（机械设计及理论专业论文）基于遗传算法的点群数据成型方向优化.pdf

摘要 随着市场竞争的同益激烈，产品的更新周期越来越短，不但要求设计者快速地设计 出产品，而且能在尽可能短的时间内制造出样品，进行必要的测试和修改，最后形成产 品。快速原型技术由于可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型 或直接制造零部件，因此得到了越来越广泛的应用。 本文在对常用快速原型工艺进行对比分析的基础上发现：很多快速原型工艺在制造 原型的过程中都需要添加支撑，也就是说，原型在制造时的摆放位置将直接影响到支撑 的添加，进一步影响到成型时间、成型效率和制造成本。因此，在快速原型制造时，成 型方向是一个非常重要的影响因素，对其进行优化，找到最优成型方向具有重要的意义。 在对快速原型成型方向优化的研究中，绝大多数集中于对s t l 模型的处理，本文将 成型方向优化前移至反求工程中的数据采集领域。首先利用数据采集设备得到零件的点 群数据，然后对点群数据进行优化，从而找到零件成型时的最优方向。在对成型方向进 行优化时，考虑到目标函数具有非凸、非线性的特点，引入了遗传算法对其进行处理。 针对简单遗传算法收敛速度慢、易陷入局部极小点( 即早熟) 等缺点，本文提出了相 应的改进措施：为了解决离散的个体被尽早舍弃的问题，对适应函数做了线性变化：为 了挑选最优个体，并将其复制到下一代群体中，使算法避免无效搜索，采用了比例选择 算子；为了保证优良基因能够在下一代中有一定的遗传和继承的机会，采用了均匀算术 交叉算子。 为了更好地能对点群数据进行成型优化，在广泛阅读文献和调研的基础上，本文采 用光照原理，将扫描得到点群进行处理，用平行透射光束照射网格，实现了用0 1 点阵 表示出了三维实体，为遗传算法的计算提供了二进制编码。这种方法不仅适用于点群数 据成型优化，而且对点群数据直接进行快速原型分层也有一定的参考价值。 最后，本文用m a t l a b 6 5 设计了点群数据成型方向优化的遗传算法程序，并最终得 到了验证。 通过本文的研究，找到了一种处理点群数据的简捷方法，突破了现有技术对零件成 型优化的局限，而将其扩展到反水j ：膨的数撕采集领域通过埘点群数据的优化来实现 零件成型方向的优化，大大降低了技术人员的劳动魁度，提岛了反求设计的效率。 关键词：快速原型；优化；遗传算法；光照原理 a b s t r a c t t h ec o m p e t i t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ef i e r c ew h i l et h ep e r i o do fr & db e c o m e ss h o r t e ra n ds h o r t e r t h ed e s i g n e r sh a v et of i n i s ht h ed e s i g ns a m p l ea n dt e s t i n ga ss o o na sp o s s i b l e t h er a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) ， w h i c hc a nc o n v e r tt h ei d e a st ot h es a m p l e s ，e v e np r o d u c t s ，w i t hs t r u c t u r e sa n df u n c t i o n sa u t o m a t i c a l l ya n d e f f i c i e n t l y , i sa p p l i e dw i d e l y b a s eo nt h ec o m p a r i s o no fr pt e c h n i c s ，i t sf o u n dt h a tt h es u p p o r ti sn e c e s s a r yi nt h es a m p l e p r o d u c t i o n n a m e l y , t h ep o s i t i o no fs a m p l ei np r o d u c t i o na f f e c t s t h ea p p e n d a n ts u p p o r ta sw e l la st h e p r o d u c i n gp e r i o d ，e f f i c i e n c i e sa n dc o s t t h e r e f o r e ，t h eo r i e n t a t i o no fr p i ss oi m p o r t a n tt h a tt h ed i s c o v e r y o fo p t i m u mo r i e n t a t i o ni ss i g n i f i c a n t t h em o s tr e s e a r c h e sf o c u so nt h ep r o c e s so fm o d e ls t l t h eo r i e n t a t i o no fr pi nt h et h e s i s i s a d v a n c e dt ot h ed a t as a m p l i n gi nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) a