据生成三角片，然后减少多边形三角片 的数量，由三角片生成s t l 文件，提高数据精简的精度。该方法构思新颖，减少了数据 精简过程的数据丢失，存在的问题是，无法对已经生成的s t l 文件进行再设计和再开发。 2 0 0 1 年k h l e e l l 4 , 1 5 l 针对激光扫描系统的特性，提出了角度阖值和距离公差法对点云数 据进行了精简，为处理点云数据提供了可以量化的基本算法 近年来国内也有很多学者针对点云精简的量化算法进行了深入的研究，以浙江大学 的工作最为突出，浙江大学的柯映林、单东日、刘云锋 1 6 - 1 9 l 等人先后提出了复杂曲面离 散布点理论和特征约束理论，并且利用该理论研发出了r e - - s o f t 反求软件系统，取得了 很好的点云数据处理效果。 1 3 4 点云处理一特征提取法 特征提取也是点云数据处理的一类方法，其方法是根据给定的曲率变化梯度限制， 推断和寻找点云中的边界、棱边、坑孔等突变特征，以方便后续建模时的区域划分、处 理、拼合1 2 吣”。 1 ) 弦偏差法 用弦偏差的高曲率变化处理扫描线点云，用来删除平坦区域的数据点，而保留下 那些具有高曲率变化的点，实现c a d 模型边界点的提取。 2 ) 角偏差法 利用角偏差变化的阖值对尖锐变化的角点进行保留实现提取c a d 模型边界特征角 数据点的目的。 6 人连理j ：人学硕士学位论文 1 4 快速成形的技术概述 快速成形技术是8 0 年代未期丌始商品化的一种高新制造技术，它有不同的英文名称， 如r a p i dp r o t o 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 l 2 4 i 。 快速成型技术是时代的产物。随着世界经济和社会的发展，一方面，激烈的市场竞 争要求企业对多变的市场反应快、实现对用户的反应时日j 短，生产模式也由大批量生产 转向小批量、多品种的生产模式。另一方面，现代科学技术的飞速发展，尤其是微电子、 计算机、数控技术、激光、材料科学的进步为制造技术的变革创造了前所未有的机遇， 这使得机械制造能够突破传统模式，而在理论上和实践上开创出了一个崭新的领域。 快速成型技术将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机数字 控制( c n c ) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体。由于快速成型技术 具有突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术， 实现并行工程中的必不可少的手段1 2 2 , 2 3 1 1 1 快速成型技术的原理和特征 快速成型技术是由c a d 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术 总称。它从成型原理上提出一个全新的思维模式，即将计算机上的三维模型按成型方向 进行离散分层，得到一系列的二维层片，然后提取出各层片的二维轮廓信息，并将这些 信息生成一定格式的加工代码，控制成型头( 激光或喷头) 有选择的固化或切割一层层 的成型材料，在成型方向上顺序形成各个轮廓薄片，通过熔结、聚合作用或化学反应等 手段，将各个薄片叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件 快速成型技术具有以下重要特征i 调= 1 ) 可以制造任意复杂的三维几何实体由于采用离散堆积成型的原理，将一十十 分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，因而可以实现任意复杂形状零件的加 工它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的闷题越是复杂的零件 越能显示出快速成型技术的优越性 2 ) 快速性。