（材料加工工程专业论文）快速成型过程中精度控制及其传递规律的研究.pdf

武汉理t = ： ：= 学域，l ：学位论文 摘要 本文在全面分析和总结目前快速原型制造技术( r 刚) 国内外发展现 状及应用的基础上，针对快速原型制造技术存在的问题，对快速成型过程 中影响快速成型制品精度的关键技术进行了研究和探讨。 首先从s t l 转化过程中误差产生的原因着手，找到表面网格化处理这 个因素会对精度产生影响，结合具有代表性的三维造型软件，对转化过程 中控制参数( 弦高) 进行优化，得到既能满足三维实体精度要求，又不需 要占用太多时间、空间等情况下的最佳弦高选用值。 通过分析s t l 转化过程中三角形面片之间的几何连续性，应用其连续 性，使得各个三角形之间建立一种索引关系。在读入s t l 文件时通过面、 边、点的拓扑信息，可分析s t l 文件缺陷，利用相关软件进行修复，可以 显著降低内存占用量，加快拓扑信息提取时间，提高s t l 转化精度。 通过对l o m 快速成形系统及其制件精度的分析，研究了数字模型一快 速原型之间的精度传递规律，提出对数字模型的修改方案，并利用研究所 得精度传递规律，进行实验验证。 关键词：快速原型制造s t l 数据模型数据处理精度控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do naf u l l s c a l ea n a l y s i sa n ds u m m a r yf o rt h ed e v e l o p m e n ts t a t u si n q u oa n dt h ea p p l i c a t i o no fr 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 gn a t i o n a l l ya n d i n t e m a t i o n a l l y , t h ek e yt e c h n o l o g y w h i c hh a se f f e c t0 1 1t h e p r e c i s i o n o f p r o d u c t si nr pp r o c e s si sr e s e a r c h e da n dp r o b e di n t oa c c o r d i n gt op r o b l e m s e x i s t e di nr p m t e c h n o l o g y t h ep a p e rs e ta b o u tf r o mt h er e a s o no fe r r o rp r o d u c e di nt h ec o u r s eo f t r a n s f e r r i n gc a dm o d e lt os t lf i l e s i ti s f o u n do u tt h a ts u r f a c e - m e s h i n g p r o c e s sh a si m p o r t a n te f f e c to np r e c i s i o nw h i c hr e s u l t si nt h ee m e r g e n c eo f e r r o r s b yc o m b i n i n gw i t hu s i n gt y p i c a lt h r e e d i m e n s i o n a lp a i n ts o f t w a r e ，t h e c o n t r o l p a r a m e t e ri nt r a n s f e r r i n gp r o c e s s ，n a m e ly t h ec h o r dh e i g h t ，i s o p t i m i z e d n 屺o p t i m a lc h o r dh e i g h tp a r a m e t e ri sf o u n db yw h i c ht h ee n t i t y c a nb ed e s c r i b e dm o r ea c c u r a t e l y i ta l s ot a k e sl e s st i m ea n de m s m e m o r y t o d e a lw i t h g e o m e t r yc o n t i n u i t yo ft h et r i a n g u l a rf a c e t si sa n a l y z e di nt h ec o u r s eo f g e n e r a t i n gs t l f i l e s t h ei n d e xr e l a t i o ni sb u i l tu pb e t w e e ne v e r yt r i a n g u l a r f a c e tb y m a k i n g u s eo ft h i sc o n t i n u i t y t h ed i s f i g u r e m e n t se x i s t e di ns t l f i l e s c a nb ea n a l