f t e rt h ed a t af o rp a r t sa r ca v a i l a b l ew i t h s a m p l i n ge q u i p m e n t ，t h eo p t i m i z a t i o nf o rd a t ai sp e r f o r m e da n d t h eo p t i m u mo r i e n t a t i o ni sa t t a i n e d c o n s i d e r i n gt h en o n c o n v e x i t yo rn o n l i n e a rg o a lf u n c t i o n ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i s f e a s i b l ef o rt h i sp r o c e s s i n g b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so fg a ，e g s t u nc o n v e r g e n c e ，t h er e f o r m a t i o ni sm i l i t a t e d i no r d e rt o r e d u c et h ei n c o r r e c ta b a n d o n m e n to fi n d i v i d u a l s ，t h el i n e a rt r a n s f o r m a t i o ni nn e c e s s a r yf o rf i t n e s sf u n c t i o n s t h ep r o p o r t i o n a ls e l e c t i o no p e r a t o ri sa d o p t e dt h a tt h es u p e r i o ri n d i v i d u a li ss e l e c t e da n dt h ev a i ns e a r c hi s a v o i d e d t h eu n i f o r mc r o s s o v e ro p e r a t o ri ss e l e c t e ds ot h a tt h es u p e r i o rg e n eh a sg e n e t i cc h a n c ea n d i n h e r i t a n c e t oa c c o m p l i s ht h eo p t i m i z a t i o n ，t h ei l l u m i n a t i o np r i n c i p l ew h i c hi n d i c a t e sat e c h n i q u et h a tp r o j e c t s t h ep a r a l l e ll i g h tb e a mt on e t w o r k ，i sa d o p t e dt op r o c e s st h es a m p l e dd a t at oa p p r o a c ht h et h r e e d i m e n s i o n s o l i dc o m p o s e do f0a n d1m a t r i x ，w h i c hr e a l i z e st h eb i n a r yc o d e sf o rg a t h i si d e ac a nn o to n l ya p p l yi n t h eo p t i m i z a t i o nf o ro r i e n t a t i o n ，b u ta l s ob es i g n i f i c a n tf o rr ps l i c i n g m o r e o v e r , t h eg ap r o g r a mp r o d u c e di nm a t l a b6 5f o ro r i e n t a t i o no p t i m i z a t i o nl e a d st ot h eu l t i m a t e c e r t i f i c a t i o ni nt h er e s e a r c h t h es m a r ti d e af o rd a t ap r o c e s s i n gi nt h i st h e s i sa c h i e v e st h eo p t i m i z a t i o nf o ro r i e n t a t i o nf r o mt h a to f d a t a ，w h i c hi se x p a n d e dt od a t as a m p l i n gi nr ed e s p i t et h el i m i to ft r a d i t i o n a lt e c h n i q u e s i ti m p r o v e st h e e f f i c i e n c yi nr ed e s i g na n dt h er e d u c t i o nf o rl a b o ri n t e n s i t y k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；o