成型过程直接由c a d 模型驱动，通过对c a d 模型的修改或重组就可以获 得一个新零件的设计和加工信息从几个小时到几十个小时就可以制造出零件，具有快 速制造的突出特点。 3 ) 高柔度性。制造过程无需任何夹具或工具，即可制造出模具、原型或零件。 4 ) 实现了设计过程( c a d ) 与制造过程( c a l i ) 一体化，材料的提取过程( 气、液、 固相) 与制造过程一体化。 7 基于反求：j 艘的快速成型系统制造精度的研究 5 ) 与反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 、c a d 技术、网络技术及虚拟现实等技术 相结合，成为产品迅速开发的有力工具 1 4 2 快速成型技术的分类 当前快速成型技术的工艺方法有十多种，各种快速成型方法均有自身的特点和实用 范围。比较成熟并己商品化的成型方法有：立体光固化成型法( s l a ) 、选择性激光烧 结法( s l s ) 、叠层制造法( l o m ) 、熔融沉积造型法( f d m ) 等1 6 , 2 3 1 。 ( 1 ) 立体光固化成型法( s l a ) 立体光固化成型方法( s l a ) 是由美国3 ds y s t e m 公司推出的最早的r p 技术实用化 产品。其工艺原理是：首先由c a d 系统对零件进行三维实体造型，通过专门的计算机切 片软件对c a d 模型进行分割，形成若干薄层平面，再山c a m 软件根据各薄层平面的数据 生成加工指令，控制机器进行扫插，生成一片与激光扫描形状相同的固化光敏树脂薄片。 一层固化完成后，工作台下降一个片高度，重新覆盖一薄层树脂材料，光扫描固化新层， 如此反复形成实体零件。其成型原理见图1 4 。 ( 2 ) 选择性激光烧结( s l s ) 选择性激光烧结( s l s ) 其生产过程与立体光固化成型法相似。如图1 5 所示，首先 采用铺粉装置均匀铺粉，其厚度等于切片高度，然后激光根据层面的几何形状有选择地 对材料进行扫描，使粉末熔化，并粘结在下层材料上，而未被激光扫描烧结的粉末则作 为零件的支撑体。在完成一层烧结后，工作台下降一个切片厚度，重新铺粉，烧结，重 复这样的过程，直到烧结出整个零件 图1 4s l a 成型原理 f i g 1 4h o t o o p i n gp r i n c i p l eo fs l a b 量嘲工榭 图1 5s l s t 艺原理 f i g l 5p r o c e gp r i n c i p l e so f s l s 人连理1 ：人学硕士学位论文 ( 3 ) 叠层制造( l 伽) 叠层制造( l 伽) 是根据c a d 模型各层切片的平面几何信息对箔材进行分层实体切割 原理如图1 6 所示，首先利用激光控制装置进行x - y 切割运动，将铺在工作台上的一层 箔材切成最下一层切片的平面轮廓，随后工作台下降一个切片高度，箔材送进机构又将 新一层箔材铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘结在己成型的箔材上，激光再次进行切割 运动并切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个零件制作完成 ( 4 ) 熔融沉积制造( f d i d ) 熔融沉积制造( f 叫) 过程。原理如图1 7 所示，快速成型系统将熔丝送入x y 方向 数控喷头，在喷头内将熔丝加热到熔点以上，喷出后凝固成型，一层扫描完成后，工作 台下降一个切片扫描下一层，直到零件制作完成。 i 忭台下l 图1 6l o m 工艺原理 啦! 6 n p l i 嘞o f l o m 9 图1 73 d p 工艺原理 i v q ：1 7 盹i 枷o f 3 d p 基于反求，i 穰的快速成型系统制造精度的研究 1 4 3 基于轮廓失效的快速成型方法 覆膜粉体具有低温固结后强度升高( 2 0 0 0 c 2 8 0 t 强度晟佳) ，高温烧结后强度骤 降( 失效) 的特性，当加热温度大于6 0 0 。