y z e di ft o p o l o g yi n f o r m a t i o na m o n gf a c e t s ，s i d e sa n dp o i n t si s u t i l i z e dw h e n r e a d i n gs t l f i l e s i fr e p a i r e db yu s i n gr e l a t i v es o f t w a r e ，i tw i l l t a k el e s st i m ea n de m s m e m o r y t op r o c e s sd a t u ma n di m p r o v et h ep r e c i s i o n i np r o c e s s o f t r a n s f e r r i n gc a d m o d e lt os t lf i l e s t h e p r e c i s i o no fp r o d u c tm a d eb yt h el o mr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mi s a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h el a wo fp r e c i s i o nt r a n s f e rf r o md i g i t a lm o d e lt o r a p i dp r o t o t y p i n gw a ss t u d i e dt o o t h em o d i f i c a t i o np r o j e c tt od i g i t a lm o d e l w a sb r o u g h tf o r w a r dt h e n f i n a l l y , t h ei n t e r r e l a t e d e x p e r i m e n ti s d o n et o v a l i d a t et h el a w g o tf r o mt h e r e s e a r c h k e yw o r d s ：r p m ，s t ld i g i t a lm o d e l ，d a t ap r o c e s s i n g ，p r e c i s i o nc o n t r o l 武汉理工人学颂士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代科学技术的进步，尤其是微电子技术、计算机技术和网络通 讯技术的快速发展，高新技术已经成为推动经济增长的重要因素。各种产 品越来越向多品种、小批量、高精度、高性能、低成本的方向发展“。制 造业为了保持产品的市场竞争力，要求设计者及制造者尽量缩短产品的开 发、制造周期，从而实现对市场变化、新技术开发以及竞争对手阶跃变化 的快速反应能力，达到快速产品开发( r a p i dp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 的目 的。因此，产品从设计到实际投产的开发时间便成了最基本的测定基 准点之一，而原型及模具的制造是其中最重要的一个因素，它有利于尽快 对产品设计进行验证和投产制造。一。 传统制造零件原型，需要几周或者几个月的时间和昂贵的费用，不能 满足市场竞争的要求。为解决这一问题，2 0 世纪8 0 年代末。出现了一种 全新的制造技术，即快速原型制造技术( 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 ) 1 。这是一种集c a d 、c n c 、激光和材料科学 于一体的新型技术，它采用离散堆积“成型的快速分层制造工艺，使 得计算机中的c a d 几何模型与制造过程模型共享一个集成环境，能直接 从三维c a d 实体数据模型生成产品原型“。，从而大大缩短了新产品开 发周期。该技术是近年来制造技术中最重大的突破之一，它的应用使产品 从设计到实际投产丌发时间减少了6 0 ，甚至9 0 “。 1 2 快速原型技术综述 1 2 1 快速成型技术的基本原理 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 是8 0 年代末期发展起来 的一项高新技术，是制造技术的一项突破性进展，它是指在计算机控制与 1 - 武汉理工人学硎士学位论文 管理下，根据零件的c a d 模型，采用材料精确堆积的方法制造原型或零件 的技术，是一种基于离散堆积成型原理的新型制造方法。 快速原型的基本原理和成型过程是：先由c a d 软件设计出所需零件的 计算机三维曲面或实体模型，即电子模型，然后根据工艺要求，将其按一 定的厚度进行分层，把原来的三维电子模型转化成二维平面信息( 截面信 息) ，再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，生成数控代码 最后在微机的控制下，数控系统以平面加工方式有顺序的连续加工出每个 薄层层片，并使它们自动粘接成型，从而把复杂的三维成型问题变成了一 系列简单的平面成型问题。 