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面向快速成型的设备控制、工艺优化及成型仿真研究

作　者: 刘杰
导　师: 杨永强
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 快速成型可重构可扩展 2.5维排料离散成型空间模型空心浮雕选区激光熔化两步优化法
分类号: TH16
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

设备控制是快速成型制造能够顺利实施的基础；工艺优化是提高成型质量，确保快速成型制造正确、高效进行的关键；而成型仿真则是验证快速成型工艺的一种有效手段，也是虚拟制造的关键技术之一。目前，国内外的相关研究还不是十分完善。为此，本文采用理论与实践相结合的方式，对这三个方面进行了较为深入的研究，主要内容及结果如下：（1）提出了面向快速成型设备的可重构控制软件体系结构，利用组件技术建立了可重构机制，并依据快速成型设备控制软件相似功能的抽象描述进行了可重构模块的划分。定义了设备控制软件中的关键数据对象，利用COM组件设计了可重构模块，并开发了便于用户进行多任务、多参量设备控制的图形用户界面。通过重构开发，将设备控制软件成功应用于两种不同工艺的快速成型设备。（2）提出了面向快速成型设备的可扩展路径规划软件体系结构，利用插件技术建立了可扩展机制，并依据路径规划软件的数据处理流程进行了可扩展模块的划分。定义了路径规划软件中的关键数据对象，利用插件设计了可重构模块，并开发了便于用户进行多任务、多参量路径规划的宿主程序。研究了用于提高路径生成效率的并行算法，并通过对比实验验证了算法的有效性。（3）研究了面向快速成型工艺的计算机辅助生产效率优化。通过分析快速成型生产过程的时间消耗，建立了3维零件在3维成型空间中的2.5维排料优化规则。在此基础上，研究了计算机辅助2.5维排料，提出利用3维零件模型在成型方向的投影将2.5维排料转化为2维排料的简化方法，并研究了一种利用切片数据来生成投影的算法。通过对比实验，验证了效率优化是有效的。（4）研究了面向快速成型工艺的几何仿真。提出了面向快速成型工艺的通用材料填充模型：离散成型空间模型。根据成型矢量在不同快速成型工艺中的作用，基于该模型分别研究了“添加材料式”快速成型工艺和“去除材料式”快速成型工艺的动态几何仿真。为减少动态仿真时显卡需要处理的数据量，研究了显示数据的动态缩减算法，并以几种常见模型为例验证了算法的有效性。（5）研究了面向快速成型设备的浮雕图像处理方法。利用可视化工具库研究了二维浮雕图像的三维化处理和三维浮雕模型的切片轮廓提取方法，并基于可扩展路径规划软件体系结构研究了面向快速成型设备的浮雕数控代码生成方法。针对快速成型工艺的优势，以及浮雕仅需要确保外观质量的特点，提出了空心浮雕的概念，并研究了直接从图像生成空心浮雕数控代码的算法。基于选区激光熔化工艺制造出了金属材料的空心浮雕。（6）研究了面向选区激光熔化工艺的计算机辅助成型质量优化。提出了针对成型方向和能量输入的两步优化法。建立了成型方向的优化模型，并通过遗传算法求解模型实现了成型方向的计算机辅助优化。建立了用于能量输入调节的倾斜角静态查找表，实现了能量输入的计算机辅助优化。通过对比实验，验证了成型质量优化是有效的。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-17
第一章绪论  17-39
  1.1 课题的背景及意义  17-18
  1.2 快速成型的原理及常见工艺分类  18-29
    1.2.1 快速成型的基本原理  18-19
    1.2.2 预置材料固化型工艺  19-24
    1.2.3 预置材料去除型工艺  24-26
    1.2.4 同步送料型工艺  26-29
  1.3 课题相关内容的研究现状  29-36
    1.3.1 成型设备的研究现状  30-34
    1.3.2 工艺优化的研究现状  34-36
    1.3.3 成型仿真的研究现状  36
  1.4 课题概述  36-37
    1.4.1 研究目标  36-37
    1.4.2 研究思路  37
  1.5 全文内容的组织结构  37-39
第二章面向快速成型设备的可重构控制软件研究  39-70
  2.1 引言  39-40
  2.2 面向快速成型设备的可重构控制软件体系结构  40-44
    2.2.1 可重构设备控制软件的定义  40-41
    2.2.2 基于组件技术的可重构机制  41-43
    2.2.3 设备控制软件可重构模块的划分  43-44
  2.3 可重构设备控制软件的关键数据对象  44-49
    2.3.1 任务数据对象  44-46
    2.3.2 参数数据对象  46-47
    2.3.3 成型指令数据  47-48
    2.3.4 状态数据对象  48-49
  2.4 设备控制软件的可重构模块设计  49-61
    2.4.1 单层成型预备模块及组件设计  49-51
    2.4.2 单层成型模块及组件设计  51-53
    2.4.3 辅助功能模块及组件设计  53-55
    2.4.4 数控代码解释模块及组件设计  55-56
    2.4.5 参数设置模块及组件设计  56-57
    2.4.6 自动调度模块及组件设计  57-58
    2.4.7 任务管理模块及组件设计  58-59
    2.4.8 手动功能模块及组件设计  59-60
    2.4.9 成型状态监测模块及组件设计  60-61
  2.5 设备控制软件的人机交互模块设计  61-62
  2.6 应用实例  62-69
