（材料加工工程专业论文）选区激光熔化快速成型扫描路径生成及优化算法研究.pdf

分类号：t g l 5 6 9 9 学号：2 0 0 4 2 0 1 0 1 2 1 3 华南理工大学硕士学位论文 选区激光熔化快速成型扫描路径 生成及优化算法研究 作者姓名：许丽敏 申请学位级别：硕士 研究方向：激光材料成型 论文提交r 期：年月日 学位授予单位：华南理工大学 答辩委员会成员： 主席： 委员： 指导教师姓名、职称：杨永强教授 学科专业名称：材料加工工程 论文答辩日期：1 衫年月6 日 学位授予同期：年月日 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：捣两投日期：切年占月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 日保密，在l 年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 图伺意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 i l k 见o ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：琦 指导教师签名 日期：砷彳- 么 日 摘要 选区激光熔化快速成型技术使用激光束逐层选择性熔化盒属粉末，在成型过程中扫 描系统要做频繁的扫描动作，因此，扫描路径的选择尤为重要，高效精确的扫描路径可 以提高制件的表面质量，延长扫描系统的使用寿命。由于成型材料为金属或合金粉末， 设计截面路径生成算法不能完全从图案填充的角度考虑，还必须考虑到材料的熔凝特 性，尽量减小成型过程中的热应力。 本文设计了三种路径生成算法，并且以v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 为开发工具对三种路径生 成算法进行了编程实现，最后通过实验对算法进行了验证。算法的设计思路如下： 1 消隐法此算法的核心在于当两轮廓存在重合部分时，将重合部分内部的扫描线 删除。具体实现过程如下：首先依次生成每个轮廓内部的扫描线，为了减少重复计算的 次数，将截面的所有轮廓划分为一系列的单连通区域，将处理后的各轮廓的扫描线，以 单连通区域为单位应用消隐法生成层扫描线。之后按照就近原则对各单连通区域内部扫 描线的输出次序进行优化，即可得到分块的最终扫描线。该算法的主要应用范围是截面 层次结构比较复杂的零件的成型。 2 重复扫描法此算法的主要思路是在一个层面上先采用x 方向分区扫描，再采用 y 方向分区扫描。分区避免了长线扫描因而可以有效减小翘曲变形，一个层面上重复扫 描可以减小层间的内应力，并且可以提高熔化层的表面质量。其应用对象是截面面积小， 而且形状复杂的零件的成型。 3 矩形块扫描方式的路径生成算法其核心是将待扫描区域划分为矩阵式的矩形块， 块数由用户设定，相邻矩形块间扫描方向相互垂直这种扫描方式可以改变热应力的方向， 并可避免长线扫描。由于设备限制，对该算法进行了调整和改进，设计了相邻子区域问 具有搭接量的路径生成算法，该算法主要应用对象是截面形状比较简单，但是面积较大 的零件的成型。 对三种算法进行了测试，结果表明：重复扫描法的通用性最好，尤其在加工截面面 积较小的试件时表面质量最好；矩形块扫描方式不适合截面面积较小的试件的成型。在 成型截面面积较大的试件时，矩形块扫描方式具有明显的优势。消隐法在生成截面层次 结构比较复杂的零件的扫描路径时效率较高。 关键字：快速成型，选区激光熔化( s l m ) ，消隐法，重复扫描法，矩形块扫描 a b s t r a c t t h es c a n n i n gp a t hi si m p o r t a n tf o rt h ep r o c e s so fs e l e c t i v el a s e rm e l t i n g ( s l m ) ，d u r i n g w h i c ht h el a s e rb e a ms e l e c t i v e l ys c a n st h ep o w d e rb e dl a y e rb yl a y e rt op r o d u c eas o l i de n t i t y a ne f f i c i e n ta n dp r e c i s es c a n n i n gp a t hc a nn o to n l yi m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t sb u ta l s op r o l o n gt h es e r v i c el i f eo ft h es c a n n i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so f m