激光快速成型軟件系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

陳光霞

CHEN Guang-xia

(江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)系，武漢 430056)

0 引言

激光快速成型技術(shù)是近年來新出現(xiàn)的快速成型技術(shù)之一，它是以粉末為材料，將CAD模型轉(zhuǎn)換成零件，利用激光快速成型技術(shù)可以節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間70%以上，使產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間節(jié)省90%左右[1]。所以可以極大地提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

激光快速成型系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。而軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響和控制著整個(gè)加工過程，直接影響零件的成型質(zhì)量與加工效率，在快速成型系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，是激光快速成型系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

本文對(duì)激光快速成型軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 軟件系統(tǒng)的功能模塊

激光快速成型軟件系統(tǒng)的總功能是：將三維CAD模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工指令，控制數(shù)控設(shè)備和激光器完成激光加工操作。

根據(jù)軟件系統(tǒng)功能需求，激光快速成型軟件系統(tǒng)可以劃分為四個(gè)功能模塊：STL文件的讀取與顯示模塊、切片處理模塊、掃描填充模塊以及加工控制模塊。如圖1所示。

2 軟件開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

圖1 系統(tǒng)功能模塊示意圖

本文主要以二進(jìn)制STL文件為研究對(duì)象，根據(jù)二進(jìn)制STL文件的格式規(guī)定，要實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制STL文件的讀取，應(yīng)建立以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1）點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct Tripoint3d{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

2）Normal向量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct TriNormal{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

3）三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct Triple{

Tripoint3d pt1;

Tripoint3d pt2;

Tripoint3d pt3;

TriNormal normal;};

4）直線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct Line{

Tripoint3d spt;

Tripoint3d ept;

TriNormal normal;

BOOL fl ag;};

5）其他一些重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct linelist{//直線的單向鏈表

Line line;

struct linelist *next;}LineList;

struct contour{//環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

LineList contourline;

int SliceID;//切片層數(shù)，即是第幾層切片

BOOL fl ag;//環(huán)使用標(biāo)志};

2.2 STL文件的顯示技術(shù)

STL文件的顯示技術(shù)主要包括以下兩個(gè)方面。

2.2.1 立體模型的顯示

本文采用OpenGL實(shí)現(xiàn)STL文件的顯示，因?yàn)镺penGL具有強(qiáng)大的圖形功能，且提供了VC編程環(huán)境所需的庫函數(shù)及頭文件，可以很方便地在VC編寫的應(yīng)用程序中顯示圖形[2]。

立體模型的顯示主要分為兩種：立體光照模型與立體線框模型。如圖2（a）所示是義齒支架的線框模型顯示，圖2（b）是義齒支架的光照模型顯示。STL文件模型顯示算法如下：1.SetModelColorWithOpenGL 2.SetLightsWithOpenGL

圖2 義齒支架模型顯示結(jié)果圖

3.DisplaySTLModeWithOpenGL(FacetsCount，F(xiàn)acetsArray， FacetsNormalArray)

4.CASE UserActions OF {

Case1:Display illumination model;

Case2:Display frame model;

…}

2.2.2 立體模型的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移

為了便于用戶更好地觀察立體，并選擇最佳的切片方向，更利于激光快速成型加工，在立體模型顯示功能中還包括立體的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移。

立體的空間坐標(biāo)系與計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系是有區(qū)別的。立體對(duì)象在空間處于三維坐標(biāo)系中，但計(jì)算機(jī)圖形的點(diǎn)是生成三維對(duì)象的二維圖象，所以，將立體對(duì)象的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕上的象素位置，要經(jīng)過一定的視見變換。

三維圖形的幾何變換矩陣如式（1）所示。

三維圖形的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等操作都可以從（1）式矩陣變換得到。如繞Y軸進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)變換，利用此矩陣對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，具體旋轉(zhuǎn)矩陣如式（2）所示。

式中θ為旋轉(zhuǎn)角度。

2.3 切片技術(shù)與輪廓整理

2.3.1 切片技術(shù)

把任意一個(gè)空間三角形與切平面的關(guān)系分為下列六種情況，如圖3所示。平面在截切STL文件立體時(shí)，程序?qū)θ切闻c切平面的位置關(guān)系進(jìn)行判斷并作相應(yīng)的處理，求出三角形與切平面的交線，其流程如圖4所示。