p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；i l l u m i n a t i o np r i n c i p l e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储签沙梦 一， l 乙一， 朋7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签锄兹 多形年；月7 日 导师签名：多幺彰扩莎劬卅年岁月罗日 k 安人学颂i ：学位沦义 1 1 引言 第一章绪论 随着反求工程在实际中越来越广泛的应用，快速原型作为其中的一个重要组成部分 也有了更多的应用，而在快速原型制造中，许多工艺都需要支撑结构，如：f d m ( 丝状 材料选择性熔覆) 工艺、s l a ( 立体印刷成型) 工艺、m j m ( 喷墨式三维打印) 工艺等。 支撑结构一般在原型的制造过程中同时加工出来【1 ，2 1 ，在成型后将其剥离。支撑的存在 不仅直接影响快速原型的加工质量、延长加工时间，而且影响制造成本i 引，因此，一般 希望成型过程中所需要的支撑结构与体积尽量少，成型时添加支撑体积最少的方向即为 最优成型方向。 现在在快速原型机中考虑零件的摆放，都是操作者根据零件的形状结构及产品成型 要求，凭技术和经验在主观上进行判断。这样一方面效率较低，另一方面也不一定能找 到最优成型方向。 3 d 测量是反求工程中第一步工作，其中三坐标点测绘和激光扫描是最为成熟的两 种技术，得到的都是零件的三维点群。能根掘得到的点群，直接快速准确地计算出成型 时零件的最优摆放角度，无疑将大大提高反求工程中的效率，节约制造成本。 1 2 国内外研究现状 快速成型技术首先在美国得到使用，1 9 8 7 年3 ds y s t e m 公司首次推出商业化的快 速成型设纠4 1 。在近几年，快速原型技术发展十分迅速。与过去相比，快速原型在制造 目标、制造能力等方面都有了很大的变化和提高，应用领域逐步扩展。随着快速原型技 术的迅速发展，世界上研究快速原型技术的机构数目也越来越多，目前在互联网上有数 百家大学、研究机构和企业介绍了研究和开发快速原型技术的状况。近年来，有关快速 原型方面的书籍、杂志及国际会议纷纷出现，例如：b r u n s ，j o h n s o n ，j a c o b s ，w o o d 和b i n s t o c k 等分别发表了有关快速原型方面的著作或书籍1 5j 。 美国s t r a t a s y s 公司出品的d i m e n s i o n 三维打印机，是目前市面上比较成熟的快速 原型机，采用熔融沉积成型( f d m ) 和p o l y j e t 专利快速建模方法，它可直接利用用于 在整个设计与丌发过程中测试塑形、适配和功能的3 dc a d 系统制作精确的三维建模 零件。其r p 软件能对s t l 文件进行自动分层、生成支撑结构，创建精确的成型路径， 第一枣绪论 最终构造a b s 模型。在对工件位置摆放上，也只需要用户用鼠标点s t l 文件表面即可 确定成型件的底面，可以说非常方便。 我国于9 0 年代初才开始快速成型技术研究，主要有西安交通大学、清华大学、华 中科技大学及北京隆源自动成型系统有限公司，进行了光固化成型、熔融沉积造型、分 层实体制造和选区激光烧结成型技术与设备研究，目前其相应的快速成型设备均已实现 商品化【引。 快速原型技术在商品化的快速原型机上得到了很大的体现，现在的成型机精度越来 越高，效率越来越快，加工的材料越来越多样化，但是在成型优化方面的研究相对较少。 s r e e r a m 和d n t t a 以稳定的平衡位置、最小的切层数量和最小的台阶效应为目标来确定 零件制作过程中的位置方向；s e t h 和d a t t a 以需要加支撑的表面最少为目标进行制作方 向优化；j a c o b s 认为零件的制作高度和由于台阶效应、凹陷体积引起的零件表面质量问 题是方向优化中最重要的因素：l a ne ta l 认为s l a 系统应该将表面质量、制作时间和 支撑作为方优化的目标；t u r n e re ra l 论述了s l s 原型的表面质量和制作方向之间的关 系【6 】。 快速原型摆放角度的优化问题求解，是一种非线性规划算法。非线性规划的算法虽 然不少，但没有一类算法能对非线性规划问题普遍有效，而且非线性规划的算法所求的 结果往往是局部最优解。8 0 年代以来，尤其是近几年来，一些全新的计算方法如模拟退 火、进化计算等相继出现，大大地丰富了最优化技术，为我们解决最优化问题提供了新的 解决方法。 国内也有不少学者对成型优化做了大量的研究，提出了许多新的算法。而遗传算法 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 是近几年发展起来的一种崭新的全局优化算法，它借用了生 物遗传学的观点，通过自然选择、遗传、变异等作用机制，实现各个个体的适应性的提 高。它采用群体搜索代替传统优化方法中的个体搜索，因此在搜索过程中不容易陷入局 部最优，可以得到近似的全局最优解l7 1 。 1 3 课题内容及目的 现在一般的研究都是对s t l 模型文件进行优化分析，这一工作位于快速原型机切片 分层之前，而本课题研究从反求工程测量出来的点群数据丌始。第一章在广泛阅读文献 和调研的基础上，阐述了课题研究的内容及目的。第二章研究了反求工程中常用的技术 和设备，对不同的测量技术和快速原型设备特点做了描述。