基于STL格式數(shù)據(jù)快速提取與數(shù)控同步控制研究*

王材樺，楊 帆

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

電子束熔絲成形是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，按照一定的路徑熔化金屬絲材，實(shí)現(xiàn)三維零件成形。因?yàn)殡娮邮芰棵芏雀撸咧睆叫?，形成?dú)特的“釘形”熔池形貌，可對(duì)多層沉積體進(jìn)行重熔，消除或減少內(nèi)部孔洞等缺陷[1-3]。同時(shí)熱影響區(qū)較窄，容易獲得細(xì)小的晶粒。被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要國(guó)防領(lǐng)域。目前有關(guān)工藝參數(shù)研究的大多數(shù)把重心放在充分熔化金屬絲材以期獲得致密度接近100%的制件上，但對(duì)于成形機(jī)理以及偶爾出現(xiàn)的翹曲、變形、裂紋等缺陷的原理還無(wú)法完全解讀?，F(xiàn)有的研究主要集中在探討成形層的性能，卻忽略了復(fù)雜的層間相互作用引起的額外誤差與應(yīng)力調(diào)控的研究。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，若工藝參數(shù)選擇不合理，就無(wú)法得到連續(xù)、界面結(jié)合良好的焊縫，更無(wú)法得到比較理想的堆焊層[4-5]。

齊海波等[6]研究了掃描路徑對(duì)成形件溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)邊、短邊及分區(qū)掃描下起始邊起點(diǎn)和終點(diǎn)均存在較大的溫度梯度，通過(guò)掃描路徑的反向規(guī)劃降低了成形件溫度分布不均勻的程度，避免了成形過(guò)程中成形件的翹曲變形，改善了成形件1的表面形態(tài)。上海交通大學(xué)陳云霞[7]研究了電子束掃描控制系統(tǒng)如何從CAD系統(tǒng)讀取模型切片數(shù)據(jù)，解決了建模軟件與掃描控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，在綜合考慮各種掃描方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于輪廓偏置和分區(qū)掃描相結(jié)合的復(fù)合掃描填充算法。張業(yè)成[8]研制了基于FPGA的電子束快速偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)，通過(guò)掃描線起止坐標(biāo)表示填充信息，實(shí)現(xiàn)了從STL三維數(shù)據(jù)處理到偏轉(zhuǎn)掃描控制信號(hào)生成的完整過(guò)程，可精確控制電子束的偏轉(zhuǎn)掃描過(guò)程。香港科技大學(xué)Longwei Cheng等[9]通過(guò)高斯過(guò)程生成三維模型切片輪廓的原始預(yù)測(cè)點(diǎn)，使用內(nèi)核平滑方法來(lái)改進(jìn)原始預(yù)測(cè)以導(dǎo)出最終預(yù)測(cè)。在此預(yù)測(cè)過(guò)程的基礎(chǔ)上，采用補(bǔ)償方法導(dǎo)出修正的輸入形狀，消除了大部分形狀偏差，這種方案可以預(yù)測(cè)和補(bǔ)償復(fù)雜和不規(guī)則的形狀偏差輪廓。吳艷花等[10]在HMI開(kāi)發(fā)環(huán)境下通過(guò)VB進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，利用VC建立語(yǔ)言動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了外部加工程序的導(dǎo)入與伺服運(yùn)動(dòng)控制。在此基礎(chǔ)上金陵等[11]采用UNICODE編程，通過(guò)OPC協(xié)議開(kāi)發(fā)了脫離于西門(mén)子HMI Programming Package開(kāi)發(fā)框架的標(biāo)準(zhǔn)Windows界面。Lumex Advance-25在一臺(tái)3軸銑床內(nèi)集成了銑削與激光燒結(jié)兩種功能，通過(guò)調(diào)整分層制造與機(jī)械加工的順序，解決工具的可訪問(wèn)性問(wèn)題[12]。Wei Du等[13]對(duì)激光與數(shù)控銑復(fù)合制造工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合加工下工件的顯微硬度明顯高于單一的制造手段，而且微觀結(jié)構(gòu)沿不同方向略有差異。