时。覆膜砂树脂将逐渐发生炭化，强度下降。 基于选择轮廓失效的快速成型方法( s e l e c tp r o f i l el n a c t i v a t i o n ，简称s p i 法) 就 是利用了覆膜粉体材料的这种特点。该方法属于一种新型的快速成型方法，由大连理工 大学的姚山教授于2 0 0 5 年提出，目前正处于实验阶段，主要以覆膜砂为成型材料，利 用激光扫描使覆膜砂失效。采用的激光功率要足够大，使得激光扫描过的覆膜砂失去固 结性能，形成失效分割线。成型时，首先在计算机上构造出零件的c a d 模型，沿着成型 方向进行分层处理，获得截面的二维轮廓信息，并根据成型工艺和分模要求生成加工代 码。由代码控制激光束在一层覆膜砂上扫描出零件的截面轮廓线或轮廓面，以及使目标 件容易剥离的分模线( 网格线) 。一层扫描完毕后，工作台下降一个层厚并由平整辊铺 上一层新的覆膜砂。所有层加工完毕后，在成型腔中就形成了目标零件的三维轮廓失效 面以及部分分型面。将成型腔里的覆膜砂整体加热，使覆膜砂固结，然后剥离目标件周 围的辅助分割块，就得到目标零件。其方法的全部工艺流程如图1 8 所示1 6 1 ： 广一一一一一一一一一一i i 前处理 ! o _ _ _ _ _ 一 j j k 日i 醇i 日i 翁端纛j；f ? r 一。一1 图1 8 基丁轮廓失效的激光快速成型l ：艺流程 f 毽1 8 p r o c e s s i n g f l o w s h e e t o f p r o f i l e f a i l u r e - b a s e d l a s e rr a p i d 1 0 大连理i ：人学硕士学位论文 基于轮廓失效的覆膜砂激光快速成型方法，整承了s l s 工艺成型材料广泛和l 嘲工 艺成型速度快的优点，具有以下明显特点1 2 】t 1 ) 成型速度快。继承了l 0 t l 法的轮廓扫描和网格划分的路径扫描特点，克服了s l s 法面域扫描带来的成型时间过长的缺点。成型时间与零件的表面积成j 下比，而s l s 法的 成型时间与零件的体积成正比。 2 ) 成型件的表面质量高，机械性能好。激光扫描只是起着预分割的作用，成型件的 强度建立采用的是整体加热固结的方式，符合覆膜砂的一殷固结规律，因而能得到表面 质量和机械性能较好的成型件。 3 ) 成型材科范围广。从理论上来说，任何具有热固性的粉末材料都适合本方法。 1 5 应用反求工程对快速成型系统评价的意毙 近年来随着r p ( r a p i dp r e t e t y p i l g ) 技术的广泛推广，为i u 技术提供原型数据的 反求工程技术也变得越来越重要了。反求工程与快速成型技术的结合体现了现代化先进 制造技术的理念，两者都颠覆了传统的设计加工模式，从全新的角度来定义和实现错造 业利用反求工程对快速成型评价有如下优势z 1 ) 利用反求工程可以针对快速成型的制造件进行计算机“d 模型重建。可以评价 快速成型系统的制件精度 2 ) 根据反求工程得到的c a d 模型与原设计c a d 模型进行比较可以得出误差大小， 针对误差调整快速成型设备或者工艺，改善快速成型的制件质量。 3 ) 进一步实现反求工程与快速成型的无缝连接，使数据传递标准归一化，使得后 续的改进更容易实现。 4 ) 利用反求工程进行评价，和于保存快速成型制成件的后续图纸 5 ) 利用反求工程也可以针对快速成型系统进行评价，确定系统的运行精度 基于反隶l 搬的快速成型系统制造精度的研究 1 6 本文的主要研究内容 基于选择轮廓失效的覆膜砂激光快速成型方法是一种新型的快速成型方法，经过 陈宝庆、曾锋、叶昌科等人的研究探索，目前在成型原理、方法、实验设备、软件开发 控制等方面都逐渐成熟。本文在i j i 人研究的基础上，将辅助分割体概念引入快速成型， 实现了一批复杂零件的快速成型制造，又充分阅读了反求工程的相关文献，利用实验室 现有条件搭建了一套激光三坐标反求测量平台，针对反求工程在快速成型中的应用和评 价进行了初步探索性的研究，具体内容如下： ( 1 ) 将辅助分割体概念引入快速成型，实现了一批复杂零件的快速成型制造。 ( 2 ) 设计制作了一台激光三坐标反求建模机械设备试验机。包括设备机床本体的 设计；三轴运动机构的设计与装配：激光采集系统的设计、安装及调试；u s b 采集系统 的集成和调试以及机械设备运功限位和整个反求建模系统的总装。 ( 3 ) 开发了一套激光三坐标反求建模软件系统。包括软件系统的总体设计；硬件 系统的运动控制；数据采集存储处理；以及s o li d w o r k s 环境下的绘图建模。并提出了 两种方法对快速成型制件进行评价。一种是虚拟评价法。一种是真实评价法。 ( 4 ) 在应用实例中利用虚拟评价法对快速成型工件进行了加工代码的虚拟加工， 通过虚拟件与原型的叠形对比，颜色差异显示，表面积量化差异比较，实现了对快速成 型系统加工工艺的评价。利用真实评价法对一些零件实体进行了反求点云建模，提出了 一种统计学处理点云数据的方法，成功的实现了鼠标，散齿轮等零件的点云数据建模。 最后通过反求模型与原型的比较对快速成型的制件精度进行了评价 入连理l ：大学硕士学位论文 2 引入辅助分割体实现复杂形状零件的快速成型 2 1 辅助分割体的原理及实现过程 2 1 1 辅助分割体的概念 选择轮廓失效激光快速成型方法在制造成型零件时存在脱模困难的问题。其原因在 于覆模粉体加工零件在整体加热以后就会发生固结，在失效轮廓两侧的实体会分别固 化，这样大块的由砂子形成的固化实体会十分降硬，而且在某些部位会发生与制造零件 的位置干涉，这样在去除废料的过程中会使得制造零件遭到破坏，从而导致零件制造的 失败。在复杂形状的零件中，这种情况尤其严重 辅助分割体的概念是把零件周围的大块废料在加工前设计成小碎块，让碎块的边界 随零件一起加工出来。在热固结以后，零件周围的大块废料已经被加工成许多微小的碎 块，可以比较容易的逐块进行脱落宪现复杂形状零件的嗣备 z 1 2 辅助分韵体的曩理 辅助分割体的引入使得目标成型体可以整体脱开而不会与待破碎体发生干涉现象， 解决了因几何结构限制无法一次性整体成型复杂形状几何体的难题，它的实现原理可以 用以下几个步骤完成 1 ) 在计算机上完成待成形零件的三维实体造型和砂箱的实体造型，并通过c 朐软 件系统的集成运算功能，在砂箱实体模型上减去待成形零件，生成砂型三维几何模型， 此时在计算机系统中同时存在零件和砂型两个实体模型，这两个实体的并集就是整个砂 箱； 2 ) 根据最终的成形需要和目的，在步骤l 的两个实体模型中选择一个作为快速整 体威形的目标实体，另一个定义为待破碎体； 3 ) 可根据整体成形目标实体的几何结构特点，将镣破碎体有趣律迨破碎成一系魏 的小块的剥离体，形状为小的长方体或近似长方体，这些剥离体的位置在整体成形目标 实体的周围，这些剥离体的并集即为待破碎体； 4 ) 在z 向进行自动分层切片；z 向切片剖切目标实体时生成的边界二维轮廓线，以 及z 向切片与步骤3 的剥离体相剖切生成的一系列轮廓线，共称为辅助分隔线，这些辅 助分割线共同组成该切片层的激光加工轨迹线； 5 ) 激光系统根据每一切片层激光加工轨迹线的信息，控制激光光束对覆膜粉体材 料进行扫描，使其失去热固结性能，形成该切片层的二维轮廓失效线： 基于反求i ：程的快速成型系统制造精度的研究 6 ) 工作台的活塞在计算机分层厚度的控制下，下降一个层厚，重新进行铺粉，重 复步骤5 ，直至每个切片层的激光加工轨迹线全部扫描完毕； 7 ) 此时。成型目标实体对应的覆膜粉体是一个被一系列二维轮廓失效线衔接而成 的边界曲面所包围的三维整体而破碎体所对应的覆膜粉体则被辅助分隔线分隔并包围 形成一系列与步骤3 对应的剥离体，形状为长方体或近似长方体； 8 ) 当把整个覆膜粉体材科按加热规范加热固化后，成型目标实体对应的覆膜粉体 固结为一个整体，而待破碎体热固结后，则被辅助分隔线破碎为一系列独立的剥离体， 形状为长方体或近似长方体； 9 ) 利用震动和适当的外力作用，可使构成待破碎体的剥离体依次脱落并与目标成 型体相剥离，最终得到由覆膜粉体整体固结制成的成形目标体。 