r p 足当代制造技术的前沿，它不同于传统的切除毛胚余量成型 “去除成型”，也不同于在模腔内成型“受迫成型”。作为一种新的成 型方法，r p 技术几乎能快速的制造任意复杂的原型或零件，而且零件的 复杂程度对成型工艺难度、成型质量、成型时间影响不大。因此，r p 技 术发展极为迅速，已有十几种基于不同工艺的r p 成型方法如s l a 、l o m 、 f d m 、s l s 、3 d p 、b p m 等 1 5 - 1 7 。根据原材料形态，可将r p 工艺分类如下( 1 8 删1 ： ( 1 ) 光固化成形( s l a - s t e r e o ii t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 在s l a 中，有一个氦一镉激光器，发射高能紫外线光束( u v ) ，用u v 激光束在光凝固环氧树脂表面扫描物体片层形状，每次生成厚度约为 5 0 一3 0 0um ，从底部逐层生成物体。当激光的能量超过一定值后，液态环 氧树脂便聚合凝固。当固化完毕，工作台向下移动，在刚固化的树脂表面 布放一层新的液态树脂，循环扫描、固化，直至最后一层( 顶层) 形成。 ( 2 ) 叠层成形( l o m l a m in a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) i 0 m 是分层加工法，将预先制作好的有一定厚度的材料层整块整块地 通过热粘结一层一层的粘结在一起成为一个方块。在各层被覆盖前用计算 机控制的c o 。激光束切割出实体的轮廓。该法成型的原形无内应力、无变 形，因而精度高。成型时激光不必照射整个断面，所以成型速度快。用这 种方法成型的原形精度可达o 1 哪，且原型制作不需支撑，成本低。 武汉理工_ = ；= 学硕士学位论文 ( 3 ) 选域激光烧结成形( s l s - s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 选域激光烧结成型是用红外线激光熔化粉末状材料来形成三维物体。 粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉末、覆膜砂等。 在加工区域内用一滚筒均匀地铺上一层热塑性粉末材料，用激光在粉末表 面绘出所加工物体的截面形状，激光热量使粉末状材料熔化并在接触点处 与旧层粘结，逐层进行，直至物体形成。 ( 4 ) 熔丝沉积成形( f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e i j n g ) f d m 采用的是热塑性纤维状材料，材料熔化后从传送头出来，逐层地 在底座上沉积。这种层叠技术依赖于成型材料的快速固化性能( 大约0 1 秒) 。熔融态的热塑性材料快速沉积成薄层，从底座上开始逐层从模型底 部向上进行，直到顶部完整的模型生成为止。 ( 5 ) 其它 p r o m e t a l 公司推出r t s 3 0 0 机型，可直接快速生产金属零件。3 d s y s t e m 公司开发了一种使用热塑性塑料的多喷头式热力喷射实体打印机 ( t h e r m oj e ts o l i do b j e c tp r i n t e r ) ，成型速度更高。 1 2 2 快速成型技术的特点 快速成型技术之所以在其出现后得到了迅速的发展和较为广泛的应 用，一个重要的原因是由于它具有如下特点愀2 引： ( 1 ) 高度柔性 r p 技术的最突出特点就是柔性好。它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、要求和批量改变时，无需重 新设计，仅通过改变c a d 模型、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 r p 技术是计算机、数控、激光、材料和机械等技术的集成。它既是 现代科学技术发展的必然产物，也是对他们的综合利用。在成型概念上， 它以离散堆积成型为指导；在控制上以计算机和数控为基础、最大柔性 为目标。因此只有在计算机和数控高度发展的今天，才有可能诞生此技术。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 设计制造一体化 快速成型技术的另一个显著的特点就是c a d c a i i l 一体化。设计制造一 体化一直是人们追求的目标，而快速成型采用了离散堆积的加工工艺， c a p p 己不再是难点，c a d 和c a m 能够很好的结合在一起，实现了设计制造 一体化。 ( 4 ) 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，从c a d 设计到原 形( 或零件) 的加工完毕，只需几个小时到几十个小时，复杂，较大的零 部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传统的成型方法要快得 多。 ( 5 ) 自由成型制造 自由的含义有两个：一是可以根据零件的形状，无需专用工具的限制 而自由的成型；二是指不受零件形状复杂程度的限制。 ( 6 ) 材料的广泛性 快速成型技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸、石蜡 类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。