多線程技術(shù)在激光快速成型中的應用*

陳光霞,覃群

(江漢大學機電與建筑工程學院工業(yè)設計系,武漢 430056)

0 引言

激光快速成型技術(shù)的出現(xiàn)被認為是近年來制造技術(shù)領域的一次重大突破,它綜合了機械工程、計算機輔助設計(CAD)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學技術(shù)的一系列特點,可以直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或零件,從而可以對所設計產(chǎn)品進行快速評價、方案修改及功能試驗,有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期,同時具有較大的生產(chǎn)柔性[1-8]。

激光快速成型的基本過程是：首先獲得被加工零件的三維 CAD模型的 STL文件;再利用切片技術(shù)進行分層切片,規(guī)劃掃描路徑,并轉(zhuǎn)換成相應的控制指令;激光束在指令控制下進行掃描加工[9-13]。

當零件形狀復雜時,則分層切片和生成掃描路徑的計算量較大,耗時較長。傳統(tǒng)的方法是先將所有切片掃描計算完成后再進行加工,或者計算一層加工一層,這些方法切片計算過程將占用較多的加工用時,有時甚至會達到加工總用時的 50%以上。為了節(jié)約分層切片與掃描計算時間,提高加工效率,本文成功地將多線程技術(shù)應用于激光快速成型技術(shù)中,使切片計算與激光加工同時進行,極大的提高了加工效率。

1 總體思路

為了實現(xiàn)切片計算與激光加工同時進行,本文在激光快速成型軟件系統(tǒng)中引入了多線程技術(shù),即一個線程完成激光加工控制,另一個線程完成分層切片、生成掃描路徑的計算。其流程如圖 1所示。

2 編程中的關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)多線程處理技術(shù),必須解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖 1 加工及切片計算多線程流程圖

2.1 數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)的建立與操作

在激光快速成型軟件系統(tǒng)中,一個線程完成激光加工控制,另一個線程完成切片與掃描路徑的計算。切片計算線程將計算結(jié)果壓入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),激光加工控制線程將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中讀出來,控制激光加工。這個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是程序?qū)ｉT創(chuàng)建的。

2.1.1 數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)的建立

緩沖區(qū)的建立方法：在激光快速成型軟件系統(tǒng)中建立一個與切片計算過程具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一維數(shù)組。這個一維數(shù)組的結(jié)構(gòu)如下：

首先定義直線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

再利用這個直線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義一個五元素的一維數(shù)組,如：

也就是說,這個緩沖區(qū)的大小為 5。

2.1.2 緩沖區(qū)的操作

緩沖區(qū)的操作主要包括兩個方面：壓入操作和讀取操作。

由切片計算線程計算得到的一層掃描線數(shù)據(jù)將被存入 processline[5]緩沖區(qū)數(shù)組中,但前提條件是緩沖區(qū)不滿,如果緩沖區(qū)的 5個元素都存有加工數(shù)據(jù),則新計算得到的數(shù)據(jù)將被掛起等待。只有當激光加工線程讀取一組加工數(shù)據(jù)后,緩沖區(qū)又有空間存儲加工數(shù)據(jù),切片線程的計算結(jié)果才會被允許存入。

激光加工控制線程負責從緩沖區(qū)中讀取加工數(shù)據(jù),當它讀取一組數(shù)據(jù)后,這組數(shù)據(jù)將從緩沖區(qū)中被清除,緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)整體前移。讀取數(shù)據(jù)順序遵循“先進先出”的原則。如圖 2所示。

圖 2 緩沖區(qū)示意圖

2.2 線程共享數(shù)據(jù)同步處理

切片計算線程與激光加工控制線程在運行過程中,涉及到兩個共享數(shù)據(jù)：一是緩沖區(qū)中現(xiàn)存切片數(shù)據(jù)的個數(shù),另一個是緩沖區(qū)現(xiàn)存的具體數(shù)據(jù)值。這就需要對緩沖區(qū)中的共享數(shù)據(jù)進行同步處理,否則會出現(xiàn)混亂。例如當一個線程正在讀取或修改這兩個共享數(shù)據(jù)時,另一個線程應被禁止對這兩個共享數(shù)據(jù)進行操作,具體實現(xiàn)方法如下：

建立兩個線程同步臨界區(qū)變量：

當多個線程訪問一個獨占性共享資源時,可以使用“臨界區(qū)”對象。任一時刻只有一個線程可以擁有臨界區(qū)對象,擁有臨界區(qū)的線程可以訪問被保護起來的資源或代碼段,其它希望進入臨界區(qū)的線程將被掛起等待,直到擁有臨界區(qū)的線程放棄臨界區(qū)時為止,這樣就保證了在同一時刻不會有多個線程訪問共享資源。

當某個線程要對共享數(shù)據(jù)進行操作時,先要獲準進入臨界區(qū),完成操作后,則離開臨界區(qū)。如某個線程要訪問 BufferNum時,應按以下方式進行：

3 應用舉例

如圖 3所示,是采用材料 Ti6Al4V,用激光快速成型的方法加工出來的可摘除局部義齒支架。可摘除局部義齒支架是人體口腔修復的重要輔助工具,由于該義齒支架屬于形狀結(jié)構(gòu)復雜的三維曲面,利用多線程技術(shù)可以極大的節(jié)約切片計算時間,切實提高激光快速成型效率。

圖 3 可摘除局部義齒支架

在添加輔助支撐后,每層切片、掃描填充計算時間在 30秒左右,與每層加工時間大致相當。在加工可摘除局部義齒支架時,按切片層厚 T=0.04mm進行切片,加工層數(shù)為 331層,則切片掃描計算用時約為 2.76小時;加工參數(shù)為功率 P=158W、掃描速度 V=10m/min、搭接率 O=33%。如果按一般的先切片計算,然后進行激光加工的方法,總用時需 5個多小時,引入了多線程技術(shù)后,可以使激光掃描加工和切片計算同步進行,加工過程中的切片計算耗時可以忽略不計,從而,可以節(jié)約加工時間 50%以上。兩種方法的用時對比如表 1所示。

表 1 傳統(tǒng)激光加工方法和多線程方法用時對比

4 結(jié)束語

在激光快速成型技術(shù)中引入了多線程技術(shù),即在掃描加工的同時進行下幾層的切片掃描填充計算,使得加工與切片計算同時進行,節(jié)約了切片掃描計算時間。實踐證明：運用該方法,在保證加工質(zhì)量的前提下,可以節(jié)約加工用時 50%以上,使激光加工效率大幅度提高。

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