e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o no ft h eu s e dm e t a l so ra l l o y sa sw e l la st h es i m p l eg r a p h i cf i l l i n g s h o u l db ec o n s i d e r e di no r d e rt or e d u c et h er e s i d u a lt h e r m o - s t r e s so ft h ep r o d u c t s i nt h i sw o r k ，t h r e ek i n d so fs c a n n i n gp a t hg e n e r a t i n ga l g o r i t h m sw e r ed e s i g n e d ，a n d v i s u a ls t u d i o2 0 0 5w a sa d o p t e dt od e v e l o pt h es o f h v a r e , w h i c hw a st e s t e db ys e v e r a ls l m e x p e r i m e n t s t h e s et h r e es c a n n i n gp a t hg e n e r a t i n ga l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e da sf o l l o w s ： 1 b l a n k i n gm e t h o d t h em a i ni d e ao ft h i sa l g o r i t h mi st h a tt h es c a n n i n gl i n e si nt h e s u p e r p o s i t i o nr e g i o n s s h o u l db ee r a s e di nc a s et w oc o n t o u r sa r e o v e r l a p p e d t h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h i sm e t h o di s ：f i r s t l y ，t h es c a n n i n gl i n e so fe a c hc o n t o u ra r e g e n e r a t e d ；a n ds i m u l t a n e o u s l ya l lc o n t o u r sa r er e u n i t e di n t oas e r i e so fs i m p l ec o n n e c t i n g r e g i o n s ( s c r s ) t od e c r e a s et h en u m b e ro ft h er e p e a t e dc a l c u l a t i o n s s e c o n d l y , t h es c a n n i n g l i n e so fe a c hs c ra r eg e n e r a t e db ya d o p t i n gt h eb l a n k i n gm e t h o d t h i r d l y ，t h es c a n n i n gl i n e s o fe a c hs c ra r eo u t p u tw i t hac 瞰a i no r d e rw h i c hi so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ea d j a c e n c y r u l e t h i sm e t h o di st h eb e s tc h o i c ef o r t h ep a r t sw i t hac o m p l i c a t e dl a y e rc o n f i g u r a t i o n 2 r e p e a t e ds c a n n i n gm e t h o d t h i sa l g o r i t h m i sb a s e do ns u b f i e l d s c a n n i n gi n x - d i r e c t i o na n daf o l l o w i n go n ei ny d i r e c t i o n s u b f i e l ds c a n n i n ga v o i d st h el o n gl i n e s c a n n i n g , s ot h ew a r p d i s t o r t i o