第三章研究了快速的分类， 2 长安人学坝l ：学位论义 对几种常见的快速原型做了比较。第四章较为详细的介绍了近年来得到广泛重视的一种 拟生物进化算法遗传算法，分析了遗传算法的基本结构和主要特点：深入研究了遗传 算法用于成型优化设计时的算法设计和算子设计的内容，对遗传算法的基本实现技术做 了介绍。第五章将零件的三维点群转化为二进制编码，利用光照模型，用0 1 点阵来表 示零件的形状，并设计了遗传算法求解最优成型方向。第六章用m a t l a b 软件编写了 优化主程序，通过实例论证了方法的可行性。第七章对本次研究进行了总结和展望。 通过本次的研究，能找到一种从测量到优化后进行快速原型的一条简单方便的方 法，将成型的优化不局限在对s t l 模型上，而转移到点群数据上，这样大大降低技术人 员的劳动强度，提高反求设计的效率。 第二市点群数据的扶取 第二章点群数据的获取 2 1 产品表面数据获取技术r 7 l 测量设备是反求工程中的核心硬件之一。其测量测量原理决定了测量的范围、速度 和精度。反求工程采用的测量方法主要有两种：一是传统的接触式测量法，如三坐标仪 测量法；二是无接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、全息法、深度图像三维测 量法；而逐层扫描测量法，如工业c t 法、核磁共振法( m r i ) 、自动断层扫描法等，由于 扫描测头不与工件接触，也可被归到非接触测量中，但其c a d 重构过程与一般的非接触 测量是不同的。 这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根 据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全适用于反求工程 的快速、精确的反求测量方法，因此，许多快速原型中心都装备了两种以上的扫描设备 以满足不同方面的需要。随着近年来计算机技术和光电技术的发展，以计算机图像处理 为主要手段的无接触式测量技术，将投影光栅法和激光三角形法用于快速原型制造技术 正在迅速发展。这些方法测量速度快、自动化程度高，适用于各种复杂模型的三维快速 测量。 1 三坐标测量技术 三坐标测量，又称探针扫描，是利用三坐标测量仪的接触探头( 有各种不同直径和 形状的探头) 逐点地捕捉样品表面数据。这是目前应用最广泛的三维模型数字化方法之 一。当探头上的探针沿样件表面运动时，样件表面的反作用力使探针发生形变，这种形 变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反映出来，其大小和方向由传感器测 出。通过模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，通过计算机运算，显示出所测量的点 的空间坐标，并将数据记录下来。一些设备以激光束作为探头，以激光束焦点为探针进 行测量。 采用三坐标测量仪可以达到很高的测量精度( 0 5 m ) ，对被测物体的材质和色泽 一般无特殊要求，测量过程较简便。但是由于这种方法是接触式测量，易于损伤探头和 划伤被测样件表面，人工干涉程度大，难以实现全自动化测量，测量数据点较少，通常 不能直接用于快速原型机或c n c 机床复制，还需要在c a d 软件中修改模型或重构模型。 三坐标测量仪价格较高，对使用环境也有一定要求，而且测量速度较慢。目前，主要用 4 k 安人学硕i ：学位论文 于测量没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多，具有少量特征曲面的零件。在获得零件的 特征点后，用c a d 软件进行三维重构，再将c a d 实体模型用于r p 加工。 2 投影光栅法 簸；剖阳 誓期 图2 - 1 投影光栅原理图 投影光栅法的基本原理是把光栅投影到被测件表面上，受到被测样件表面高度的调 制，光栅影线发生变形。然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过解调变形光栅影线， 就可以得到被测表面高度信息，其原理如图2 1 所示。入射光线p 照射到参考平面上的 a 点，放上被测物体后，p 照射到被测物体上的d 点，此时从图示方向观察，a 点就移到 新的位置c 点，距离a c 就携带了高度信息z = h ( x ，y ) ，即高度受到了表面形状的调制。 目前解调变形光栅影线的方法主要由傅立叶分析法和相移法。傅立叶分析法比相移法更 易于实现自动化，但精度略低。 投影光栅法被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一，这种方法具有速度快、 无须运动平台的优点。德国c o m 公司的a t o s 光学扫描测量系统可以在l m i n 内完成一幅 包括4 3 9 ，2 9 6 像素的图像测量，精度可达0 0 3 m m 。光栅法的主要优点是测量范围大、 稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低， 而且只能测量表面起伏不大的较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往 会发生相位突变，使测量精度大大降低。同时存在着图像获取和处理时间长、测量量程 短等问题。 