基于體積偏差的焊接熔敷成形分層方向的優(yōu)化

殷鳳良，朱 勝，柳 建，梁媛媛，趙立志

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系，北京100072;2.沈陽遠(yuǎn)大環(huán)境工程有限公司，遼寧沈陽110161)

焊接熔敷成形分層方向一般是指分層過程中分層切平面的法線方向，也即決定了隨后的成形方向。分層方向的選擇是快速成形中過程規(guī)劃的一個(gè)重要步驟。針對(duì)各種不同的快速成形方法，分層方向影響快速成形的成形精度、支撐結(jié)構(gòu)的使用、成形時(shí)間、成形成本等。在業(yè)已商業(yè)應(yīng)用的快速成形軟件中，分層方向一般是使用者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定;但對(duì)于形狀復(fù)雜的零件來說，僅憑經(jīng)驗(yàn)難以確定最佳分層方向。筆者在基于模型分解的分層算法基礎(chǔ)上，從進(jìn)一步提高成形尺寸精度方面考慮，根據(jù)分層方向?qū)θ鄯蟪尚瘟慵c零件CAD模型之間的體積偏差大小的影響，在UG(Unigraphics)環(huán)境下開發(fā)了一種分層方向優(yōu)化選擇算法。

1 研究進(jìn)展

分層方向的優(yōu)化選擇一直是快速成形領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外研究者也進(jìn)行了大量的研究工作。分層方法根據(jù)實(shí)施對(duì)象的不同一般分為對(duì)STL(Stereo Lithography)三角面片的間接分層與對(duì)STEP等數(shù)據(jù)格式或造型軟件環(huán)境下的直接分層。目前，大多數(shù)分層方向的優(yōu)化都是針對(duì)間接分層算法展開的。例如:Thompson［1］試驗(yàn)驗(yàn)證了成形方向(也即分層方向)對(duì)給定載荷方向下成形件的強(qiáng)度、成形表面質(zhì)量、成形時(shí)間等都有一定影響;Hur等人［2］通過綜合考慮光固化成形過程中的成形精度、成形時(shí)間和支持結(jié)構(gòu)的使用量等因素來優(yōu)化成形方向，成形精度通過計(jì)算某一截面中的“臺(tái)階”面積大小來確定，最短的成形時(shí)間對(duì)應(yīng)于使分層層數(shù)最少的分層方向，而所需支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量由成形零件模型在成形方向上的投影面積來反映;Ahn等人［3］研究了成形后所需的后加工量與成形方向之間的關(guān)系，并據(jù)此來優(yōu)化成形方向;Hu等人［4］研究了熔敷/銑削混合成形系統(tǒng)中的成形方向優(yōu)化問題，將加工工具的可達(dá)性、熔敷/銑削時(shí)間、支撐結(jié)構(gòu)等加權(quán)處理為最終的成形成本，對(duì)給定待選的幾個(gè)成形方向，選擇成本最少的成形方向?yàn)樽顑?yōu)成形方向。對(duì)于任意一種快速成形工藝，零件最終成形后，其體積與CAD模型體積之間必定存在一定的偏差，偏差的大小反映了成形精度的高低。Rattanawong等人［5］計(jì)算了圓錐零件的理論成形體積與零件CAD模型體積之間的偏差，并以此選擇成形方向，體積偏差相比較于“臺(tái)階”面積能更好地反映出成形精度，但其僅給出了圓錐等規(guī)則形狀零件體積偏差的計(jì)算方法，還不能求解任意形狀零件的體積偏差。國內(nèi)學(xué)者開展了遺傳算法在分層方向優(yōu)化選擇中的應(yīng)用研究［6-9］。

2 體積偏差的產(chǎn)生

焊接熔敷成形的主要問題在于其成形精度不高，因此在影響分層方向選擇的因素中，筆者主要從提高成形精度的角度來優(yōu)化分層方向。用焊接熔敷成形零件與零件CAD模型之間的體積偏差(以下簡(jiǎn)稱體積偏差)來表示成形精度。此體積偏差的產(chǎn)生是由焊接熔敷成形工藝特點(diǎn)決定的，焊接熔敷成形首先對(duì)零件的CAD模型分層處理，然后在得到的二維層片輪廓上進(jìn)行焊槍行走路徑規(guī)劃，逐道熔敷成形出零件。造成此體積偏差的因素主要有2個(gè):一是由于路徑規(guī)劃方式造成的二維輪廓內(nèi)的“臺(tái)階”效應(yīng);二是由于分層切片時(shí)在分層方向高度上的“臺(tái)階”效應(yīng)。例如:對(duì)一個(gè)圓錐體分層切片、路徑規(guī)劃、熔敷成形后，成形體與CAD模型間存在如圖1中所示的體積偏差。由圖1可知:在分層方向相同時(shí)，由于路徑填充方式的不同，得到的體積偏差也不相同，而分層方向主要影響到分層高度方向上的“臺(tái)階”造成的體積偏差。當(dāng)成形表面法線方向不與分層方向相同或垂直時(shí)，熔敷成形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生分層高度方向上的“臺(tái)階”，也就造成了體積偏差。

