王衛(wèi)辰 邢邦圣

(徐州師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

當(dāng)前在快速成形領(lǐng)域，普遍采用STL文件作為CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口［1］。STL模型用三角形面片來(lái)近似描述三維幾何形體［2］，這直接造成數(shù)據(jù)處理精度低，難以進(jìn)一步提高成形加工精度。對(duì)STL模型進(jìn)行分層得到的截面輪廓是一折線多邊形，與CAD模型直接分層所得的截面輪廓相比，存在較大偏差［3］。對(duì)于具有大量高次曲面的三維模型，用STL格式表達(dá)會(huì)造成模型文件巨大、分層效率低下。隨著快速成形技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)RP制件精度要求的提高，特別是在制作微型零件(一般為μm級(jí)的零件)方面，無(wú)論STL格式如何改進(jìn)，總存在截平面上的較大截面輪廓誤差［3］。將CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)直接集成無(wú)需借助中介的文件轉(zhuǎn)換方式，從而解決了從CAD到RP由于模型幾何數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換引起的精度損失問題［4］。

目前，基于CAD模型數(shù)據(jù)的直接分層方法已有大量研究［5－6］，但在CAD系統(tǒng)內(nèi)部如何直接驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備工作、掃描數(shù)據(jù)如何在CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)之間直接傳輸?shù)壬行柽M(jìn)一步研究。為了提高快速成形數(shù)據(jù)處理的速度、精度以及成形件表面質(zhì)量，本文研究在CAD系統(tǒng)內(nèi)部獲取層片的加工數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備工作，將CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成為一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)兩者的無(wú)縫結(jié)合。

1 CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)的集成工作模式

快速成形數(shù)據(jù)處理，無(wú)論三維CAD模型經(jīng)過(guò)STL格式轉(zhuǎn)換，還是在CAD模型數(shù)據(jù)上直接進(jìn)行，其根本目的都是為了獲取快速成形系統(tǒng)在生成物理層片時(shí)所必需的輪廓掃描數(shù)據(jù)和填充掃描數(shù)據(jù)。在生成物理層片時(shí)，只要成形設(shè)備的掃描運(yùn)動(dòng)能夠在CAD系統(tǒng)內(nèi)部由CAD模型上獲取的掃描數(shù)據(jù)控制，則完全可以避開STL格式轉(zhuǎn)換，將快速成形系統(tǒng)和CAD系統(tǒng)集成為一個(gè)有機(jī)整體。研究認(rèn)為，CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成工作模式有兩種:實(shí)時(shí)模式和文件模式。

1.1 實(shí)時(shí)模式

實(shí)時(shí)模式是指在CAD模型上直接提取水平截面輪廓，經(jīng)處理后獲得對(duì)應(yīng)層片的掃描數(shù)據(jù)，在CAD系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將該掃描數(shù)據(jù)直接傳給成形設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制單元，實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備進(jìn)行層片的掃描加工。在這種工作模式下，分層數(shù)據(jù)以層片為單位在CAD模型上直接提取，之后根據(jù)三維模型的原始幾何性質(zhì)對(duì)分層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后直接在CAD系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)該處層片的掃描數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備工作，加工出對(duì)應(yīng)的物理層片。這種工作模式使CAD到快速成形系統(tǒng)之間不涉及任何數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，無(wú)須專門開發(fā)從CAD到RP的數(shù)據(jù)接口，將整個(gè)設(shè)計(jì)－制造過(guò)程結(jié)合為一個(gè)有機(jī)整體，所以系統(tǒng)的集成度得以提高。CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成的實(shí)時(shí)模式工作流程如圖1a所示。

1.2 文件模式

文件模式是指在CAD模型上直接提取截面輪廓，經(jīng)處理后生成對(duì)應(yīng)層片的掃描數(shù)據(jù)，然后將層片的掃描數(shù)據(jù)以某種格式文件(如 CLI、PIC［3］、SLC［7］、ZIF［8］等)的形式存儲(chǔ)到磁盤上，之后成形系統(tǒng)將掃描數(shù)據(jù)文件讀入，依據(jù)文件中的掃描數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備進(jìn)行掃描加工，逐層生成各層片的物理模型直至整個(gè)三維原型。在這種工作模式下，層片掃描數(shù)據(jù)的獲取和掃描加工是兩個(gè)單獨(dú)的先后有序的過(guò)程，所以整個(gè)設(shè)計(jì)－制造系統(tǒng)集成度較低。為實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)流通，仍須開發(fā)專門的數(shù)據(jù)接口。但此處的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與三維CAD模型的STL格式轉(zhuǎn)換不同，這里的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件是對(duì)層片掃描數(shù)據(jù)的精確描述，而不是對(duì)原三維CAD模型的近似幾何描述。CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成的文件模式工作流程如圖1b所示。

在CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)直接集成的兩種工作模式中，層片的掃描加工數(shù)據(jù)都直接來(lái)源于三維CAD模型。但實(shí)時(shí)模式將CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，無(wú)須開發(fā)兩者之間的任何數(shù)據(jù)接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)CAD和快速成形的無(wú)縫結(jié)合，體現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)的集成化發(fā)展趨勢(shì)［9－10］。故本文主要研究實(shí)時(shí)模式下三維CAD模型對(duì)成形設(shè)備的直接驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制。

2 CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)直接集成的實(shí)現(xiàn)

目前市場(chǎng)上的主流CAD系統(tǒng)都具有良好的開放性和豐富的幾何運(yùn)算、邏輯運(yùn)算接口，能夠滿足在三維CAD模型上直接提取層片掃描數(shù)據(jù)的要求。本文選擇AutoCAD軟件及其開發(fā)接口ObjectARX為開發(fā)工具，以聚苯乙烯泡沫塑料快速成形機(jī)為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)的直接集成研究。

2.1 層片輪廓掃描數(shù)據(jù)的獲取

為了在CAD系統(tǒng)內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備，須將層片掃描輪廓邊界的曲線形式轉(zhuǎn)換為成形設(shè)備能夠直接接收的離散數(shù)據(jù)形式。設(shè)層片的掃描輪廓曲線在當(dāng)前離散點(diǎn)Pi處的曲率半徑為ρc，則掃描輪廓曲線在點(diǎn) Pi鄰近的微分結(jié)構(gòu)可用其密切圓在該點(diǎn)附近的一段圓弧來(lái)近似表示，如圖2所示。圖中δc為層片理論掃描輪廓離散精度的局部控制指標(biāo)，對(duì)大部分離散點(diǎn)形成的微線段來(lái)講，δc表現(xiàn)為允許的最大弦高誤差。

根據(jù)圖2，導(dǎo)出層片掃描輪廓曲線離散步長(zhǎng)d在點(diǎn)Pi處的適應(yīng)性計(jì)算公式為

設(shè)預(yù)定的掃描輪廓邊界曲線離散步長(zhǎng)最大最小允許值分別為dmax、dmin，根據(jù)上式建立離散步長(zhǎng)d與掃描輪廓曲線幾何特點(diǎn)之間的直接映射關(guān)系:

由此得到的點(diǎn)列…，Pi，Pi+1，…即為當(dāng)前層片實(shí)際掃描輪廓的運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)。

2.2 CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)直接集成模塊結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成的實(shí)時(shí)工作模式數(shù)據(jù)流程，開發(fā)了基于CAD系統(tǒng)的快速成形數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制軟件模塊，該模塊的邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

基于CAD系統(tǒng)的快速成形數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制模塊由4個(gè)功能子模塊構(gòu)成:

(1)三維 CAD模型的分層處理模塊 該子模塊完成三維CAD模型的分層處理，即依序從三維CAD模型中提取一系列兩維水平截面，并將這些兩維截面輪廓以面域的形式逐一傳給下一模塊。

(2)截面輪廓邊界的二次處理模塊 該子模塊針對(duì)成形件的特定應(yīng)用目的，對(duì)截面輪廓進(jìn)行二次處理，使層片的掃描數(shù)據(jù)滿足成形件與CAD模型之間預(yù)期的包含關(guān)系，同時(shí)對(duì)層片理論掃描輪廓曲線段作離散處理，生成成形設(shè)備可接收的層片輪廓掃描數(shù)據(jù)。

(3)層片輪廓掃描仿真模塊 該子模塊根據(jù)層片的輪廓掃描數(shù)據(jù)，在CAD系統(tǒng)內(nèi)模擬層片的輪廓掃描結(jié)果，直觀地顯示掃描數(shù)據(jù)形成的層片輪廓形狀，同時(shí)為檢驗(yàn)層片掃描數(shù)據(jù)的正確性和合理性提供一個(gè)可視化的依據(jù)。

(4)快速成形系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊 該子模塊將層片的輪廓掃描幾何數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的當(dāng)量脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備電動(dòng)機(jī)完成給定距離的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電熱絲按照給定的輪廓掃描路徑作掃描運(yùn)動(dòng)，從而在片狀聚苯乙烯材料上，加工出與CAD模型當(dāng)前位置水平截面相對(duì)應(yīng)的兩維物理層片。

