以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)

1、    以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)    以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)    類別：傳感與控制      目前，快速原型制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是直接制造出全密度、高強(qiáng)度的功能性金屬零件，也稱為金屬直接成型制造技術(shù)?；诳焖僭图夹g(shù)的快速模具制造是金屬直接成型制造技術(shù)的最直接應(yīng)用之一，它提供了一條從模具CAD模型快速制造模具的新概念和方法，使模具制造在縮短研制周期、提高制造柔性、提高質(zhì)量等方面取得了顯

2、著效果。目前，金屬零件直接成型加工都以平面為基體，實(shí)際生產(chǎn)中還可能要求以金屬零件的回轉(zhuǎn)表面為基體進(jìn)行金屬零件直接成型加工，例如汽車輪胎模具快速原型加工、汽車制動(dòng)轂內(nèi)表面花紋快速原型加工、回轉(zhuǎn)類零件表面損傷修復(fù)等。以輪胎模具快速原型加工為例。在輪胎模具的回轉(zhuǎn)內(nèi)表面上規(guī)則排列著用于加工輪胎花紋的型腔，這些型腔的精度和質(zhì)量直接影響輪胎的質(zhì)量和性能。目前輪胎模具的基本制造過程為：下料或鑄造_+車削加工_+電火花加工_加工排氣孔_+雕刻字符一模具后處理_÷表面拋光。其中電火花加工主要完成輪胎模具的復(fù)雜型腔的成形加工，是輪胎模具加工的最重要環(huán)節(jié)，占總加工周期的7090。由于電火花加工效率較低，因

3、此目前輪胎模具制造過程工序復(fù)雜，加工時(shí)間長，靈活性差。如果采用快速原型技術(shù)進(jìn)行輪胎模具的快速制造，則可以克服上面的缺點(diǎn)，提高輪胎模具加工的效率和靈活性。 本文研究以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)的基本理論和加工實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)快速原型加工不同，回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接成型加工需要在回轉(zhuǎn)表面上進(jìn)行層疊加工，因此其數(shù)據(jù)處理和加工過程控制都與常規(guī)快速原型加工具有較大的區(qū)別。本文首先研究以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬直接成型技術(shù)的基本原理，然后推導(dǎo)回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接成型加工的實(shí)體模型分層算法，編制以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)研究。 1 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)的基本原理

4、 傳統(tǒng)快速原型加工設(shè)備通常以平面為基體，因此只有平動(dòng)軸而沒有回轉(zhuǎn)軸，激光器相對(duì)于被加工工件只能進(jìn)行平行運(yùn)動(dòng)而不能進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型加工，必須在傳統(tǒng)快速原型加工設(shè)備中引入回轉(zhuǎn)軸。如圖1所示，在原有X、y、Z 3個(gè)平動(dòng)軸的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成一個(gè)四軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)(即3個(gè)平動(dòng)軸加1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸)。在加工過程中，金屬零件基體在回轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下作勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以其回轉(zhuǎn)表面(內(nèi)表面或外表面)為基體進(jìn)行層疊加工，這樣就可以在回轉(zhuǎn)表面加工出符合精度要求的表面熔覆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型快速原型加工。 圖1 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型

5、加工設(shè)備 目前，金屬直接成型制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法包括多相組織沉積制造技術(shù)、三維堆焊成型技術(shù)、選擇性激光高溫?zé)Y(jié)技術(shù)和激光熔覆技術(shù)等。其中激光熔覆技術(shù)利用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時(shí)采用送粉裝置將金屬粉末噴入熔池，進(jìn)而形成與基體金屬冶金結(jié)合、稀釋率低并且與基體密度相近的金屬層。與其它金屬直接成型技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有獲得的熔覆金屬層密度與常規(guī)金屬零件相同，加工過程便于數(shù)字控制，可以實(shí)現(xiàn)金屬零件外形尺寸的精確控制，對(duì)基材的熱影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于激光熔覆技術(shù)所具有的這些突出優(yōu)點(diǎn)，因此它是金屬直接成型制造技術(shù)諸多方法中最具發(fā)展前途的制造技術(shù)之一。本文采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接