1 二維輪廓快速提取

在電子束熔絲成形過(guò)程中，模型數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的累積高度通常為固定值，通過(guò)獲取模型在不同高度下的二維輪廓對(duì)其進(jìn)行實(shí)體填充。隨著成形過(guò)程的進(jìn)行，切片位置平穩(wěn)增加。而實(shí)際成形過(guò)程中，熔絲狀態(tài)、成形工藝參數(shù)、熱累積及不同模型的結(jié)構(gòu)特征等在每層實(shí)體填充的過(guò)程中都會(huì)對(duì)模型高度產(chǎn)生影響，由此產(chǎn)生的累積誤差會(huì)影響實(shí)際成形件在Z方向的精度。為了提高成形件的形位精度，提出給予視頻監(jiān)控的閉環(huán)數(shù)據(jù)處理策略。在成形過(guò)程中實(shí)時(shí)捕捉前一層的成形狀態(tài)，結(jié)合模型特征對(duì)層厚、工藝參數(shù)和路徑規(guī)劃方式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 三角面片數(shù)據(jù)讀取

電子束熔絲工藝以STL文件作為模型數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層逼近的方式獲得原始零件的緊密毛坯件。STL文件以三角面片離散原始模型，并將三角形的頂點(diǎn)坐標(biāo)與法向量存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件中，數(shù)據(jù)格式如圖1所示。由于三角面片的存儲(chǔ)順序雜亂無(wú)序，因此在提取二維輪廓之前需要對(duì)其進(jìn)行排序。

圖1 二進(jìn)制STL數(shù)據(jù)格式

1.2 模型剖切與輪廓提取

根據(jù)式（1）分別求得三角面片的各邊與切平面的交點(diǎn)如圖2所示。通過(guò)邏輯表達(dá)式篩選后輸出雜亂的二維輪廓序列。

根據(jù)計(jì)算所得的二維數(shù)據(jù)輪廓構(gòu)建一個(gè)無(wú)向圖，首先以一個(gè)未被訪問(wèn)過(guò)的頂點(diǎn)為起始頂點(diǎn)，沿當(dāng)前頂點(diǎn)的邊走到未訪問(wèn)過(guò)的頂點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有未訪問(wèn)的頂點(diǎn)時(shí)，則回到上一個(gè)頂點(diǎn)，繼續(xù)試探訪問(wèn)別的頂點(diǎn)，直到所有的頂點(diǎn)都被訪問(wèn)過(guò)。顯然，深度優(yōu)先遍歷是沿著圖的某一條分支遍歷直到末端，然后回溯，再沿著另一條進(jìn)行同樣的遍歷，直到所有的頂點(diǎn)都被訪問(wèn)過(guò)為止（見(jiàn)圖2）。

圖2 二分法三角面片遍歷

2 路徑填充和輪廓切分

電子束熔絲成形過(guò)程是軟件與硬件相互結(jié)合的綜合體現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理軟件部分包含模型的提取、外輪廓識(shí)別、填充軌跡生成等功能，通過(guò)模型的不同特征，將填充數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)際加工生成智能成形軌跡，對(duì)外輪廓及其表面特性進(jìn)行提取，優(yōu)化填充方式。將切片數(shù)據(jù)繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，計(jì)算輪廓區(qū)域包絡(luò)矩形的面積S（S=△x·△y），以S取得最小值處的包絡(luò)矩形作為最小包絡(luò)，按照最小包絡(luò)矩形的長(zhǎng)寬比和工藝參數(shù)要求選擇適當(dāng)?shù)木匦蝿澐謧€(gè)數(shù)。

2.1 薄壁輪廓識(shí)別

根據(jù)切片輪廓的最小外接矩形短邊長(zhǎng)度初始化填充形狀分布位置可以極大減少計(jì)算數(shù)量。切片輪廓繞原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)180°，當(dāng)最小包絡(luò)矩形的長(zhǎng)邊和短邊比大于20，認(rèn)為該輪廓為薄壁輪廓，否則為非薄壁輪廓，如圖3所示。設(shè)某輪廓數(shù)據(jù)的初始包絡(luò)為{[x0_min，y0_min]，[x0_max，y0_max]}，則式（2）取得最小值的一組坐標(biāo)點(diǎn)為該輪廓的最小包絡(luò)矩形。