nc o u l db er e d u c e de f f e c t i v e l y r e p e a t e ds c a n n i n gi n p e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n sc a nn o to n l yr e d u c et h ei n t e r i o rs t r e s sb u ta l s oi m p r o v et h es u r f a c e q u a l i t yo ft h ep a r t s t h i sa l g o r i t h mi se x p e c t e dt om a n u f a c t u r ep a r t sw i t hc o m p l i c a t e ds h a p e b u ts m a l lc r o s ss e c t i o n 3 r e c t a n g l es c a n n i n gm e t h o d t h i sm e t h o dd i v i d e st h ew h o l es c a n n i n gr e g i o ni n t oa s e r i e so fr e c t a n g l e sj u s tl i k eam a t r i x ，w h o s en u m b e ri sd e t e r m i n e db yt h eu s e r s t h es c a n n i n g d i r e c t i o no ft w on e i g h b o rr e g i o n si sp e r p e n d i c u l a rt oe a c ho t h e r , e n s u r i n gt h ed i r e c t i o no ft h e t h e r m o - s t r e s si nas u b - r e g i o nd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt h en e i g h b o ro n e a n da l s o ，t h i sm e t h o d a v o i d st h el o n gl i n es c a n n i n g c o n s i d e r i n gt h er e s t r i c t i o no fe q u i p m e n tw ei m p r o v e dt h i s i i i i i 1 2 2 折线扫描一7 1 3 研究内容和课题来源8 1 3 1 研究内容一8 1 3 2 课题来源9 第二章s l m 设备硬件及软件系统1o 2 1 硬件系统l o 2 1 1 设备整体结构及性能参数1 0 2 1 2 设备光学系统的组成1 l 2 1 3 设备扫描系统1 3 2 1 4 设备铺粉系统1 4 2 2 软件系统1 4 2 2 1 设备中所用到的软件1 4 2 2 2 扫描算法简介1 6 2 2 3 数据处理软件工作流程17 2 3 设备整体控制系统1 8 2 3 1 硬件控制18 2 3 2 软件控制一1 9 v l v l l l 2 3 4 5 5 一 点 一 一 一 一特 一 2 4 本章小结 第三章消隐法生成截面扫描路径。 3 1 扫描路径生成算法的实现过程。 3 1 1 基本概念。 3 1 2 轮廓扫描线的生成算法 3 1 3 单连通区域的划分 3 1 4 “消隐”法生成层扫描线 3 1 5 层扫描线的排序及输出 3 1 6 算法流程图 3 2 算法实例及验证一 3 2 1 算法实例 3 2 2 算法验证 3 3 本章小结。 第四章重复扫描方式的路径生成算法。 4 1 要解决的问题及分析 4 2 算法的实现过程3 3 4 2 1 扫描线与轮廓线求交点3 3 4 2 2 同一条扫描线上的交点排序3 6 4 2 - 3 生成x 方向分区扫描路径3 6 4 2 4 生成y 方向分区扫描路径3 7 4 3 算法流程图3 7 4 4 算法验证3 7 4 5 本章小结3 9 第五章矩形块扫描方式的路径生成算法4 0 5 1 矩形块扫描方式路径生成算法的提出4 0 5 2 算法的实现过程4 0 5 2 1 矩形块的划分4 l 5 2 2 每个矩形块内部扫描线的生成4 4 5 2 3 截面轮廓扫描线的生成4 6 5 2 4 矩形块内扫描线与轮廓截面扫描线之间的运算4 6 v t 4 7 4 7 4 9 一5 0 。5 2 。5 3 。5 3 5 3 一5 3 一5 5 5 8 6 l ， 6 2 5 系统的界面设计6 2 6 3 算法验证6 5 ， 6 4 本章小结6 8 总结与展望6 9 参考文献。71 。 攻读硕士学位期间发表的论文。