在某些工艺中，还可以从 液体中乃至气体中直接生成固体原形，使材料的制备和原形的加工统一起 来。因此该技术可以广泛的应用于各种材料的成型中。 1 2 3 快速成型技术的软件系统 快速成型技术的软件系统由三部分组成：c a d 造型软件、数据检验和 处理软件阻及监控系统软件。c a d 造型软件负责零件的几何造型，支撑结 构设计及s t l 文件输出等。c a d 造型软件一般采用市场上较为流行的c a d 造型系统，如p r o e 、u n i g r a p h i c s 、a u t o c a d 、i d e a s 等这些软件都有 较强的造型功能，并都含有s t l 文件输出接口：数据检验与处理软件输入 s t l 文件，检验其合理性并修正错误，做几何变换，选择成型方向，零件 排样合并，进行实体分层，监控系统软件完成分层信息输入，加工参数设 定，生成n c 代码，控制实时加工等。 武汉理 _ = 大学硕士学位论文 1 2 4 国内外研究现状 1 2 4 1 国外的研究现状和发展趋势“。 国际上有关快速成形制造技术学术研究活动非常活跃。从1 9 9 0 年开 始，美国和日本每年都要举行r p m 学术会议，学术会研讨的内容包括r p m 基本理论、新的r p m 方法、新材料开发、间接或直接制造金属零件的方法、 提高制件的精度、以及拓宽应用领域等。目前，世界上有2 0 0 多家机构开 展了r p m 及相关的研究。其研究内容涉及到新的工艺方法、新材料的开发、 快速模具制造、制件精度、c a d 建模软件及新应用等方面“。归结如下： ( 1 ) 新工艺的研究。涌现了一些新的成形方法，如多种材料组织的熔 积成型、层扫描光固化、直接光成型、光成型表面光顺工艺等。另外，也 在研究新的成形机理，以进一步完善r p m 技术，降低成本，提高成形精度 和缩短成形时间。 ( 2 ) 新材料的开发。研制成本低、易成形、变形小、强度高、无污染 的成形材料。降低成形材料的成本，提高制件的精度，开发新的更便宜的 材料。 ( 3 ) o a d 建模。研究基于测量与曲面拟合的集成系统，将分离的测量 与曲面拟合过程集成在一起，对测量结果实时拟合，用拟合结果指导测量， 减少测量数据，提高建模精度：开发高精度的、具有自动诊断和修复功能 的三维重构数据处理软件，提高了实体建模的自动化程度和通用性。 ( 4 ) 提高制件的成形精度。除了对新材料、新工艺两方面的研究外， 还对制件的表面处理方法进行了研究，以使成形过程中制件的翘曲变形 小，成形后能长期稳定不变形。 国外的快速原型发展趋势如下“： 1 ) 提高r p 制作精度。大力改善快速原形制作系统的制作精度，可靠 性，生产率和制作大件的能力，并推出新一代的机型。 2 ) 快速成型方法和工艺的改进和创新。目前围绕提高快速成型件的精 度，减少制作时问，直接制作功能零件的研究目标，有多种新的快速成型 方法或工艺处于实验室研究阶段。 武汉理工大学硕上学位论文 3 ) 开发快速成型的高性能软件。c a d 文件转换处理软件，如 s o l i d v i e w 、m a g i c s v i e w 、s t l v i e w 这些软件都可对s t l 的描述体进行 图形变换。快速高精度的直接切片软件，克服或补偿目前通用的s t l 文 件格式所存在的弊端，复杂曲面要求r p 直接c a d 产生的切片轮廓，另外 医学上的c t 切片，激光测量或机械式三坐标测量得到的都是大量的点信 息，这些可能导致r p 系统数据输入格式的多样化。高性能r p 系统的 工艺数控软件。 4 ) 软件的高度集成。r p 与c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 、以及高精度自动测 量的一体化集成。这项技术可以大大提高新产品第一次投入市场就十分成 功的可能性，实现快速反馈设计。 1 2 4 2 国内r p 技术的研究状况 中国自9 0 年代初开始进行有关快速成形技术的研究和丌发近年来 在r p 领域的研究取得了很大进展，学术交流活动非常频繁。 目前国内有华中科技大学、清华大学、北京隆源自动成形系统有限公 司、西安交通大学、南京航空航天大学、浙江大学及香港一些学校等多家 单位从事快速成形硬件和软件方面的研究，己取得令人瞩目的成绩。 华中科技大学多年来致力于高可靠、高性能和低成本快速成形系统的 研究。在快速成形系统主机、控制、材料、软件以及快速制模等关键技术 中取得了相应的进展，以l o m 技术为例，它们取得以下成果：实施了无拉 力叠层材料送进装置等多项发明和实用新型专利，使l o m 成形系统主机工 作可靠，l o m 制件精度提高到0 1 m m ，主机成本大幅度下降；开发出性 能优良的l o m 材料，制作出壁厚l m m 、局部壁厚0 3 m m 的复杂薄壁件，扩 大了l o m 技术的应用范围；解决了国产c 0 2 激光功率不稳定问题，替代进 口，激光器由1 6 万元降低到0 5 万元；丌发成功基于软件芯片的多任务、 大数据量、多轴、高速实时控制系统，使控制系统成本大幅度降低。”“ 清华大学也是国内研究快速成形较早的单位之一，他们的主要产品有 基于f d m 的m e m 2 5 0 一i i m e m 6 0 0 。