體積偏差的大小反映出了成形精度的高低，體積偏差越小表明成形精度越高，反之，成形精度越低。

3 體積偏差計(jì)算

為了反映分層方向?qū)w積偏差的影響，需要計(jì)算不同分層方向下的體積偏差。由于分層方向主要影響分層切片時(shí)產(chǎn)生的臺(tái)階造成的體積偏差，因此只需計(jì)算此體積偏差。計(jì)算體積偏差的關(guān)鍵在于確定熔敷成形層的體積，這需要將實(shí)際熔敷成形層理想化地處理為CAD環(huán)境下的幾何模型，其方法是將熔敷成形層等同于分層切片得到的截面沿分層方向作分層高度的拉伸形成的拉伸體，而這忽略了路徑規(guī)劃方式對(duì)體積偏差的影響。在一個(gè)分層高度內(nèi)，拉伸體與相對(duì)應(yīng)的CAD模型切片層作求差布爾操作，所得部分即是一個(gè)分層高度內(nèi)的體積偏差。

用UG的OPEN GRIP二次開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)下面的算法即可得到體積偏差。

輸入:分層方向buildorien(3)，分層高度layht

輸出:體積偏差值voludiff

$$ 生成切平面組pl(i)

pl(i)=PLANE/PARLEL，plstart，THRU，pts(i)

$$ 對(duì)CAD模型分層切片，得到二維輪廓線組seggr(i)

seggr(i)=SECT/soobj，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 生成熔敷成形層塊體

lavolume(i)=SOLEXT/seggr(i，1..num)，HEIGHT，layht，AXIS，buildorien(1)，buildorien(2)，buildorien(3)

$$ 切割CAD模型，求得標(biāo)準(zhǔn)CAD模型塊體

splvolume(i)=SPLIT/soobj2，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 熔敷成形層塊體與標(biāo)準(zhǔn)CAD模型塊體求差，獲得體積偏差

subvolume=SUBTRA/lavolume(i)，WITH，splvolume(i+1)，CNT，c

$$ 求體積偏差數(shù)值

ANLSIS/SOLID，TOLER，0.001，subvolume，GCM，retrn(1..42)

voludiff=retrn(2)

4 分層方向的選擇

為減少支撐結(jié)構(gòu)的使用，筆者提出了一種基于特征的模型分解方法［10］。即:將零件模型分解為不同的特征體，每個(gè)特征體可以選擇不同的分層方向。從成形精度方面來考慮，不同特征體的最佳分層方向應(yīng)具有最小的體積偏差。以文獻(xiàn)［10］中的一個(gè)分解后特征體(圖2所示)為例，根據(jù)如前所述的體積偏差計(jì)算方法，計(jì)算該特征體在初始熔敷成形面確定的情況下不同分層方向得到的體積偏差。圖3為該特征體分別沿2個(gè)不同分層方向得到的體積偏差，表1是沿不同方向分層后得到的體積偏差。對(duì)于給定的 5個(gè)分層方向，沿方向［-0.902 6，0.422 6，0］分層并熔敷成形后得到的體積偏差最小，為0.32 cm3，也就是說沿此方向成形時(shí)的成形精度最高。因此，從成形精度角度來考慮，應(yīng)當(dāng)選擇此方向作為分層、熔敷成形方向。

圖2 待分層的分解后的特征體

圖3 不同分層方向下的體積偏差

表1 沿不同方向分層時(shí)得到的體積偏差

［1］ Thompson D C.The Optimization of Part Orientation for Solid Freeform Manufacture［D］.Austin:The University of Texas，1995.

［2］ Hur J，Lee K.The Development of A CAD Environment to Determine The Preferred Build-up Direction for Layered Manufacturing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1998，14:247-254.

［3］ Ahn D，Kim H，Lee S.Fabrication Direction Optimization to Minimize Post-machining in Layered Manufacturing［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007，47:593-606.

［4］ Hu Z，Lee K，Hur J.Determination of Optimal Build Orientation for Hybrid Rapid-prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，130-131:378-383.

［5］ Rattanawong W，Masood S H，Iovenitti P.A Volumetric Approach to Part-build Orientations in Rapid Prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，119:248-353.

［6］ 彭安華，張劍峰，王其兵.基于層次分析法的快速成型技術(shù)中分層方向決策［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008，15(2):124-127.

［7］ 朱麗，侯麗雅，董濤.疊層制造中基于混合遺傳算法的分層方向優(yōu)化［J］.中國機(jī)械工程，2003，14(19):1642-1645.

［8］ 張立強(qiáng)，羅逸葦，王斌修.基于遺傳算法的RP分層方向優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電加工與模具，2003(6):35-38.

［9］ 張立強(qiáng)，向道輝，陳明，等.基于遺傳算法的快速成型分層方向優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.南京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(增11):134-136.

［10］ 朱勝，殷鳳良，王啟偉，等.基于模型分解的機(jī)器人GMAW焊接熔敷成形方法研究［J］.機(jī)械，2011，38(12):54-58.