6、成型技術(shù)研究，如圖2所示。 圖2 金屬零件直接成型加工設(shè)備 2 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型加工的模型分層算法 與常規(guī)快速原型加工相似，回轉(zhuǎn)表面快速原型加工也需要首先對(duì)CAD模型進(jìn)行分層計(jì)算，但是由于是在回轉(zhuǎn)表面上進(jìn)行快速原型加工，因此其分層算法與常規(guī)快速原型分層算法具有較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面： (1)分層計(jì)算采用圓柱面分層而不是平面分層。傳統(tǒng)快速原型加工采用一組平行平面對(duì)STL實(shí)體模型進(jìn)行分層計(jì)算，而回轉(zhuǎn)表面快速原型分層算法則采用一組同軸圓柱面與實(shí)體模型進(jìn)行相交求解，這是回轉(zhuǎn)表面快速原型加工與傳統(tǒng)快速原型加工在分層算法上的最大區(qū)別； (2)實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充采用螺旋線而

7、不是直線，常規(guī)快速原型加工基于直角坐標(biāo)系，用于實(shí)體模型內(nèi)部截面填充的掃描路徑為笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線段，而回轉(zhuǎn)表面快速原型加工以螺旋線為掃描路徑。在這過程中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型內(nèi)部時(shí)，打開激光器光闡進(jìn)行激光熔覆加工；當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型外部時(shí)，關(guān)閉激光器光闡停止激光熔覆加工； (3)實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充采用單向掃描而不是往復(fù)掃描。由于金屬零件基體通常具有較大的慣性，并且加工設(shè)備的回轉(zhuǎn)軸可能存在回程誤差，因此經(jīng)常改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向不可避免地導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)精度的降低。因此，以回轉(zhuǎn)面為基體的快速原型加工的掃描軌跡采用單向均速螺旋線運(yùn)動(dòng)，而不采用往復(fù)掃描的方式。 以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型

8、加工分層算法可以歸納為4個(gè)基本步驟： 驟1 收集用戶設(shè)置信息并進(jìn)行必要的初始化工作 首先需要收集用戶的設(shè)置信息，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用戶可能提出不同的分層要求，因此用戶設(shè)置信息是分層計(jì)算的重要依據(jù)。需要收集的信息首先包括起始圓柱面半徑，螺旋線螺距和圈數(shù)等基本信息。由于分層計(jì)算通常需要進(jìn)行多層計(jì)算，因此還需要包括各層之間距離、總層數(shù)和半徑增長方向等其它信息。除此之外，在計(jì)算開始之前還需要進(jìn)行必要的初始化工作，如讀入STL文件并生成計(jì)算所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算實(shí)體模型的總體高度和半徑范圍等。 步驟2 計(jì)算回轉(zhuǎn)類實(shí)體模型與圓柱面之間的交線 在STL模型中，實(shí)體模型是由一系列三角面片組成的，因此實(shí)體模型與

9、圓柱面的相交求解首先涉及到三角面片與圓柱面的相交求解問題，三角面片與圓柱面的相交求解可以分為兩個(gè)步驟進(jìn)行。首先計(jì)算圓柱面與三角面片所在無限平面之間的交線，獲得的交線是一條空間橢圓線。由于三角面片只是無限平面的一部分，因此三角面片與圓柱面之間的交線應(yīng)該只是該空間橢圓線的一部分，第二個(gè)步驟就是求出空間橢圓線參數(shù)的取值范圍。設(shè)實(shí)體模型中某三角面片的3個(gè)項(xiàng)點(diǎn)為P1、P2和P3，則可以獲得該三角面片所在無限平面的方程： 若使用半徑為r的圓柱面對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分層操作，則該圓柱面的參數(shù)方程可以寫為： 將式(1)代入式(2)可以獲得無限平面與圓柱面的交線： 式(3)所代表的曲線是一段空間橢圓線，其參數(shù)t的取值