基于l o m 的s s m 8 0 0 s s m l 6 0 0 。其中s s m l 6 0 0 是世界上最大的快速成形设备，成形空间为1 6 0 0 m m ( 长) 8 0 0 m m ( 宽) 7 0 0 m m ( 高) ，精度可以达到士0 1 5 m m 。该设备采用分布式控制系统，两 武汉理工大学硕士学位论文 套独立的控制系统控制两套独立的激光系统，这种分区并行加工方式可以 大幅度提高加工效率，整体加工时间可缩短4 0 。此外，他们还成功研制 出多功能快速原型零件制造系统，该设备能根据用户的需要分别采用不 同的材料执行不同的工艺，在一台机器上集成了s s m 、m e m 两种不同成形 方法。而且均能达到单功能r p 设备的水平。大大提高设备利用率和性能 价格比，具有多种r p 工艺的互补性降低了成本，提高了制件精度1 。 同时在技术原理、成形精度控制技术、参数优化等方面的研究也取得 了比较明显的进步。如：西安交通大学提出了增材制造的理论以及华中理 工大学对于数据重构原理都有较为深入的研究“。 1 2 5r p 技术的展望啪1 从上述r p 技术的现状来看，快速原型技木在未来几年的主要发展趋 势如下： ( 1 ) 提高r p 系统的速度、控制精度和可靠性、优化设备结构、选用性 价比高、寿命长的元器件，使系统更简洁、操作更方便、可靠性更高、速 度更快。开发不同档次、下同用途的机型。例如：一方面开发高精度、高 性能的机型，以满足对成型零件尺寸精度、形状精度和表面质量要求很高、 或特殊要求的用户：另一方面，丌发专用于检验设计、模拟制品可视化以 及高校教学等领域，而对尺寸、形状精度和表面质量要求不高的概念机。 ( 2 ) 提高数据处理的速度和精度。研究用c a d 原始数据直接切片的方 法，以减少数据处理量和因s t l 格式转换而产生的数据缺陷和轮廓失真。 ( 3 ) 研究开发成本低、易成型、变形小、强度离、耐久及无污染的成 形材料。将现有的材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于 r p 技术的工艺要求。从r p 的特点出发，结合各种应用要求，发展全新的 r p 材料。降低r p 材料的成本，提高制件精度，发展新的更便宜的材料。 ( 4 ) 开发新的成型能源。前述的主流成型技术中，s l a 、l o m 和s l s 均以激光作为能源，面激光系统( 包括激光器、冷却器、电源和外光路) 的价格及维护费昂贵且传输效率较低，影响制件的成本及精度。新成型能 源方面的研究也是r p 技术的一个重要方向。 武汉理工大学硕1 ：学位论文 ( 5 ) 研究开发新的成型方法。在过去的十年中，许多研究者开发出了 十几种成形方法，基本上都是基于立体平面化一离散一堆积的思路。这种 方法还存在着许多不足，今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的 快速原型方法，即r p 与c n c 机床和其它传统的加工方式相结合，以提高 制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从r p 原理延伸，产生一些新 的快速成型方法。 1 3 课题研究的背景、意义3 1 毫无疑问，在这项高新技术中，精度是快速成形的基石”。一方面 随着r p 技术应用领域的扩大，对快速成形的零件精度要求越来越高；另 一方面，随着各项单元技术如激光技术、n c 技术、材料科学的不断发展 以及对快速成形工艺研究的不断深入，快速成形的零件精度也不断提高， 而且，快速成形设备的制造商也不断增加，因此，研究精度问题，能客观 地、精确地评价一台机器或者一种成形工艺所能达到的精度能力，不论是 对该项技术的用户、成形设备的制造商还是研究者们，都具有及其重要的 意义。同时，精度问题也是成形设备制造商进行市场竞争的重要内容，特 别是国内，已有不同种工业化的快速成形设备制造出来，必将参与国际市 场的竞争，而一些企业也不断地引进国外同类设备，因此，探讨精度问题， 对于公平竞争，合理引进，无疑是完全必要的。 c a d 造型系统能够精确地描述产品形状尺寸，经三角化处理后所有平 面和曲面都变成多面体，使模型的形状和尺寸精度都降低了。当模型的一 个面与快速成型系统制造方向成一定角度时，给定偏差不再是切片的最大 误差，而实际误差是给定误差的好几倍。这样在分层处理及n c 后处理时 已经在失真数据的基础上进行，必然影响到制件形状和尺寸精度。如果原 几何模型完全山直线边组成，则s t l 拟合绝对准确，没有任何误差，否则 存在拟合误差。 一般来说，近似程度越高，三角面片的数量越多，近似程度越低。三 角面片的数量越少。一般情况下零件模型表面三角形化的给定参数为弦高 和控制角，弦高为实际曲面到相应近似平面的高度，即给定误差。计算机 r 武汉理工大学硕士学位论文 三维造型软件输出s t l 格式数据文件需要注意的是选择合适的转换精度， 精度太低，影响快速成形制件的质量，但精度过高，文件尺寸太大，又不 便数据传输，同时影响快速成形系统数据处理的速度。因此找到最佳弦高 及控制角对于既要考虑到精度，又要兼顾到效率是非常重要的。 