圖3 三角形與切平面的關(guān)系

圖4 切片算法流程圖

2.3.2 切片輪廓的整理

對(duì)零件進(jìn)行了切片處理后，再根據(jù)每一層切片的交線整理出一個(gè)或多個(gè)截面輪廓。其算法流程圖如圖5所示。

為了避免STL文件不連續(xù)的缺陷，保證不論在什么情況下，都可以生成封閉的截面輪廓，當(dāng)?shù)谝粭l線段的起點(diǎn)PIS與最后一條線段的終點(diǎn)Pne不相同時(shí)（在一定的范圍內(nèi)，如坐標(biāo)差≤0.001mm），則增加一條以Pne為起點(diǎn)，以PIS為終點(diǎn)的線段，從而形成封閉的截面輪廓。

一條截面輪廓整理完后，再以同樣的方法在剩下的線段中搜索，得到另一截面輪廓，直到交線數(shù)組中再無線段為止。

圖6就是利用此輪廓整理算法的切片結(jié)果，其中圖6（a）為拉伸試樣的切片結(jié)果圖，圖6（b）為義齒支架切片結(jié)果圖。

圖6 立體切片結(jié)果圖

圖5 輪廓整理算法流程圖

2.4 填充方法的實(shí)現(xiàn)

形成截面輪廓后，要利用一定的算法生成每一截面輪廓的激光掃描路徑，并生成相應(yīng)的NC代碼，或直接驅(qū)動(dòng)激光器與數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行激光加工。激光掃描路徑最常見的為直線光柵掃描法與輪廓偏移法，本文主要采用輪廓光柵掃描法進(jìn)行填充。

光柵填充方式一般先判別內(nèi)外環(huán)，再利用求交點(diǎn)的方式進(jìn)行填充[3]。本文則直接利用交點(diǎn)來進(jìn)行填充，這樣可以提高計(jì)算效率。具體方法如下：

1）獲取需掃描填充區(qū)域的最小包圍盒，并根據(jù)激光掃描工藝參數(shù)中的單道熔覆寬度及搭接率，計(jì)算光柵掃描間隔；

2）按指定方向（如X、Y軸）生成掃描線，如圖7（a）所示；

3）求出每條掃描線與當(dāng)前層中所有輪廓的交點(diǎn)，如P1、P2、……、Pn；

4）統(tǒng)計(jì)交點(diǎn)數(shù)，并將交點(diǎn)按掃描線方向從小到大進(jìn)行排序；

圖7 光柵填充示意圖

5）按點(diǎn)從小到大的順序生成掃描線，掃描線為P1P2、P3P4、P5P6、……。

生成的填充圖如圖7（b）所示。

特殊情況處理：

1）當(dāng)交點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)行具體分析：

2）極值奇點(diǎn)[4]：如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)≤0，則稱Pi為極值奇點(diǎn)。此時(shí)規(guī)定按兩個(gè)交點(diǎn)計(jì)算，如圖8（a）所示。

3）非極值奇點(diǎn)：如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)＞0，則稱Pi為非極值奇點(diǎn)。此時(shí)規(guī)定按一個(gè)交點(diǎn)計(jì)算，如圖8（b）所示。

圖8 極值奇點(diǎn)判斷示意圖

當(dāng)輪廓的一條邊在掃描線上時(shí)，此時(shí)不考慮它和掃描線的交點(diǎn)，交點(diǎn)數(shù)視為零。

在光柵掃描填充中，如果完全采用X軸或Y軸方向進(jìn)行掃描填充，這樣所制備的金屬零件易形成組織結(jié)構(gòu)偏析，對(duì)提高成型件的質(zhì)量不利。因此在實(shí)際應(yīng)用中，將每相鄰兩層之間的掃描相位差規(guī)定為某一特定夾角θ，通常選擇的θ值有90°、105°、120°等[5,6]。在程序設(shè)計(jì)中將角度設(shè)計(jì)成變量，用戶可以根據(jù)需要，自己確定。圖9為利用每層相位角相差105°的方式進(jìn)行填充的顯示結(jié)果圖。其中圖9（a）為拉伸試樣光柵填充圖，圖9（b）為可摘除局部義齒支架光柵填充圖。圖10為采用相位差為105°的激光快速成型加工的實(shí)物圖。

圖9 利用相位角差值為105°的填充顯示結(jié)果圖

圖10 拉伸試樣、義齒支架填充相位差105 °實(shí)物圖

3 結(jié)束語

在自行開發(fā)了一個(gè)用于金屬零件激光快速成型加工的軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了軟件系統(tǒng)開發(fā)中的主要關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)踐證明，這些技術(shù)對(duì)于保證成型零件的質(zhì)量和提高加工效率具有很大的作用。

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