7 4 致 射7 5 v i i 第一章绪论 第一章绪论 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术是2 0 世纪8 0 年代后期首先在美国商品化，9 0 年代在全球迅速发展起来的一种直接根据零件的c a d 模型快速生产样件或零件的成组 技术简称它集成了c a d 技术，数控技术，激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制 造技术的重要组成部分，与传统制造方法不同，快速成型从零件的c a d 几何模型出发，通 过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它能量源将粉末材料逐层熔化、堆积而形 成实体零件，由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用任 何模具和工具的条件下加工几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性 f 1 1 快速成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速，人们对材料逐层 添加法这种新的制造方法已经逐步适应，随着计算机技术的快速发展和三维c a d 软件 应用的不断推广，越来越多的产品基于三维c a d 设计开发，使得快速成型技术的广泛应 用成为可能快速成型技术已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、军事 装备、工业造型( 雕刻) 、建筑模型、机械行业等领域r p 技术的不断发展和完善，将成为 企业普遍采用的一种制造方法【m 】。 1 1 快速成型技术简介 1 1 1 快速成型技术的产生及发展 美国3 d s y s t e m s 公司1 9 8 8 年生产出世界上第一台s l a 。l 型光固化快速成型机，开 创了激光快速成型技术迅速发展和推广应用的新纪元。美国在设备研制、生产销售方面 占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和同本也不 甘落后，纷纷进行相关技术研究和设备研发。香港和台湾比内地起步早，台湾大学拥有 l o m 设备，台湾各单位及军方安装多台进口s l 系列设备。香港生产力促进局和香港科 技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有快速成型设备，其重点是有关技术的应用 与推广【5 1 。 国内快速成型技术( r p t ) 研究起步约在1 9 9 1 年，目前北京隆源快速成型公司、清 华大学、西安交通大学、西北工业大学、南京航空航天大学、华中科技大学、华南理工 大学等单位在快速成型设备的硬件、软件及材料方面做了大量研究工作，有些单位已经开 华南理1 ：人学硕十学位论文 发出商品化的快速成型系统，并开始少量销售，如隆源公司研制出选择性激光烧结系统 ( s l s ) 并配备了三维数字化仪，能做出复杂的原型。清华大学研制出以纸为成型材料的基 于分层实体制造原理的快速成型系统、西安交大丌发了基于s l a 的快速成型系统，1 9 9 5 年香港生产力促进局与香港城市大学合作，成立了快速原型科技中心，购置了两套s l a 系统，采取示范、人员培训，提供加工服务等多种方式，大力推广快速成型技术【2 1 。 1 1 2 金属零件激光直接快速成型技术 早期的快速成型技术如l o m ，f d m ，s l s 等所使用的成型材料多为纸、塑料、尼 龙等【6 】，由于这些材料的强度很低，因此用这些材料所制造的零件只能用作实际金属零 件的原型或模型，不能作为功能件直接使用，这种局限性大大限制了该项技术在现代制 造业的大规模应用，在这样的背景下，金属零件直接激光快速成型技术【1 2 】迅速成为快速 成型领域研究的热点，国际上众多的学者和科研机构纷纷投入到这项技术的研究中，在 短短几年中迅速诞生了多种基于金属零件直接激光快速成型的先进制造方法。如选择性 激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g - - s l s ) 、激光熔覆( l a s e re n g i n e e r e dn e ts h a p i n g - - l e n s ) 和选区激光熔化( s e l e c t i v el a s e rm e l t i n g - - s l m ) 掣3 5 1 。 s l s 工艺不仅能制造塑料、陶瓷、蜡等材料的零件，还可以制造金属零件，s l s 设 备多采用c 0 2 激光器，光斑直径一般在0 1 0 4 m m ，由于功率密度不高，所成型的金属 粉末主要有两种：一种为低熔点的单一成分的金属粉末；另一种为混合粉末( 高熔点材 料和低熔点材料的混合体) ，烧结中低熔点的金属粉末熔化并将高熔点的金属粉末粘接 在一起。