3 激光三角形法 激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光束( 如点光源、线光源) 沿 样品表面连续扫描被测表面，被测辰面形成的漫反射光点( 光带) 在光路中安置的图像传 感器( c c d ) 上成像，按照三角形原州，测出被测点的空l 日j 坐标，其原理见图2 - 2 。 第_ 二帝点群数抛的扶驳 j 1 。u li 托：、h f l i 参芬“l 图2 2 激光三角形法原理 若目标平面相对于参考面的高度为s ，那么，二者在探测器上成像的位移： e = b s s i n i s s i n ( i + k ) a s i n k 式中a ，b 分别为透镜前、后焦距。 激光三角形法是目前最成熟的，也是应用最广泛的一种方法，它的测量速度快，精 度高。激光三角法位移传感器具有非接触、体积小、重量轻、安装方便等特点，可以作 为扫描测头安装在三坐标测量机上。激光扫描不仅可以测量硬质工件，而且可以测量柔 软样件。激光三角形法存在的主要问题是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏 感，存在“阴影效应，限制了探头的使用范围；不能测量激光束照射不到的位置，对 突变的台阶和深孔结构易于产生数据丢失；扫描得到数据量较大，需经过专门的反求数 据处理软件建立曲面模型，而且曲面的边缘和结合部分需人工修理。 4 c t 扫描与核磁共振法 投影光栅法和激光三角形法虽然应用很广，但应用在某些产品的测量中，还存在着 一个较大的缺陷，即无法测量物体的内部轮廓。而且如果使用快速原型机采用分层叠加 方法制造产品原型，快速原型机不仅需要样件的外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据， 因而这个缺点使上述方法在反求工程中的应用范围受到了一定的限制。 解决这一问题的方法之一就是利用c t 扫描与核磁共振技术直接获取物体的截面数 据。日本的n a k a i 和m a l u t a n i 提出了用c t 和核磁共振扫描数据重构三维数据的算法， 美国的i n t e r g r a p h 己丌发了一种能够把c t 扫描数据转换成i g e s 数据格式输出的软件。 逐层扫描的特点是可以对零件的表面和内部结构进行精确测量而不受被测量物体复杂 程度的限制；所获得的测量数据密集、完整，测量结果包括了零件的拓扑结构。但是， 利用c t 与核磁共振获取数据的精度较低，目前的最小层厚达l m m ，而在这种精度下是无 6 长安人学硕i ：学位论文 法做出实用的零件的。此外，c t 与核磁共振的成本高，再加上可测零件的尺寸和材料都 有限，因而在短时间内用于产品反求工程还有很多困难。 5 自动断层扫描法 美国c g i ( c a p t u r eg e o m e t r yi n s i d e ) 公司开发了自动断层扫描专利技术。在该专利 技术基础上开发的r e l 0 0 0 再生工程系统采用材料逐层去除与逐层激光扫描相结合的方 法，快速、自动、准确地测量零件的表面和内部尺寸，非常适合于快速造型技术。它的 片层厚度最小可达0 o l m m ，测量精度为0 0 2 m m 。与工业用c t 相比，价格便宜7 0 - 8 0 ， 而测量精度却高得多( 工业c t 在z 轴方向的测量精度差，测量速度慢，设备昂贵，成本 高，而自动切层扫描在z 轴方向的精度可达0 0 2 5 m m ) ，且实现了全自动化操作。但是， 这种方法采用的是破坏性测量，对于贵重零件不宜采用。另外速度较慢，一般零件的测 量时间是8 9 小时。 自动断层扫描采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法使测量结构大为简化、 成本降低、设备安装方便，可作为数控铣床( 用于去除材料) 的附件出售。工业c t 和自 动断层扫描这二种方法的不同点在于工业c t 不破坏零件而自动断层扫描需将零件逐层 去除，尽管零件受到了破坏( 对贵重零件不宜采用) ，但是留下了完整的数据。在进行自 动断层扫描测量时，应注意使物体的封装材料与物体的颜色有明显的灰度差别，此外， 包料应具有较好的切削性能，封装过程操作方便，固化后，包料气孔少，与物体粘合紧 密。这样能够提高后续数据处理的精度。 由于逐层扫描测量是采用逐层相加方式的快速原型制造技术( r p ) 的逆过程，因此与 r p 有天然的联系。扫描的数据本身就是由一层层零件截面的轮廓线数据点构成的，因此 测量数据甚至不必转换为s t l 文件就可进行r p 加工。 2 2 点群数据的获取 本文在实验中采用的是3 d f a m i l y 公司生产的l s h 6 0 0 激光扫描测量系统。该系统由 激光扫描传感器，立体影像分析器和激光扫描控制软件组成。激光扫描传感器内设有激 光光源，并配有两个c c d 照相机。激光扫描传感器装在三轴同步机架上，利用控制软件 执行三维立体扫描工作，再利用激光传感器所收集的影像资料传到立体影像分析器内作 影像数字化处理。由于光束直径小，样件上许多细微部分均可以顺利扫描采集。立体影 像分析器内可存储资料高达2 0 0 万个扫描点，并以1 4 0 0 0 点r a i n 的处理速度，将数据转 换成样件表面的三维坐标数据，用以构造c a d 市体模型1 8 j 。 