另外，国内外对于r p 和r t 的研究只是局限在各个具体工艺步骤的可 靠性和精度质量的探讨上，但是将基于r p 技术的快速模具制造看成一个 r p r t 集成系统，全面系统地研究其各个环节工艺精度的内在联系、相互 影响和累积系统效应，按照一个闭环模式将累积误差反馈到c a d 三维设计 输入端去修改数据，逐次迭代。从而制造出满足精度要求的模具产品，这 方面的研究目前还很少。由于r p r t 集成制造环境下工艺环节多，各工艺 环节中变形机理复杂且随机因素较多( 复制材料种类和工作温度都对其有 明显影响) ，因而对各工艺步骤的精度控制带来了一定的困难。而全闭环 的精度控制模式可以对整个工艺过程中的精度影响因素作为一种累积效 应来进行控制，直接修改c a d 数据，从而保证了r p 原型和模具具有较高 的精度。 因此在c a d 设计阶段就应将随后的整个工艺过程中可能出现的各种 影响精度的因素都考虑进去，包括快速成型过程中的尺寸变化、原型翻制 过程中的尺寸变化，以及在注射成型产品过程中的误差补偿等，从而获得 一个综合考虑了集成制造环境下不同影响因素以后的比较合理的c a d 数 据。按照这样的数据来制造的原型及模具的精度将会大大提高。目前关于 r p 原型的制作精度问题出了大量的文章，有研究原材料物化性质的，有 探讨激光扫描方式的，有关于三维c a d 模型分层方向的，还有关于支撑设 置方式和树脂后固化处理的，等等。但采用r p 技术制成的零件大部分只 是一个原型，还不是由最终工程材料制成的零件或产品。也就是说，还要 以这个原型为母型去翻制出最终产品来。即使r p 原型精度很高，也会由 于后续制作的不良工艺而导致模具和产品报废。因此，整个快速模具制造 过程中的误差链应作为一个闭环系统来考虑。而且这个闭环系统应当说是 可控的。 在实际工艺_ f _ 】，可以先选择几种典型零件( 不同复杂程度) 进行设计， 得到c a d 三维模型，经分层处理后输入r p 成形机制作原型。原型制作完 武汉理工大学硕士学位论文 毕经打磨、抛光和尺寸检查( 应预先考虑到随后翻制过程中的尺寸变化量， 不同的翻制过程和翻制次数其尺寸变化量是不一样的) 合格后利用硅橡 胶或金属树脂等翻制成软模。模具加工好以后，经试模、修模后正式投入 生产( 例如生产注塑件) 。产品是否合格可采用反求技术( 反求测量精度为 0 0 3 m i n ) 精确测得其内外轮廓尺寸。因为此时的精度误差是整个工艺的 累积结果，可以依据该误差更新修改c a d 数据，修正c a d 模型后进行下一 轮实验，得到闭环系统精度控制的结论。以后的实际制作牛可用此结论预 测不同形状模具的工艺变形参数并给予补偿修正。 1 4 本课题研究内容 从s t l 转化过程中误差产生的原因着手，寻求到表面网格化处理、 会对精度产生一定的影响，从而导致误差的产生。结合具有代表性的三维 造型软件，提取面化过程中误差的表征参数( 弦高) ，对其进行优化，寻 求既要更近似准确表示三维实体，又不用占用太多时闯空间情况下的最佳 弦高选用值。 分析了s t l 转化过程中三角面片中的几何连续性。通过应用其连续 性就可以把所有这些杂乱的三角面片有机地结合在一起，使得各个三角形 之间建立起了一种索引关系。当在读入s t l 文件时，如果通过面、边、点 的拓扑关系，就可以显著降低了内存占用量，加快了拓扑信息提取时间。 - r l o m 快速成形系统及其制件精度的分析。研究数字模型一快速原型 之间的精度传递规律，回馈到c a d 完成补正系统，提出对数字模型的修改 方案， 利用研究所得精度传递规律，进行实验例证。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s t l 转化过程中的误差分析与控制 由于目前快速成型系统不能很容易的直接接收三维造型软件制作的 实体文件，必须在应用快速成型系统的数据处理软件进行分层以前将其 转化成s t l 格式的文件，对其进行面型化。即用一系列小三角形面片对 c a d 模型表面进行离散。 一般制品的结构中都含有曲面，在c a d 造型中用边界模型能精确 的描述制品的形状和尺寸的精度。在网格化处理后，原来光滑的曲面模型 就变成数学上不光滑的多面体模型，使模型的形状和尺寸精度都降低。这 样，以后的分层处理及机床加工都是在已经失真的数据基础上进行，必然 会降低制品的形状和尺寸精度。 因此分析控制s t l 转化过程中的误差在快速成型过程中有很重要的 意义。 2 1 s t l 转化过程中误差的分析m 1 目前。大部分快速成型制造系统在数据处理上采用如下方式，即先 对c a d 实体模型进行表面网格化处理，用三角形面片来逼近模型进行表面 网格化，转换成s t l 文件，这种文件存储的是三角形面片的顶点坐标及该 三角形的法向矢量n ，由于s t l 文件格式与c a d 系统无关，所以很快成了 快速成型制造中c a d 与快速成型机之间的数据交换标准。 然而在这种表面三角化数据处理与转换过程中，原来光滑的曲面模型 就变成数学上不连续的多面体模型，使模型的形状和尺寸精度降低了，这 势必会降低制品的形状和尺寸精度，对成型产生一定的误差。 2 1 1 表面网格化处理降低了制件精度 c a d 造型系统能够精确地描述产品形状尺寸，经三角面化处理后所有 平面和曲面都变成多面体，使模型的形状和尺寸精度都降低了。