这种方法所成型出来的原型表面粗糙，疏松多孔，常常还需要高温重熔或渗金 属填补空隙等后处理才能使用。 激光熔覆( l e n s ) ，采用大功率n d ：y a g 固体激光器或c 0 2 激光器，由于激光作 用区的光斑较大，一般在l m m 以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但其尺 寸精度和表面光洁度都不太好，需进一步进行精加工后才能使用。 选区激光熔化技术相比以上两种金属粉末直接快速成型技术主要的改进点在于：选 区激光熔化技术一般采用半导体泵浦y a g 激光器或光纤激光器，功率在l o o w 左右， 可以达到3 0 - 5 0 1 a m 的聚焦光斑，功率密度达到5 1 0 6w c m 2 以上，可以成型单一成分 的金属粉末。目前，用s l m 技术已经可以得到不锈钢、工具钢、钛合会的三维实体构 件，其致密度接近1 0 0 ，表面粗糙度可达3 0 - 5 0 “m ，尺寸精度可达o i m m ，并可以采 取措施防止裂纹和气孔的发生。 2 第一章绪论 1 1 3 选区激光熔化技术( s l m ) 的原理及特点 选区激光熔化技术是在选择性激光烧结技术的基础上发展起来的，其成型原理与选 区激光烧结技术基本相同，首先在计算机上生成所需零件的三维c a d 模型并将其保存 成s t l 文件的格式，之后通过专门的切片软件对模型进行切片，获取各截面的轮廓信息， 生成扫描路径。再由扫描系统中的微型电机驱动反射镜，将激光器输出的激光束沿加工路 径熔化金属粉末，从而达到对二维切片图形进行扫描固化的目的。图1 1 是选区激光熔化 设备的工作原理图。 成型过程开始，料缸上升一定量，铺粉辊将粉末均匀地铺在加工平面上。激光束在 计算机的控制下透过激光窗口以一定的速度和能量密度扫描。激光束扫过之处，粉未熔 化成一定厚度的片层，未熔化的地方仍然是松散的粉末，这样零件第一层就制造出来。 这时，成型缸活塞下降一定距离，这个距离与设计零件的切片厚度一致，而料缸活塞上 升一定距离( 供粉缸的上升量稍大于成型缸的下降量，以保证有足够的粉末铺设成型， 7 缸) 。铺粉辊再次将粉术铺平后，激光束开始依照设计零件第二层的信息加工。激光扫 描过后，所形成的第二个层面同时也熔化在第一层上。如此反复，一个零件就制作出来 了。 等；。j， 黝闩 成型缸 图卜l 选区激光熔化设备- t 作原理图 f i g 1 1t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs l me q u i p m e n t 从选区激光熔化快速成型技术的原理可以看出，该技术与快速成型技术( r p t ) 的 基本思路是一致的。因此它具有r p 技术的普遍特点，如具有很好的加工柔性和加工速 度、对零件的复杂程度没有限制等。除此之外，选区激光熔化技术还具有如下特点【3 6 】： 3 华南理t 大学硕十学位论文 1 直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节； 2 得到具有冶金结合、致密度接近1 0 0 的金属实体，大大改善了金属零件的性能。 3 s l m 制件具有较低的粗糙度( r z 3 0 5 0l am ) ，较高的拉伸强度和尺寸精度 ( d is a p p e a r ( t m p b ，a ，b ) ) 如果t m p b 线段与t m p a 有重叠部分，将t m p a 打断成两段 l i n e a = n e wc 2 d l i i l e ： 1 i n e b = n e wc 2 d l i n e ： 1i n e a - s e t ( a ) ： 1i n e b - s e t ( b ) ： s c a n l i n e l i s t s e t a t ( p o s a ，l i n e a ) ： s c a n li n e l is t s e t a t ( p o s b ，1in e b ) ： ) ) 如图3 3 所示图形，当其为内轮廓时，图中的扫描线在与轮廓线相交时也会出现两 种线段组合方式b a ，d c 和c b ，a d 。其中d c ，b a 是我们所期望的线段组合方式，当 出现a d ，c b 这样的线段组合方式时，将重合部分的线段c b 放入一个临时的扫描线链 2 3 华南理工大学硕十学位论文 表，原来的a d 扫描线继续保留在原来的扫描线链表中。这个规则叫做内轮廓的反自减 运算法则。同样，如果出现d c ，b a 这样的线段组合方式，反自减运算法则将不会被执 行。 