10、范圍為0,2。如上所述，三角面片與圓柱面的交線應(yīng)該只是式(3)代表的無限平面與圓柱面交線的一部分。如圖3所示，根據(jù)三角面片與圓柱面之間位置關(guān)系的不同，三角面片與圓柱面之間的交線可能是空間橢圓線的1、2或3段，三角面片與圓柱面之間也有可能根本不存在交線。因此，參數(shù)t的取值范圍應(yīng)該是E0，2仃中的03個(gè)區(qū)間。 圖3 三角面片與圓柱面的交線 為確定三角面片與圓柱面之間交線的參數(shù)取值區(qū)間，考察三角面片及圓柱面在X-Y平面上的投影。如圖4所示，三角面片在X-Y平面上的投影為一個(gè)三角形，而圓柱面在曩y平面上的投影為一個(gè)圓，通過計(jì)算三角形與圓之間的交點(diǎn)，可以確定三角面片與圓柱面交線的參數(shù)范圍。 三角面片與圓

11、柱面交線的參數(shù)范圍通過以下3個(gè)步驟獲得： 計(jì)算三角形與圓的所有交點(diǎn)，需要注意的是由于切點(diǎn)的存在并沒有改變?nèi)切闻c 圖4 交線在X-Y平面上的投影 圓的相交狀態(tài)，因此切點(diǎn)不在考慮范圍之內(nèi)； 將所有交點(diǎn)處參數(shù)按照從小到大的順序進(jìn)行排序操作，獲得一個(gè)參數(shù)序列 判斷參數(shù)t=0時(shí)該點(diǎn)是否位于三角形內(nèi)部。如果該點(diǎn)位于三角形的內(nèi)部，則0，t1為第一段交線的參數(shù)范圍，t1，t2為第二段交線的參數(shù)取值范圍，以此類推。如果該點(diǎn)位于三角形的外部，則t1，t2為第一段交線的參數(shù)范圍，t2，t3為第二段交線的參數(shù)取值范圍，以此類推。 對(duì)于實(shí)體模型中的所有三角面片，均采用這種方法計(jì)算其與圓柱面之間的交線，這些曲線集合構(gòu)成

12、了圓柱面內(nèi)若干個(gè)封閉曲線，它代表了實(shí)體模型與圓柱面之間的交線集合。 步驟3 螺旋線掃描軌跡的生成 以回轉(zhuǎn)面為基體的快速原型加工采用空間螺旋線進(jìn)行實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充。螺旋線被實(shí)體模型分為內(nèi)外兩個(gè)部分，在進(jìn)行加工時(shí)，當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型的內(nèi)部時(shí)，打開激光器光闡進(jìn)行激光熔覆加工；反之，當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型的外部時(shí)，關(guān)閉激光器光闡停止熔覆加工，這樣就可以獲得實(shí)體模型所定義的熔覆結(jié)構(gòu)。為達(dá)到這一目的，需要計(jì)算螺旋線與實(shí)體模型的交點(diǎn)，這樣才能區(qū)分螺旋線的內(nèi)部和外部邊界，這可以通過計(jì)算螺旋線與該圓柱面和三角面片交線(上一步驟所計(jì)算的空間橢圓線集合)之間的交點(diǎn)獲得。 螺旋線與空間橢圓線都位于圓柱面內(nèi)，

13、為求它們之間的交點(diǎn)，將圓柱面展開為一個(gè)平面。隨著圓柱面的展開，空間螺旋線被展開為一組平行線段，而空間橢圓線集合則被展開為若干個(gè)封閉曲線。這樣，空間螺旋線與空間橢圓線的相關(guān)交解轉(zhuǎn)化為線段與曲線的相交求解問題。 如圖5所示，展開之后空間橢圓線仍然可以通過式(3)表示，為方便下面的推導(dǎo)，將其改寫為式(4)： 圖5 螺旋線的展開 利用非線性方程求解方法，可以求出方程(7)在參數(shù)范圍ti，ti+1內(nèi)的解。求出第1圈螺旋線與圓柱面內(nèi)所有空間橢圓線的交點(diǎn)之后，將所有交點(diǎn)處參數(shù)按從小到大的順序進(jìn)行排序操作，從而獲得參數(shù)序列t1，t2，t3，.。則0，t1為第一條螺旋線的參數(shù)范圍，t1，t2為第二條螺旋線的參數(shù)