圖3 薄壁區(qū)域識(shí)別

2.2 可成形策略

通過(guò)圖形裁剪算法對(duì)非掃描填充區(qū)域單元進(jìn)行裁剪刪除，最后對(duì)狹小區(qū)域和相鄰區(qū)域的輪廓圖形進(jìn)行合并；考慮到各個(gè)待填充區(qū)域間的過(guò)渡問(wèn)題，填充時(shí)區(qū)域的邊緣預(yù)留半個(gè)掃描間距。若直接對(duì)分區(qū)后的區(qū)域進(jìn)行掃描，相鄰分區(qū)間的熱量累積就會(huì)變大，因此通過(guò)跨區(qū)域和有序的掃描方式降低溫度梯度分布，減小零件變形，對(duì)各分區(qū)塊位置進(jìn)行標(biāo)定，以距離最遠(yuǎn)的原則尋找后續(xù)掃描區(qū)。填充策略包括x向填充方式和y向填充方式兩種，分區(qū)策略包括三角形分區(qū)，矩形分區(qū)和六邊形分區(qū)三種，如圖4所示。分區(qū)策略可以和填充策略或分區(qū)策略本身進(jìn)行無(wú)限組合，演變出多種分區(qū)填充形式。通過(guò)多次排序刪減，可快速鎖定與指定高度完全相交的面片序列，為下一階段的層厚動(dòng)態(tài)調(diào)整提供支撐條件。在掃描線填充算法中，用多邊形輪廓外一條直線與多邊形求交，對(duì)于一個(gè)封閉的多邊形來(lái)說(shuō)，交點(diǎn)數(shù)一定是偶數(shù)，且第1個(gè)點(diǎn)和第2個(gè)點(diǎn)之間一定是實(shí)體，而第2個(gè)點(diǎn)和第3個(gè)點(diǎn)之間一定是非實(shí)體部分，以此類(lèi)推，可求得這條線上的實(shí)體與非實(shí)體部分。掃描線填充方法只需對(duì)這一條直線進(jìn)行分析即可，不需要對(duì)輪廓包含的區(qū)域進(jìn)行實(shí)體與非實(shí)體的判定，這樣填充過(guò)程穩(wěn)定可靠得多。

圖4 分區(qū)填充策略

各類(lèi)不同的填充算法為后期進(jìn)行智能決策奠定一定的基礎(chǔ)，運(yùn)用設(shè)備進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究，建立一定的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，為成形較好的工藝性能，匹配較好的成形工藝參數(shù)，依據(jù)每層不同的形貌智能選取填充方式，生成成形軌跡。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)搭建與上位機(jī)通信

數(shù)據(jù)庫(kù)建立包括兩部分：前處理階段和熔積成形階段兩部分。前處理階段根據(jù)模型的包圍盒特征將輪廓分為薄壁輪廓和實(shí)體輪廓兩種類(lèi)型。在熔積成形階段根據(jù)層厚的實(shí)際反饋信息，更改下一成形層的切片位置，同時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。通過(guò)對(duì)用戶擴(kuò)展接口、232通信和OPC UA通信進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)用戶擴(kuò)展接口方式只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的界面更改以及變量監(jiān)控，無(wú)法實(shí)現(xiàn)和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，執(zhí)行上位機(jī)傳達(dá)的指令。最終選擇OPC UA方式作為切片軟件與數(shù)控系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)傳輸方式。

西門(mén)子系統(tǒng)中的OPC UA服務(wù)器通過(guò)設(shè)置管理以及密碼激活，服務(wù)器地址為：192.168.1.20:4840。連接服務(wù)器后即可通過(guò)上位機(jī)讀寫(xiě)西門(mén)子封裝的數(shù)組和客戶端函數(shù)。

840D SL最大可以同時(shí)監(jiān)控200個(gè)變量，支持的變量類(lèi)型包括：

/Axis：軸變量

/Bag：方式組變量

/Channel：通道變量

/DriveVisa：驅(qū)動(dòng)變量

/Hmi:Hmi變量

/Methods：通過(guò)方法讀入變量表中不包含的變量

/Nck:Nck變量

/Tool：刀具變量

/Random:Plc變量

通過(guò)連接840D SL數(shù)控系統(tǒng)自帶的OPC服務(wù)器，對(duì)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速，加減速度和啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)啟停控制。成形過(guò)程中每次傳送一整層的加工數(shù)據(jù)，通過(guò)主程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工與切片數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸。

4 結(jié)論

采用快速排斥實(shí)驗(yàn)快速尋找剖切線段之間的相交關(guān)系，通過(guò)深度圖搜索算法建立交點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系形成封閉有向輪廓；建立動(dòng)態(tài)分層處理算法機(jī)制，可根據(jù)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)成形厚度的反饋信息，調(diào)整下一層的剖切位置與掃描填充方式，實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程的實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制。采用過(guò)變形裁剪算法，通過(guò)六邊形、矩形等基本輪廓對(duì)二維輪廓進(jìn)行區(qū)域分割與掃描線填充。