镕章点群盐据的耻 图2 - 3l s h 6 0 0 激光扫描测量系统 图23 为3 d f a m i l y 公司生产的l s h 6 0 0 激光扫描测量系统其具有如下特点i q ： ( 1 ) 四自由度自动测量系统： ( 2 ) 旋转轴中心自动定位； ( 3 ) 使用软件调整激光功率大小； ( 4 ) 有图象前处理功能，可以获得较佳的图象质量，进而提高测量精度； ( 5 ) 使用软件调整激光图像分析参数以获得较佳的图像质量，既而提高测量精 度； ( 6 ) 具有扫描线平滑功能，可依照使用者需求或实际点数据状况施加平滑效果； ( 7 ) 具有点数据删减功能，保留适当的点数据，删减不适当的点数据，可有效降 低点数据数目，使后处理软件顺利进行： ( 8 ) 软件可作定位误差补偿； ( 9 ) 使用者可在线校j e 激光探头； ( 1 0 ) 具有辅助激光校正的功能； ( 1 1 ) 测量速度约在i o o o 2 4 0 0 0 p t s s ( 视计算机运算速度而定) ； ( 1 2 ) 非接触式测量，可测柔软或不可接触的丁件： ( i ：j ) 有平面测量( 可定为单而或多面扫描，扫拙的平面数由使用肯白行决定) 、 旋转测最两种描方式。 k 安人学硕i ：学位论义 ( 1 4 ) 配有双c c d 探头，配合万向夹具，扫描一般无死角。 2 3 本章小结 反求设备的选择，取决于反求产品的尺寸、形状复杂程度以及使用者对反求精度和 速度的要求。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定 合适的扫描方法并选择相应的扫描设备：例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位 的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪使用时设备损耗费相对较少，且可以输 出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体 进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质 要求，比较常采用的是激光扫描仪。 9 3 1 概念恻 第三章快速原型技术及其应用 快速原型系统( r a p i dp r o t o t y p e ) ，是将计算机辅助设计( c a d ) 产生的实体模型， 由层层堆栈方式，以快速、自动化的流程制作出来。简单地说，切削加工是将一块材料 作切削，去除不要的部分，而快速原型则是直接将所要的材料以堆栈的方式制作出柬。 快速原型机的基本原理是将c a d 设计出来的模型由切层软件将模型分割成一层 一层的数字数据，再把这些数据输入快速原型设备中：一层一层地将模型堆栈出来。快 速原型机自从推出之后，逐渐受到学术界与产业界地注意，其中最主要地原因是省时， 并且可做出一般加工机所无法加工地造型，使用上也极为方便。如图3i 所示是一种快 速原型产品实物图。 32 快速原型的过程嘲 斟31种快速燎l q 产品实物圉 快速原型技术结合了计算机、数学、机械垃计、自动控制、光学以及材料科学等领 域地知识。虽然各种商业化地机种成型方法不同，但其制作流程大多遵循下，几个步骤： ( 1 ) 设计三维模型或用扫描点数据建构刚格面： ( 2 ) 将文档存为s t l 文档： ( 3 ) 利用软件进行分层处理井生成加t 路径： k = 宜人学坝l ：学位论义 ( 4 ) 输入快速原型机，制作原型件； ( 5 ) 原型件后处理，抛光、固化等。 3 3 快速原型制造技术的分类1 1 0 l 目前快速原型系统种类繁多，其制作原理大致类似，只是在堆栈的材料种类与方式 上有所不同，较为人熟悉与成熟的技术有以下几种。 3 3 1 液态光敏聚合物选择性固化 液态光敏聚合物选择性固化( s l a s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) ，又称立体光 固化。它以光敏树脂为原材料，计算机控制紫外激光按零件的各分层截面信息在光敏树 脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成一个零件 的薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个距离，以使在原先固化好的表面再敷上一层 新的液态树脂，然后进行下一层的扫描加工。新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如 此反复直到整个原型制造完毕。 这种方法的优点是精度高，一般可达o i m m 甚至更高，表面质量好，原材料利用 率将近1 0 0 ，能制造形状特别复杂，特别精细的零件。缺点是成型材料较脆，加工零件 时需制作支撑；另外，成型过程中材料发生相变，因此不可避免地使聚合物收缩产生内 应力，从而引起制件的翘曲和其他变形【1 1 ，1 2 1 。 3 3 2 薄型材料选择性切割 薄型材料选择性切割( l o m l a m i n a t e do b j i e c tm a n u f a c t u r e ) ，基本原理为：首先 在基板上铺一层薄形材料( 如纸) ，然后用一定功率的c o 。激光器在计算机的控制下按分 层信息切出轮廓，同时将非零件部分按一定的网格形状切成碎片以便去除，加工完一层 后，再铺上一层薄形材料，用热辊碾压，使新铺上的一层在粘接剂的作用下粘在已成型 体上，再切割该层的形状，如此反复直至加工完毕。最后去除切碎的多余部分，便可得 到完整的零件i l l 】。 这种方法的优点是无需制作支撑，激光只做轮廓扫描，成型效率高，运行成本低： 在成型过程中无相变，残余应力小，不存在收缩和残余变形，制件的几何尺寸稳定性好。 