v o i dp a l l o c l o o p ：s u b s e l f f o r l l l i l 呱v o i d ) 内轮廓反自减运算函数 c 2 d l i n e 幸t m p a ， t m p b ； c 2 d l i n e 宰s p l i n e ； c 2 d l i n ea ，b ； p o s i t i o np o s a p o s ，p o s b ； r e d 0 3 ： f o r ( p o s a = s c a n l i n e l i s t g e t h e a d p o s i t i o n 0 ；p o s a ! = n u l l ；) t m p a = ( c 2 d l i n e 木) s c a n l i n e l i s t g e t n e x t ( p o s a ) ； f o r ( p o s b = s c a n l i n e l i s t g e t h e a d p o s i t i o n 0 ；( p o s = p o s b ) ! = n u l l ；) t m p b = ( c 2 d l i n e 木) s c a n l i n e l i s t g e t n e x t ( p o s b ) ； i f ( t m p a - d i s a p p e a r ( t m p b ，& a ，& b ) ) 如果t m p b 线段与t m p a 有重叠部分，将t m p a 做为扫描线输出 a d d s c a n l i n e ( & a ) ； s p l i n e = n e wc 2 d l i n e ； s p l i n e 一 s e t ( t m p b ) ； a d d s p e c i l l i n e ( s p l i n e ) ； 将t m p b 放入一个临时链表中 c 2 d l i n e 木p l = ( c 2 d l i n e 枣) s c a n l i n e l i s t g e t a t ( p o s ) ； s c a n l i n e l i s t r e m o v e a t ( p o s ) ； d e l e t ep l ； g o t or e d 0 3 ； ) ) ) ) 2 4 第三章消隐法生成截面扫描路径 3 1 3 单连通区域的划分 划分单连通区域的目的是减少重复计算的次数，提高程序运行的速度，此外本算法 在处理一些层次结构比较复杂的图形时，如果不进行单连通区域的划分，在生成扫描线 时会出现一些问题。划分单连通区域，首先要计算各轮廓的轮廓包围盒，然后根据包围 盒之间的包含关系判断各轮廓i 、日j 的包含关系，即轮廓a 的包围盒包含轮廓b 的包围盒， 则轮廓a 必定包含轮廓b 。依次遍历每个轮廓，计算出各轮廓被包含的次数。然后根据 文献2 8 中所述的方法，有多少个外轮廓环就有多少个单连通区域以及如果内轮廓a 被 外廓b 所包围，且a 的被包含次数比b 的被包含次数仅仅大l ，那么它们为一个单连 通区域，此时将内轮廓环b 的指针添加到此连通区域中的外轮廓环链表中去。经过这样 的划分，截面轮廓就被分成了若干个单连通区域。如图3 - 4 所示，轮廓1 8 中有1 ，7 两 个外轮廓( 在c l i 文件中，以d i r 来代表轮廓方向，d i r = 0 代表内轮廓，d i r = l 代表外轮 廓) ，将此轮廓组分成了两个单连通区域。其中轮廓1 的被包含次数为0 ，轮廓2 - 6 的被 包含次数为l ，轮廓7 的被包含次数为2 ，轮廓8 为3 ，由单连通区域的划分规则可知， 轮廓1 - 6 为一个单连通区域，7 ，8 为第二个单连通区域。 图3 4 截面轮廓分组 f i g 3 _ 4t h eg r o u p i n go ft h ec r o s ss e c t i o nc o n t o u r s 3 1 4 “消隐”法生成层扫描线 、- 、_ 一一 、。 、。 c d 图3 - 5 输出扫描线的次序 f i g 3 5o u t p u to r d e ro f s c a n n i n gl i n e s 经过单连通区域的划分，轮廓环已被分成了一系列的组，每个单连通区域中的外轮 廓及其所对应的内轮廓数据已经放入到一个链表中，此时应用消隐法对每个单连通区域 内的线段进行处理，即将有重合关系的两条线段从原来的扫描线链表中删除，重新生成 两条新的线段，加入到链表的结尾。如果单连通区域的内轮廓为凹多边形，除了将内外 轮廓重合部分的扫描线进行消隐外，生成最终扫描线时还要将内轮廓反自减所生成的i 临 2 5 华南理j = 大学硕十学位论文 时扫描线链表中的元素加入到最终的扫描线链表中去。 