14、范圍，以此類推。為判斷各段螺旋線是位于實(shí)體模型內(nèi)部還是外部，考察參數(shù)t=O時(shí)螺旋線的點(diǎn)是否位于實(shí)體模型內(nèi)部。如果該點(diǎn)位于實(shí)體模型內(nèi)部，則O，t1段螺旋線位于模型內(nèi)部，t1，t2段螺旋線位于模型外部，以此類推。當(dāng)t=0時(shí)螺旋線的點(diǎn)位于實(shí)體模型外部時(shí)，則與上述情況相反。 步驟4 計(jì)算結(jié)果的后置處理 為生成完整且合理的加工軌跡，還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的后置處理，主要包括以下兩部分內(nèi)容： 各層掃描軌跡的過渡連接。上述計(jì)算過程只生成了各層圓柱面內(nèi)的螺旋線軌跡，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加工過程，各層螺旋線掃描軌跡之間還必須用直線軌跡進(jìn)行過渡。過渡軌跡從某層最一后條軌跡的終點(diǎn)開始，到下一層第一條軌跡的起點(diǎn)結(jié)束； 多余

15、掃描軌跡的去除。所生成的掃描軌跡中可能有一些軌跡沒有任何熔覆加工，這些軌跡可以視為是多余的軌跡，應(yīng)該予以去除，并采用適當(dāng)?shù)倪^渡軌跡過渡到下一個(gè)存在熔覆加工操作的軌跡的起點(diǎn)。 圖6 為一個(gè)計(jì)算實(shí)例，使用Solidworks軟件在半徑為100mm、高度為50ram的圓柱體外表面包覆5個(gè)高度為38ram英文字母(圖6左側(cè)部分)。使用上述分層算法對(duì)導(dǎo)出STL文件進(jìn)行分層計(jì)算，取分層圓柱面半徑為101mm，計(jì)算結(jié)果如圖6右側(cè)部分所示，其中實(shí)線是位于實(shí)體模型內(nèi)部的軌跡，虛線是位于實(shí)體模型外部的軌跡。 圖6 計(jì)算實(shí)例 3 以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件 以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件系統(tǒng)主要由兩部分

16、組成：即數(shù)據(jù)處理部分和加工控制部分。數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)上一節(jié)描述的圓柱面分層算法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分層計(jì)算，其輸入是由實(shí)體建模軟件(如Unigraphics、Solidworks等)導(dǎo)出的STL文件，輸出則是包含了各層掃描運(yùn)動(dòng)軌跡和激光器控制信息的數(shù)據(jù)文件。加工控制軟件主要用于實(shí)現(xiàn)加工過程所涉及的各項(xiàng)控制操作，包括加工設(shè)備各軸的運(yùn)動(dòng)控制、送粉器控制以及激光器光閘開關(guān)操作等，控制操作的依據(jù)是數(shù)據(jù)處理軟件所生成的數(shù)據(jù)文件。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用MS VC+編制，并且使用OpenGL和Glut圖形庫實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型及分層結(jié)果的三維顯示。 3.1 數(shù)據(jù)處理軟件 數(shù)據(jù)處理軟件是分層算法的軟件實(shí)現(xiàn)。由于分層過程中需要用到

17、不同類型的幾何元素，并且這些幾何元素之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，因此根據(jù)面向?qū)ο缶幊淘恚缀卧氐念悓蛹?jí)結(jié)構(gòu)。如圖7所示，CGeometry類是所有圖形類的基類，它定義了所有圖形類共有屬性和接口。繼承于CGeometry類的CCurve類則是所有曲線類的基類，它定義了 圖7幾何元素類的層次結(jié)構(gòu) 曲線類的基本屬性和接口，如查詢?cè)撉€是否位于回轉(zhuǎn)體內(nèi)部，查詢某一參數(shù)處的坐標(biāo)位置等，以及該曲線的運(yùn)動(dòng)控制線等。直線類CLine3D、線段類CLineSegment3D和二次曲線類CCONic都是繼承自曲線類CCunre，其中二次曲線類還派生出了圓類CCircle3D、空間橢圓線段類CConicSec