    2.6.1 双缸式 SLM 设备 Dimetal-280  62-65
    2.6.2 单缸式 SLS 设备 Laser Core-5300  65-69
  2.7 本章小结  69-70
第三章面向快速成型设备的可扩展路径规划软件研究  70-87
  3.1 引言  70-71
  3.2 面向快速成型设备的可扩展路径规划软件体系结构  71-74
    3.2.1 可扩展路径规划软件的定义  71-72
    3.2.2 基于插件技术的扩展机制  72-73
    3.2.3 路径规划软件可扩展模块的划分  73-74
  3.3 可扩展路径规划软件的关键数据对象  74-76
    3.3.1 任务数据对象  74-75
    3.3.2 参数数据对象  75-76
  3.4 路径规划软件的可扩展模块设计  76-80
    3.4.1 切片轮廓提取模块及插件设计  76-77
    3.4.2 成型路径生成模块及插件设计  77-79
    3.4.3 数控代码保存模块及插件设计  79-80
  3.5 路径规划软件的宿主程序设计  80-83
    3.5.1 宿主程序的任务管理模块设计  80
    3.5.2 宿主程序的插件管理模块设计  80-81
    3.5.3 宿主程序的人机交互模块设计  81-83
  3.6 路径生成过程的并行计算研究  83-85
    3.6.1 并行计算简介  83
    3.6.2 路径生成的并行算法  83-85
  3.7 本章小结  85-87
第四章面向快速成型工艺的计算机辅助生产效率优化研究  87-99
  4.1 引言  87
  4.2 快速成型工艺生产效率的优化原理  87-91
    4.2.1 快速成型生产中的时间消耗分析  87-90
    4.2.2 2.5 维排料优化规则的建立  90-91
  4.3 计算机辅助 2.5 维排料算法的研究  91-95
    4.3.1 2.5 维排料的投影简化法  91-92
    4.3.2 排料算法的图形表示模型  92
    4.3.3 基于切片数据的投影方法  92-95
  4.4 优化实验与结果  95-97
    4.4.1 实验方案  95-97
    4.4.2 实验结果  97
  4.5 本章小结  97-99
第五章面向快速成型工艺的几何仿真研究  99-117
  5.1 引言  99
  5.2 快速成型工艺几何仿真的材料填充模型  99-107
    5.2.1 离散成型空间模型  103-104
    5.2.2 成型矢量与空间单元的关系  104-107
  5.3 基于离散成型空间模型的动态几何仿真  107-111
    5.3.1 单层片成型的动态几何仿真原理  107-108
    5.3.2 不同快速成型工艺的动态几何仿真  108-110
    5.3.3 基于开放性图形库的三维模型绘制  110-111
  5.4 动态仿真过程的显示数据优化  111-114
    5.4.1 显示数据的动态缩减算法  111-113
    5.4.2 常见三维模型的优化实例  113-114
  5.5 离散成型空间模型的仿真精度分析  114-115
    5.5.1 离散成型空间模型的尺寸误差  114-115
    5.5.2 离散成型空间模型的空间位置误差  115
  5.6 本章小结  115-117
第六章面向快速成型设备的浮雕图像处理方法研究  117-132
  6.1 引言  117-118
  6.2 浮雕的快速成型制造流程  118-120
  6.3 面向二维浮雕图像的快速成型数据处理方法研究  120-127
    6.3.1 可视化工具库简介  120
    6.3.2 二维浮雕图像的三维化处理方法  120-123
    6.3.3 浮雕模型的切片轮廓提取方法  123-126
    6.3.4 浮雕模型的路径规划方法  126-127
  6.4 空心浮雕的直接数据处理方法研究  127-131
    6.4.1 片层轮廓等距内移法  128
    6.4.2 成型矢量“截断”法  128-130
    6.4.3 空心浮雕的制造实例  130-131
  6.5 本章小结  131-132
第七章面向选区激光熔化工艺的计算机辅助成型质量优化研究  132-149
  7.1 引言  132-133
  7.2 选区激光熔化成型质量的优化方法研究  133-136
  7.3 成型方向的计算机辅助优化调节  136-142
    7.3.1 优化模型的建立  136-139
    7.3.2 基于遗传算法的模型求解  139-142
  7.4 能量输入的计算机辅助优化调节  142-144
    7.4.1 倾斜角静态查找表的建立  142-143
    7.4.2 倾斜角静态查找表的使用  143-144
  7.5 成型质量的优化对比实验  144-147
    7.5.1 成型前的优化结果  144-146
    7.5.2 成型后的优化结果  146-147
  7.6 本章小结  147-149
全文总结  149-152
参考文献  152-162
附录  162-165
  附录1 实体空间单元的绘制代码  162-163
  附录2 二维浮雕图像的三维化处理代码  163-164
  附录3 浮雕三维模型的切片代码  164-165
攻读博士学位期间取得的研究成果  165-167
致谢  167-168
附件  168

面向快速成型的设备控制、工艺优化及成型仿真研究

内容摘要

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