b o o lp a l l o c l o o p ：o u t e r s u b l n n e r ( p a l l o c l o o p 奉岫内外轮廓相减函数 i f ( t t h i s - s l i c e l o o p - i s o u t e r l o o p ( ) 0 1 i n - s l i c e l o o p - i s l n n e r l o o p o ) r e t u mf a l s e ； ) c 2 d l i n e * l i n e a ，* l i n e b ，木n e w a , 宰n e w b ； c 2 d l i n ea , b ； c p t r l i s tb r e a k l i s t ；b o o lt m p = f a l s e ； p o s i t i o np o s a , p o s ，p o s b ； f o r ( p o s a = s c a n l i n e l i s t g e t h e a d p o s i t i o n 0 ；( p o s = p o s a ) ! = n u l l ；) l i n e a = ( c 2 d l i n e 率) s c a n l i n e l i s t g e t n e x t ( p o s a ) ； f o r ( p o s b = i n 一 s c a n l i n e l i s t g e t h e a d p o s i t i o n 0 ；p o s b ! = n u l l ；) l i n e b = ( c 2 d l i n e 木) i n - s c a n l i n e l i s t g e t n e x t ( p o s b ) ； i f ( 1 i n e a 一 d i s a p p e a r ( 1 i n e b ，a ，& b ) ) 如果l i n e a 包含l i n e b ，则打断成两条线段a , b c 2 d l i n e 宰p l = ( c 2 d l i n e 术) s c a n l i n e l i s t g e t a t ( p o s ) ； s c a n l i n e l i s t r e m o v e a t ( p o s ) ； 将l i n e a 从扫描线链表中删除 d e l e t ep l ； n e w a = n e wc 2 d l i n e ； n e w a - s e t ( & a ) ； s c a n l i n e l i s t a d d t a i l ( n e w a ) ； n e w b = n e wc 2 d l i n e ； n e w b - s e t ( b ) ； s c a n l i n e l i s t a d d t a i l ( n e w b ) ； b r e a k ； 2 6 第三章消隐法生成截面扫描路径 ) ) s c a n l i n e l i s t a d d h e a d ( & b r e a k l i s t ) ； s c a n l i n e l i s t a d d t a i l ( & i n - s p e c i a l l i n e l i s t ) ； 将内轮廓反自减运算所生成的特殊扫描县链表加入到最终扫描线链表中 l e t b i t lt r u e ； ) 3 1 5 层扫描线的排序及输出 经过以上步骤所生成的扫描线是以单连通区域为单位的，也就是链表的节点中存储 的是一个单连通区域内的扫描线，一个单连通区域内的扫描线方向是部分有序的，不能 直接用于加工，所以在进行最终的扫描线输出时应用了一个规则，即扫描点就近原则， 也就是在进行输出的时候先找出每个单连通区域中组成扫描线的点中x , y 坐标最小的点 所在的扫描线做为第一条扫描线输出，然后找到与第一条扫描线的结束点距离最近的点 作为第二条扫描线的起始点，如此循环，直至将整个单连通区域的扫描线全部输出。如 图3 - 5 所示图形生成扫描线的顺序为a b c d ，从中可以看出，待扫描区域被分成了 两块，此种方法提高了扫描效率，减少了激光行走的空行程。为了使成型件的外边缘以 及内部型腔边缘更整齐，在每层截面扫描完毕后，对该截面的所有轮廓进行扫描，这样 可以使边缘的粉末充分熔化，提高试件的外表面以及内腔表面的成型质量。对于图3 5 中的截面形状，除了对两轮廓之间的部分进行扫描之外，还要对两轮廓图形进行扫描 3 1 6 算法流程图 消隐法生成扫描路径的流程图如图3 - 6 所示。 2 7 图3 - 6 程序流程图 f i g 3 6t h ef l o wc h a r to ft h ep r o g r a m 2 8 第三章消隐法生成截面扫描路径 3 2 算法实例及验证 图3 - 7 截面轮廓 f i g u r e 3 7c r o s ss e c t i o n sc o n t o u r s ( a ) 轮廓1 ( a ) c o n t o u r l 3 2 1 算法实例 图3 - 9 截面扫描线 f i g u r e3 - 9c r o s ss e c t i o n ss c a n n i n gl i n e ( b ) 轮廓2 ( b ) c o n t o u r 2 。