18、tion和螺旋線類CSpiral等。除此之外，其它類還包括派生于CSurface類代表圓柱面的CCylinder類，派生于CGeometry類的代表STL模型中三角面片CFacet類等。 如圖8所示，數(shù)據(jù)處理軟件在讀入STL文件之后，生成模型特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后采用基于圓柱面的分層算法對(duì)STL模型進(jìn)行分層計(jì)算，計(jì)算結(jié)果是一個(gè)CCurve類指針鏈表，該鏈表通過序列化操作以文檔的形式保存起來。加工控制軟件通過打開保存的文檔獲得曲線鏈表，然后根據(jù)這些曲線信息控制伺服電機(jī)及激光器光闡的操作。 圖8 軟件的整體結(jié)構(gòu) 3.2 加工過程控制軟件 在獲得分層計(jì)算結(jié)果之后，由加工過程控制軟件實(shí)現(xiàn)快速原型加工過程

19、中各軸的運(yùn)動(dòng)控制和激光器光闡控制，此外還包括一些輔助操作功能，如工作臺(tái)移動(dòng)、激光器控制、工藝參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。采用研華公司的PCIl240運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)加工過程中各軸的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)使用其輸入輸出功能實(shí)現(xiàn)激光器電子光闡的開關(guān)操作。為了降低系統(tǒng)模型與人機(jī)交互界面之間的耦合，提高軟件設(shè)計(jì)的靈活性，軟件系統(tǒng)采用MVC(即M0del-View·Controller)結(jié)構(gòu)(圖9)。整個(gè)軟件由模型、視圖和控制3部分組成，模型負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和操作邏輯；視圖用于模型數(shù)據(jù)的顯示以供用戶觀察，同時(shí)還可以接受用戶的輸入；控制部分的作用是將視圖的用戶輸入以系統(tǒng)模型可以接受的形式傳遞給系統(tǒng)模型

20、。 圖9 加工軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)模型用于處理回轉(zhuǎn)類零件激光熔覆加工過程中的所有數(shù)據(jù)和控制邏輯。系統(tǒng)控制的對(duì)象包括各軸伺服電機(jī)、激光器光闡、送粉器電機(jī)等。除此之外，為實(shí)現(xiàn)加工過程中非常重要的定時(shí)操作，模型還包含了3個(gè)軟件定時(shí)器，這些定時(shí)器均采用Windows多媒體定時(shí)器，分別用于用戶界面更新、激光器光闡開關(guān)檢測、加工軌跡末尾檢測等工作。以激光器光闡開關(guān)定時(shí)器為例，該定時(shí)器僅在進(jìn)行螺旋線加工時(shí)開啟，為獲得較高的加工精度，通常設(shè)該定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間小于5ms。當(dāng)定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器通知系統(tǒng)模型執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。在處理函數(shù)中，讀取當(dāng)前加工位置，并與分層計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如果當(dāng)前位置位于模型

21、的內(nèi)部則打開激光器，否則關(guān)閉激光器電子光闡。 加工的操作邏輯，控制對(duì)象包括各軸電機(jī)、激光器光闡、送粉器電機(jī)及定時(shí)器的啟動(dòng)和停止等。操作邏輯是基于事件驅(qū)動(dòng)的在不同狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程，采用有限狀態(tài)機(jī)(Finite-State Machines)可以方便地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述。如圖10所示，系統(tǒng)共有5個(gè)狀態(tài)，即Empty(未打開數(shù)據(jù)文件)、Ready(準(zhǔn)備就緒)、Moving(運(yùn)動(dòng))、Machinig(加工)、Pause(暫停)。系統(tǒng)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)觸發(fā)與該轉(zhuǎn)換相關(guān)的動(dòng)作，例如由就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換到加工狀態(tài)時(shí)將進(jìn)行以下操作：啟動(dòng)送粉器電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)當(dāng)前軌跡控制各軸電機(jī)進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)界面更新定時(shí)器和軌跡末尾檢測定時(shí)器等。采用狀態(tài)圖的優(yōu)點(diǎn)