2 1 3 辅助分割体的实现过程 下面以叶轮为例介绍辅助分割体的整体实现过程： 首先在计算机中完成。叶轮”的三维c a d 模型的造型设计和砂箱实体造型设计， 并通过c a d 软件系统的集成运算功能，在砂箱实体模型上减去“叶轮”实体，生成以 “叶轮为空腔”的砂型三维几何模型。此时，在计算机系统中同时存在。叶轮”实体模 型和以“叶轮为空腔”的砂型两个实体模型，这两个实体模型的并集就是整个砂箱。根 据需要选择“叶轮”作为快速整体成型的目标实体，而把以“叶轮为空腔”的砂型作为 待破碎体，再将待破碎体。叶轮为空腔”的砂型有规律的破碎成一系列的小块剥离体， 形状为小长方体和近似长方体。当计算机模型构造完成后，计算机进行z 向自动分层削 切，层厚为0 5 毫米，剖切目标实体“叶轮”形成二维边界轮廓线，剖切待破碎体“以 叶轮为字腔”的小块剥离体形成二维辅助分隔线，两者共同组成该切片层的激光加工轨 迹线。 当激光加工轨迹线形成后。计算机控制运动系统在工作台上铺0 5 m m 厚度的覆膜粉 体材料，并根据这一层片的加工轨迹线信息，控制激光光束对覆膜粉体材料进行扫描， 使其失去热固结性能，形成该片层的二维轮廓失效线。重复以上步骤直至每个切片层的 激光加工轨迹线全部扫描完毕。此时成型目标实体“叶轮”对应的覆膜粉体是一个被一 系列二维轮廓失效线衔接而成的边界曲面所包围的三维实体；而待破碎体对应的覆膜粉 体是被辅助分隔线包围形成的一个个独立的小块剥离体。 对该覆膜粉体材料整体进行预热后，取出放在加热炉内加热强化，预热温度为2 ，加热温度为2 8 0 ，加热时自j 为3 分钟。所得固结件取出并自然冷却。这时目标实 体。叶轮”对应的覆膜粉体固结为一个整体，而待破碎体以“叶轮为空腔”的实体对应 1 4 人连理i ：人学硕士学位论文 的覆膜粉体被辅助分隔线分隔为一系列独立的小剥离体。利用震动和适当外力便可以这 一系列的独立的小弱离体依次脱落而与目标实体“叶轮”件相脱离，最后得到复杂几何 形体“叶轮”件。其整个辅助分割体的剥离过程如图2 1 所示，得到的叶轮零件如图2 2 所示。 一一 图2 i 叶轮辅助分割体的逐步脱落过程 l r t g 2 1 s e v e n i e a i m d q p p , , - _ o f t h e 面叩蜘s u b d i v k 峨瞳 酗2 2 展后得到的叶轮什 f i g 2 2f i n a l l yo o t a i n e di m p e l l e r 基于反求：j ：程的快速成型系统制造精度的研究 2 2 辅助分割体在复杂零件中的应用 1 ) 机械底座的辅助分割体设计 机械底座在机械设计生产中经常被用到，是一种很常见的机械零件，但是在机械生 产中它的中问的孔洞大都是应用机床束进行生产的，但是在快速成型加工过程中它的孔 洞处理就成为一个比较复杂的问题。其c a d 图形如图2 3 所示。 图2 3 机械底座的c a d 图型 f g 2 3c a dm o d e lo fm e c h a n i c a lb a s e 首先认识到零件中间部分存在薄壁部分而且又有要求去除的孔洞，所以应该考虑利 用辅助分割体进行脱模，对零件的薄壁部分进行保护。在辅助分割体的设计过程中还应 该考虑设计的碎块是否容易分离。在设计过程中要考虑加工零件的自身结构特点。机械 底座的上半部分形状比较特殊，如图2 4 所示。 图2 4 机械底座的上f 部分 f i g 2 4t h eu p p e rp a r to f m e c h a n i c a lb a s e 1 6 图2 5 辅助分割体的设计 f i g 2 5 t h e d e s i g n o f s u b d i v i d i n g p a a 人连理j ：人学硕士学位论文 机械底座的上半部分丌口和竖直的圆孔相连，中白j