匡亘6 因h 图3 - 8 依次生成各轮廓扫描线 f i g u r e3 - 8g e n e r a t ee a c hc o n t o u r ss c a n n i n gl i n ei nt u r n ( d ) 轮廓4 ( d ) c o n t o u r 4 如图3 7 所示的截面，包含四个轮廓，生成扫描线的过程如下： ( 1 ) 生成轮廓l ，2 ，3 ，4 各自的扫描线，其中轮廓1 与轮廓2 为凸多边形，生成 扫描线的方法较简单，只需要用等间距的平行线与轮廓线相交得到交点，连接成扫描线， 存入各自的扫描线链表即可。 ( 2 ) 轮廓3 为凹多边形，且为外轮廓，按照自减运算法则来生成扫描线，也就是 当平行线与轮廓线相交时可能会出现一系列的类似a b ，c d 这样的线段组合方式，当出 现这种情况时，线段c d 将被打断成d a ，b c 两段，将a b ，c d 两条扫描线从扫描线链表 中删除，同时将新生成的两条线段存入扫描线链表的结尾。如果在生成扫描线时出现的 线段组合方式是d a 、b c ，由于没有出现重合线段的情况，自减运算法则将不会被执行。 ( 3 ) 轮廓4 为凹多边形且为内轮廓，按照反自减运算法则来生成扫描线。当扫描 线中出现g h ，e f 这样的线段组合时，g h 在原链表中的位置不变，将线段e f 取出，放 入一个临时链表中，最后将此临时链表加入到最终扫描线链表的结尾。 2 9 华南理t 人学硕十学位论文 ( 4 ) 按照轮廓环分组算法对所有轮廓进行分组，图3 7 所示的截面轮廓，可以分 为两个单连通区域，其中1 ，2 为一个单连通区域，3 ，4 为一个单连通区域，将轮廓2 的扫描线链表指针加入到轮廓1 的扫描线链表的结尾；轮廓4 的扫描线链表的指针加入 到轮廓3 的扫描线链表的结尾。 ( 5 ) 应用消隐法生成每个单连通区域内的扫描线。对于轮廓3 ，4 组成的单连通区 域，在生成最终扫描线时还要将反自减运算所生成的类似线段e f 的临时链表中的元素 加入到最终的扫描线链表的结尾。 ( 6 ) 扫描线的排序以及输出：层扫描线的输出是以单连通区域为单位的，图3 7 所示截面输出扫描线情况如图3 - 9 所示，输出顺序为a b c d e f ，各条扫描线的 方向如图3 - 9 所示。 ( 7 ) 对轮廓1 4 进行扫描，扫描次数可以为1 次，也可以为多次。 3 2 2 算法验证 ( a )( b )( c )( d ) 图3 一1 0 截面轮廓及扫描线 f i g u r e 3 - 10c r o s ss e c t i o n sc o n t o u ra n d i t ss c a n n i n gl i n e 如图3 1 0 ( a ) ( c ) 所示截面形状，其层次结构比较复杂，应用消隐法所生成的截 面扫描线如图3 1 0 ( b ) ( d ) 所示，生成的扫描线比较精确。因为消隐法在生成截面扫 描线时是以单连同区域为处理单元的，因此，对于层次结构比较复杂的截面形状处理效 率较高，生成扫描线的速度快。 3 3 本章小结 “消隐”法生成最终扫描线的算法简单，直观，容易理解。尤其使用于处理层次结 构比较复杂的截面形状，生成扫描线速度较快。在进行最终的扫描线输出时，应用了就 近原则，既避免了激光行走空行程，提高了加工效率以及扫描器的丁作寿命，同时又将 3 0 3 1 各轮廓进行了扫描，这 速成型扫描路径生成算 华南理丁大学硕十学位论文 第四章重复扫描方式的路径生成算法 s l m 技术是利用聚焦的激光束逐层扫描熔化金属粉末，堆积成一个冶金结合，致 密度接近1 0 0 实体的一项技术。本章针对选区激光熔化成型过程中所存在的翘曲变形、 球化等现象及其成因进行了简要分析，提出了重复扫描和分区扫描相结合的路径生成算 法，此算法的主要思想是在一个层面上先采用x 方向分区扫描，再采用y 方向分区扫 描。分区避免了长线扫描因而可以有效减小翘曲变形，一个层面上重复扫描可以减小层 间的内应力，并且可以提高熔化层的表面质量。因而此种扫描路径生成算法可以有效改 善零件的成型质量。 4 1 要解决的问题及分析 选区激光熔化快速成型过程中所存在的普遍问题是成型件边界翘曲变形，熔化层金 属会产生球化现象，这样就会导致成型件的表面质量降低，使后续的铺粉过程难以进行， 直至最后成型失败。产生上述现象的原因有很多，比如激光功率密度过高容易使熔化的 金属粉末产生球化现象，成型方向选择不当会使成型件产生翘曲变形现象( 在成型长宽 比较大的零件时，短边扫描要比长边扫描的成型效果好) ，这些影响因素可以通过人为 的调整来进行尝试性改进。此外，选区激光熔化成型零件的过程是通过激光束逐点逐层 扫描来熔化金属粉末的，在成型过程中扫描系统要做大量的扫描动作，因