缺点是材料利用率低，表面光洁度不是很好，后处理难度大，尤其是中空零件的内部残 余废料不易去除【l l 1 引。 第三市伙逃燎型技术及j c 心j i i 3 3 3 粉末材料选择性烧结 粉末材料选择性烧结( s l s - s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) s l s 采用c 0 ：激光器，使用 的材料为粉末材料。加工时，首先将粉术预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平辊子 的作用下将粉末铺平。c 0 ：激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结， 一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末就可以得到一个烧结好的 零件1 1 1 l 。 这种方法的优点是无需支撑，成型的零件机械性能好，强度高，。缺点是粉末比较 比较松散，烧结后精度不高，尤其是z 轴方向的精度较难控制【1 1 1 。 3 3 4 丝状材料选择性熔覆 丝状材料选择性熔覆( f d m - f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) ，这是一种不使用激光器 的方法，技术关键在于喷头的设计。在计算机控制下，喷头喷出的熔化材料在x y 工作 台的带动下，按截面形状铺在底板上，一层一层加工，最终制造出零样【1 l l 。 3 4 快速原型技术的优势及特点【1 3 】 快速原型技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制造原型和各种零部件的新途径。 从理论上讲，分层叠加增长式的成型方法可以制造任意复杂形状的零部件，原材料利用 率可达1 0 0 。目f ； 所采用的专门的快速原型设备，最高精度可达到0 0 1 胁，层厚 ( 0 0 5 1 0 5 ) m m ，速度为几小时到几十小时一件。快速原型技术的出现，创立了产品 开发研究的新模式，使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉并迅速得到验证， 检杳所设计产品的结构、外形，从而使设计、制造工作进入了一个全新的境界。 1 制造快速 从产品c a d 或从实体反求获得数据到制成原型件，一般只需几小时至十几个小时， 速度远远快与传统的加工方法。尤其适合：新产品开发，小批量、复杂、异形产品( 如 凹槽、凸肩、空心和嵌套等) 的直接生产而不受复杂程度的限制。改善了设计过程中的 人机交流，使产品设计、验证、修改、模具生产并行，大大缩短了产品设计、开发的周 期，降低了新产品的丌发成本和企业研制新产品的j x l 险。同时，利用互联网可以进行远 程设计和远程制造服务，使有限的资源得到充分的利用，用户的需求也可以得到最快的 响j 立。 2 快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法 1 2 长安人学坝 j 学位论义 由于快速原型技术采用全新的“增长”加工法。它不必采用传统的加工机床和工具、 模具、央具、切削液等。大部分快速原型制造工艺都无废料的生成，原材料的利用率可 达1 0 0 。它不受形状复杂程度的限制，能制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原 型或零件。只需传统加工方法的1 0 3 0 的工时、2 0 3 5 的成本。 3 技术高度集成 落后的计算机辅助工艺规划( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 一直是实 现设计与制造一体化比较难克服的一个障碍。快速原型技术是计算机技术、数据采集与 处理技术、材料工程和机电加工与控制技术的综合体现。正是由于这些高新技术的迅速 发展才使c a d 和c a m 的到了很好的结合，实现设计与制造一体化。 4 制造过程高度柔性化 共同的制造原理使各种快速原型系统在软硬件的实现上7 0 一8 0 是相同的，只需在 一个现有系统上增加少量的元器件和软件功能就可进行另一种工艺原理的制造。不同工 艺原理的设备容易实现模块化，可相互切换。对同一工艺原理的设备，只需改变c a d 模 型或反求数据结构模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的原型或零件。 5 可选材料广泛 快速原型技术可选材料很广泛，如：树脂类、塑料类原料、纸类、石蜡类原料，复 合材料，金属或陶瓷材料的粉末、箔、丝、小块体，或涂覆某种粘接剂的颗粒、板、薄 膜等材料。这样我们就可以根据需要加工的原型件的不同要求，选用适合的成型材料和 工艺。 6 突出的经济效益 快速原型技术使零件的复杂程度和生产批量与原型或零件的制造成本基本无关。相 对于传统的加工方法，大大降低了小批量产品的生产周期和成本，这有利我们把握商机， 制造新颖、复杂甚至以往认为没有效益的多品种、小批量产品更有利于在激烈的市场竞 争中生产出满足客户个性化、具有创新意识的产品。 7 有利于环保 快速原型制造属非接触加工，制造过程无振动、噪声，没有或极少下脚料，原材料 的利用率可达1 0 0 ，且在制造过程中不需要传统加工所需要的切削液等，是一种环保型 的制造技术。 