這4個(gè)功能子模塊之間的邏輯關(guān)系和上述掃描數(shù)據(jù)的提取和傳遞方式體現(xiàn)了CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)直接集成的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理，即:層片掃描加工數(shù)據(jù)直接來(lái)源于CAD模型;在CAD系統(tǒng)內(nèi)部得到層片的掃描加工數(shù)據(jù)后，將其直接傳給成形設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備進(jìn)行層片的掃描加工;數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制均在CAD系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，模型數(shù)據(jù)無(wú)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸無(wú)精度損失。

3 工藝參數(shù)的確定

試驗(yàn)所用的聚苯乙烯泡沫塑料成形機(jī)加工方式屬于非接觸切割，電熱絲通過(guò)其熱場(chǎng)將層片輪廓掃描路徑處的泡沫材料氣化，從而達(dá)到層片輪廓掃描加工的目的。電熱絲溫度應(yīng)與系統(tǒng)的掃描速度相匹配，掃描速度確定后，電熱絲溫度以加工過(guò)程中泡沫材料剛好無(wú)阻絲現(xiàn)象為宜。試驗(yàn)中工藝參數(shù)設(shè)定如下:

掃描速度:500 mm/min

熱絲溫度:350℃

脈沖分辨率:28.6 Hz

速度精度:0.1 mm/s

4 實(shí)例與分析

為了圖示清晰，以兩維加工為例。取一層片作為試驗(yàn)對(duì)象，其CAD模型如圖4a所示，圖4b所示為用本文中開發(fā)的基于CAD系統(tǒng)的快速成形數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制模塊加工的該層片的物理模型。從圖中可以看出，兩者保持了較好的形狀和尺寸一致性。

本文開發(fā)的基于CAD系統(tǒng)的快速成形數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制模塊，其子功能均在CAD系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，從而將CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)集成為一個(gè)有機(jī)整體，連接兩者的數(shù)據(jù)紐帶即為在CAD模型上提取的層片掃描加工數(shù)據(jù)。論文實(shí)現(xiàn)了CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)之間掃描加工數(shù)據(jù)的直接傳輸，故不再需要任何數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，真正意義上實(shí)現(xiàn)了CAD模型對(duì)成形設(shè)備的直接控制和驅(qū)動(dòng)，將CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)無(wú)縫結(jié)合在一起。

5 結(jié)語(yǔ)

CAD模型對(duì)成形設(shè)備的直接驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)表明:

(1)在CAD系統(tǒng)內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)和控制快速成形設(shè)備進(jìn)行層片掃描加工完全可行。本試驗(yàn)的成功，為該方案提供了實(shí)踐支持。

(2)CAD系統(tǒng)和快速成形系統(tǒng)之間完全可以避開三維CAD模型的STL格式轉(zhuǎn)換等近似處理環(huán)節(jié)，從而為層片的掃描加工提供更為精確的加工數(shù)據(jù)。

(3)CAD和CAM的無(wú)縫結(jié)合在實(shí)踐上完全可以實(shí)現(xiàn)?？焖俪尚我蚱涮厥獾募庸し绞剑蔀槟壳澳軌蚩缭紺AD和CAM之間縫隙最為有效的技術(shù)手段之一。

［1］王廣春，趙國(guó)群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］楊光，劉偉軍，王維，等.STL格式文件拓?fù)渲亟翱焖偾衅惴ㄑ芯浚跩］.現(xiàn)代制造工程，2009(10):32－35.

［3］史玉升，黃樹槐，陳緒兵，等.三維CAD模型直接切片技術(shù)及其在快速成型中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14(12):1172－1178.

［4］Ma Weiyin，But Wing－Chung，He Peiren.NURBS－based adaptive slicing for efficient rapid prototyping［J］.Computer－Aided Design，2004，36(13):1309－1325.

［5］Pandey P M，Reddy N V，Dhande S G.Real time adaptive slicing for fused deposition modeling［J］.International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2003，43(1):61－71.

［6］Starly B，Lau A，Sun W，et al.Direct slicing of STEP based NURBS models for layered manufacturing［J］.Computer－Aided Design，2005，37(4):387－397.

［7］吳懋亮，華麟鋆.基于SLC數(shù)據(jù)模型的掃描工藝研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(2):76－78.

［8］張李超，黃樹槐.一種新的快速成形層面數(shù)據(jù)文件格式［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(5):86－88.

［9］楊叔子，吳波，李斌.再論先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(1):1－5.

［10］國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告(2011～2020):機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告(2011～2020)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:76－98，258－265.