当模型的 武汉理 ：大学硕二i ：学位论文 一个面与快速成型系统制造方向成一定角度时，给定偏差不再是切片的最 大误差，而实际误差是给定误差的好几倍。这样在分层处理及n c 后处理 时已经在失真数据的基础上进行，必然影响到制件形状和尺寸精度。 如果原几何模型完全由直线边组成，则s t l 格式拟合绝对准确。没有 任何误差否则存在拟合误差。 一个三维曲面体三角化过程一般有两种情况，下面以如图2 1 所示的 一个高度为a z 的短圆柱体单元为例予以说明。 目圈固 a ) 三维模型b ) s t l 模型一 c ) s t l 模型二 图2 - 1 同一圆柱的内外弦的不同表示方法 在图中，s t i 。模型一采用内弦来表示圆弧，很显然必然使s t l 模型 所表示的实体小于原三维模型，形成负的偏差；s t l 模型二采用外切线来 表示圆弧，必然使s t l 模型所表示的实体大于原三维模型，形成正的偏 差。这两种情况所产生的偏差在形成s t l 文件时已经产生，间接影响着 制件的最终精度。 2 1 2 误差分析陆2 下面以同一个圆在不同精度下对其三角面化后所产生的误差进行分 析： 首先用6 个三角而片来划分一个圆，这实际上相当于用八边形来拟合 一个圆，如图2 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 用6 个三角形来拟合圆拟合后所产生的误差图 图2 2 用6 个三角形来拟合一个圆的情形 这样可计算得到拟合后的最大误差为： 占绝对= r ( 1 一c o s 石i6 ) 则其相对误差值为： 瓯埘= r ( 1 _ c o s z r 1 6 ) r = ( i - c o s z r 1 6 ) 再用1 0 个三角面片来划分同样一个圆，此相当于用一个十二边形来 拟合同一个圆，如图2 3 所示： 用l o 个三角形来拟合圆拟合后所产生的误差图 图2 - 3 用1 0 三角形来拟合一个圆的情形 武汉理工大学硕士学位论文 同样可计算得到拟合后的最大误差为： 对= r ( 1 c o s ，r 2 4 ) 则其相对误差值为： 哦埘= ，( 1 一c o s l r 2 4 ) r = ( 卜c o s ，r 2 4 ) 由比较结果可知：同一个实体用不同个数的三角面片来划分，得到的 误差相对值也不一样。所以确定一个三维实体大致由多少面片来拟合对于 拟合精度有很重要的影响。 2 1 3 三维造型软件导出s t l 格式文件参数设置的优化 一般来说，近似程度越高，需要用来拟合的三角面片的数量越多，近 似程度越低，则所需的三角面片的数量越少。同一c a d 模型生成高精度的 s t l 文件可能有几十万个三角形面片，文件大小达好几兆字节，而生成精 度低的s t l 文件可能只有几百个三角形面片，文件大小为几十k 字节。s t l 文件的大小显然对后期处理的时间和难度影响很大，因此对零件的精度有 较高要求时，s t l 文件接口就显出了它的弊端了。相对于后续处理引起的 误差而吉，以上c a d 模型离散化所产生的误差称为一次近似误差或离散误 差，般情况下零件模型表面三角彤化的给定参数为弦高和控制角，弦高 为实际曲面到相应近似平面的高度的相对值，即图2 - 4 所示的给定误差与 实体实际尺寸的比值，也即是上述所表述的瓯。误差。而且表面三角化 给定误差 实际衰面 圈2 - 4s t l 模型的离散误差 - 1 4 一 差 武汉理工大学硕士学位论空 时引起的实际误差可能与给定误差有较大的差异。如图2 4 所示，由于实 际误差与零件实际曲面有关，难于控制，因而在分析中离散误差指的是给 定误差。相对应的三维画图软件中的弦高控制误差也是由给定误差分析得 到的。 计算机三维c a d 设计的造型软件中输出s t l 格式数据文件的方法般 都比较简单，需要注意的是选择合适的转换精度，精度太低，影响快速成 形制件的质量，但精度过高，文件尺寸太大，又不便数据的传输，同时影 响快速成形系统数据处理的速度。 从三维画图软件中输出s t l 文件一般采用其默认的坐标系。但要选择 合适的精度，其输出精度有“c h o r dh e i g h t ”和“a n g l ec o n t r o l ”两个 参数可供选择“c h o r dh e i g h t ”( 弦高) 表示三角形逼近的相对误差， “a n g l ec o n t r o l ”表示三角形平面与其逼近的曲面切平面夹角的余弦“。 一般情况下三维画图软件在导出s t l 格式文件时都有其推荐的默认值，但 很多时候采用其默认值可能不能兼顾到快速成形的制件精度和成型效率。 下面为了得到合适的弦高，对一些比较普通的例子进行了弦高和控制 角的设定。 本文考虑到选取的例子能够具有普遍性、并具有代表性，所以选取的 研究实体分别为：球一圆柱圆锥。通过三维造型软件p r o e 和u g 对直 径l o o m m 的球、直径l o o m m 高l o o m m 的圆柱、直径l o o m m 高l o o m m 的圆锥 进行如下分析：当设定不同的弦高时，就会得到一系列弦高所对应产生的 s t l 格式文件的大小，弦高的设定从0 0 1 开始，每次以步长0 0 1 的增加， 直到最终的弦高取到0 2 。