第三章快速原型技术及j e 廊用 3 5 快速原型技术的应用1 3 】 快速原型技术已发展了相当长的时问，相关技术的领导厂商也再不断推出新机种、 提高设备精度与材料，在市场上也有不错的反应。目前，快速原型技术在模具、家用电 器、汽车、航大航空、军事装备、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、 医疗器具、人体器官、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了较为广泛的应用。 其主要的应用如下： 1 原型制造 我们常说“画出来好看做出来不好看”。在传统的j 口3 ：方法中，二维工程视图或三 维观感图在设计加工和检测方面起着重要作用。但由于它们不够直观，表达效果受到很 大限制，而手工制作模型耗时又长且精度较差。通过快速原型技术能够迅速、精确地将 设计师的设计思想变成三维实体模型。在产品的开发研制期间，将快速原型件用于观感 评价、整机装配校核、各种性能和功能测试实验，使设计、修改、验证和制造同步进行， 大大加快了产品的开发进度，同时也便于及早发现问题，减少损失，是实现并行工程强 有力的工具。 2 快速制造模具 基于快速原型技术的快速模具技术( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 是直接或问接地基于r p 技术，并结合传统的各种模具制造技术，快速、准确地制造所需模具的过程。r p + r t 技 术集成程度高，制件速度快，可以解决大量传统加工方法( 如切削加工) 难以解决甚至不 小能解决的问题，并为并行工程的应用创造了良好的的条件。从模具的概念设计到制造 完毕仅为传统切削加工制作周期的1 3 1 1 0 ，生产成本也仅为1 3 5 ，在产品的开发 试制、多样化小批量生产等方面更是具有广阔的应用空问。并且随着材料技术和制造工 艺等的不断发展，大有取代切削加工钢模具的趋势。 3 医疗领域 当前，美国、澳大利亚、同木、德国、英国、法国等国家对快速原型技术在医疗领 域的应用非常重视，已经取得了明显的效果。国内的西安交通大学等机构也在从事相关 方面的研究。通过c t 扫描仪和m r i 磁共振扫描仪所得到的人体器官数据，运用m i m i c s 等软件的转化，快速、准确的建立器官的三维几何模型，再通过快速原型技术制造用于 教学、诊断的视觉和触觉模型，可以帮助医生制定手术方案，用于器官修复、移植等。 4 艺术品、商品展示模型 1 4 k 宜人学坝l ：学位论义 在艺术创作方面，采用快速原型技术可使艺术家的创作、制造一体化，为艺术家提 供最佳的设计环境和成型条件。比如：制造珍贵的金玉类艺术品的廉价原始样本、文物 复仿制、工艺美术装饰品，特别是在古陶瓷的复n 仿制等方面具有广阔的应用空间。 同时通过快速原型技术制作用于商品展示的模型，为即将投产的商品作宣传，也便 于生产商收集零售商、顾客的反馈信息，及时作出方案和设计的调整和修改，在激烈的 市场竞争中争取定单。 5 电脉冲机床的电极 用快速原型技术结合相应的特种加工工艺，快速制造电加工的电极，实现复杂零件的快 速电火花成型加工。如通过喷涂或涂覆金属、粉未冶金、精密铸造、浇注石墨粉、含有 一定比例磨粒如碳化硅的环氧树脂，固化后可产生一个硬印模研模具，用来研磨制造和 修复高精度、高表面质量的电火花加工石墨电极、金属电极。制出的石墨电极精度高、 表而质量及尺寸一致性好，比传统的加工方法速度、成本低、污染少【1 4 彩j 。 3 6 本章小结 本章对快速原型技术做了简介，并对其制作方式做了分析，比较了了多种快速原型 技术的优缺点及快速原型技术的在现实中的应用。通过分析可以看出，常用的一些快速 原型技术在成型过程中都采用了支撑。 第叫帝遗传算法 4 1 概念 第四章遗传算法 4 1 1 概念 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是类借鉴生物界的进化规律( 适者生存，优胜 劣汰遗传机制) 演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的j h o l l a n d 教授1 9 7 5 年首先 提出i 辱矧，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定； 具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指 导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质， 已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。 它是现代有关智能计算中的关键技术之一。 遗传算法中，将n 维决策向量x = ( x t , x ：，l ) 1 用n 个记号xi ( i 一1 ，2 ， 1 1 ) 所组成的符号串x 来表示： x = x i x 2 x n 辛 x l ，x 2 k ，x n i - ( 4 1 ) 把每一个x j 看作一个遗传基因，它的所有可能取值称为等位基因，这样，x 就可 看做是由n 个遗传基因所组成的一个染色体。一般情况下，染色体的长度n 是固定的， 但对于一些问题n 也可以是变化的。根据不同的情况，这里的等位基因可以是一组整数， 也可以是某一范围内的实数值，或者是一个纯粹的一个记号。最简单的等位基因是由0 和1 这两个整数组成的，相应的染色体就可表示为一个二进制符号串。这种编码所形成 的排列形式x 是个体的基因型，与它对应的x 值是个体的