这样就会得到许多组弦高和不同s t l 文件大小 值的一一对应关系，对应关系如表格2 1 所示： 垫堡些三查堂堡主堂丝丝苎 对p r o e 进行分析 弦高直径1 0 0 r a m 弦高直径为l o o m m 高弦高直径为1 0 0 m m 高 取值的球( k ) 墩值 i o o m m 的圆柱( k )取值 1 0 0 m m 的圆锥( k ) o 0 1 7 7 0 3o 0 1 52 3 3 0 0 1 7 3l l 。7 o 0 2 6 1 2o 0 22 1 7o 0 21 0 9 0 0 3 4 1 3o 0 31 7 ，8o 0 38 9 6 0 0 4 3 1 20 0 41 5 50 0 47 7 9 0 0 5 2 5 3 o 0 51 3 90 0 57 o l o 0 6 2 1 2 o 0 6 1 2 - 30 0 6 6 4 2 o 0 7 1 7 50 0 71 1 60 0 75 8 4 o 0 8 1 5 30 0 8 1 0 9o 0 85 4 5 0 0 9 1 4 2o 0 91 0 40 0 95 2 5 0 1 1 2 lo 19 ，6 5o 14 6 7 o 1 l 1 1 20 1 l9 2 6o 1 l4 。4 8 o 1 2 1 0 30 1 28 8 70 1 24 4 7 0 1 3 9 4 40 1 3 8 4 8o 1 34 2 8 o 1 4 9 4 20 1 48 0 80 1 44 0 8 0 1 5 8 60 1 58 0 8o 1 54 。0 8 0 1 6 7 8o 1 67 6 9o 1 63 8 9 o 1 7 7 80 1 77 6 90 1 73 8 9 o 1 8 7 0 3o 1 87 3o 1 83 6 9 o 1 9 7 0 3o 1 96 9 l0 1 93 5 o 2 0 6 3 10 26 9 l0 。23 5 将所得到的数据在e x c e l 里面进行处理，可得到如图2 5 所示的坐标 表示情形：( 横坐标是设定弦高的相对值，纵坐标则是相对弦高设定值下 所得到s t i 。格式文件的零件尺寸的大小) 2 v 七 状 辇 挂 霜 翻 絮 00 00 00 00 00 10 10 1 0 10 10 2 24 682468 弦商 图2 5 直径1 0 0 m m 的球弦高和所得s t l 文件大小的对应图 图表分析： 图表2 - 5 中纵坐标是不同弦高下得到的s t l 文件大小，可以看成是转 化成s t l 过程中转化效率的一个近似表征量，所得到的s t l 格式的文件越 大，那么转化过程中就需要用更多的三角面片来逼近三维实体，这样在处 理的过程中就需要更大的内存和更长的时间，处理速度就会明显减慢，效 率就会明显降低；反之，那么效率也就会明显提高。而横坐标是转化过程 中的控制参数弦高的不同取值，可以看成是精度的一个近似表征量，当弦 高取得越小时，那么转化的精度就会越高；弦高取得越大时，反之就越低。 上述图标中曲线的前段s t l 文件较大，效率较低，但弦高的取值小， 精度就会很高。而后段弦高取值较大，精度不是很高，但所得到的s t l 文 件尺寸过小，效率提高。而我们在实际生产加工过程中既要考虑靠精度， 又要兼顾到效率，因此图表中所示曲线的前段和后段都不是很可取的取值 范围。 现以中间的一段弦高误差范围在0 0 6 0 1 内来做具体分析。 将0 0 6 、0 0 7 、0 0 8 、0 0 9 、0 1 这几个点看作节点，每两个节点之 削的曲线用直线段来拟合表示，则端点( o 0 6 、2 1 2 ) 和( 0 0 7 、1 7 5 ) 之 间组成的直线段斜率为3 7 k 0 o l 。同理可得以( 0 0 7 、1 7 5 ) 、( 0 0 8 、1 5 3 ) 1 7 咖瑚湖湖批咖籼o 武汉理工大学硼士学位论文 为端点的直线段斜率为2 2 k 0 0 1 ；( 0 0 8 、1 5 3 ) 、( 0 0 9 、1 4 2 ) 为端点的 直线段斜率为l l k o o l ；( o 0 9 、1 4 2 ) 、( 0 1 、1 2 1 ) 为端点的直线段斜 率为2 1 k o 0 l 。比较3 7 k 0 0 1 、2 2 k 0 o l 、1 l k o 0 1 、2 l k o 0 1 可看出： 前面两段直线段斜率的取值的下降幅度较大，到了第三段的时候幅度有所 减小，但到了第四段的时候幅度又在三的基础上提高了，这就说明在以降 低精度一个步长的前提下，效率一直都在提高，但提高的幅度在前三段依 次减小，而到了第四段又得到了提高。所以可得出既要考虑靠精度，又要 兼顾到效率，第三段与第四段问的交界值就是比较理想的取值。因此范围 在以0 0 9 为中心的一个小区间的取值是本文希望得出的。 所以最终确定弦商为o 0 9 是较佳的取值。 图2 - 6 直径、高均为l o o m m 的圆柱和圆锥 弦高和所得s t l 文件大小的对应图 同前分析方法可得直径为l o o m m 高l o o m m 的圆柱的0 0 6 - 0 1 这几段 的拟合斜率依次为：o 7 0 叭、o 7 0 0 1 、o 5 0 o l 、0 7 5 0 o l ，可得最佳弦 高取值为0 0 9 。直径为l o o m m 高l o o m m 的圆锥的0 0 6 0 1 这几段的拟合斜 率依次为：0 5 8 0 0 1 、0 3 9 0 0 1 、0 2 0 o t 、o 5 8 0 o l ，最佳弦高取值为0 0 9 。