改进STL分层算法在机械零件3D打印中的应用研究

为提高三维(Three dimensional, 3D)打印机械零件生产方式的生产效率和产品质量，研究提出一个改进的光固化立体造型术(Stereolithography, STL)模型分层算法，该算法采用层厚关联方式对STL模型进行同步分块处理，并结合三角网格面片的顶点信息与法向量信息重构邻接拓扑关系，形成切片平面的网格面片环，并以此为基础对STL模型进行优化分层切片。实验结果显示，该算法在分层厚度为0.30mm条件下的分层算法轮廓算术平均偏差均值为0.77,平均计算耗时为2.45s,均明显优于目前行业内常用的分层算法。实验结果证明，此次设计的改进STL模型分层算法在复杂机械零件3D打印生产中具有一定的应用前景，并能起到加快零件生产速度、提高打印产品表面光滑度的作用。     

STL切片数据的NURBS曲线拟合算法

在快速成形加工过程中，由于对STL文件切片所得数据是由极不均匀的细微离散线段序列组成，为提高制件加工速度和精度，必须对切片数据进行重新拟合处理，为简化后续插补处理，不适宜采用抛物线、双曲线、B样条等标准圆锥曲线及不规则参数等多种类型组合曲线拟合，基于此，提出了一种合适于STL文件切片数据的二次NURBS曲线拟合算法，以便对于标准曲线和自由曲线提供统一的表达式。     

多轴联动砂带磨削刀触点路径规划及几何仿真

采用多轴联动计算机数字控制系统的砂带磨削设备能够高效率加工具有复杂型面的零件。针对该类砂带磨削设备,提出了自由曲面上的等参路径规划算法和等间距截面路径规划算法。路径规划算法中的相邻刀触点的计算是根据磨具在进给方向的有效投影位置确定。等间距路径规划算法用最小二乘法来获取较优的截面法向。为了提高路径规划设计效率,减少试验以提高经济效益,开发出基于线性磨削模型的砂带磨削几何仿真程序。汽轮机叶片加工的试验结果表明该算法能够很好地应用于复杂型面的刀具路径规划设计。     

快速成型制造中的工艺支撑自动生成技术

提出了快速成型制造中的两工艺支撑新形式（向下特征支撑和局部支撑）。针对向下特征支撑形式，提出并实现了基于一维几何元素集合运算的支撑自动生成算法；针对局部支撑形式，提出并实现了基于STL(Stereolithograhy)模型三角面片拓扑分析与空间运算的支撑自动生成算法。结合SL(Stereo Lithography)工艺，进行了带支撑零件的成型。工艺实验证明，提出的工艺支撑自动生成技术不仅可自动地对STL模型添加合理的工艺支撑，而且可实现切片操作和扫描数据生成的融合。该技术可明显提高快速成型系统的加工效率与集成度，同时又降低系统的成本。     

基于水平扫描线算法的STL模型三维网格化

借鉴快速成形技术中的分层切片思想,针对立体光刻（STL）表面模型,提出一种高效、稳定的三维网格自动生成算法．首先,将STL模型沿Z向剖切成叠层的二维切片环;然后,采用水平扫描线算法离散各层二维环区域,生成均匀、连通的矩形网格;最后,将各层中所含的小矩形沿Z向拉伸至各自上一层高度,从而将表面模型重构为立方单元组成的三维网格．实际算例显示：基于该算法的三维网格自动生成程序可以在保证网格高精度的前提下,有效地提高计算效率,并降低空间复杂度．     

基于体素表达法的STL模型镂空算法研究

提出一种针对STL模型镂空的新算法,该算法是用体素表达的思想完成镂空,即采用紧密排列的正六面体(体素)描述STL模型,通过计算将模型表面一定范围内的正六面体删除来得到空腔体模型．其优点是生成的镂空模型的壁厚比较均匀,无干涉现象．在快速成型系统制造产品过程中,制造空腔模型而不是实心模型对于提高加工效率和节约原材料均具有很重要的意义．     

逆向几何求交方法的STL模型分层算法

为了解决三维网格曲面(STL)模型分层算法分层计算效率不高的问题,提出了一种可实现STL曲面模型快速分层的逆向几何求交算法。通过遍历三角面片顶点坐标,确定模型最小包围盒。利用分层面分割STL模型,散列表数据结构记录分层面坐标。在此基础上,计算连接截交线,生成模型轮廓,实现模型的快速分层。实验结果证明:该算法可对各种结构的STL模型进行分层,具有可靠、稳定和效率高等优点。     

面向多轴FDM工艺的IGES数据解码器研究

熔融沉积(Fused Deposition Modeling,FDM)工艺通过逐层堆积实体材料构成三维模型,因此需要获得模型的数据对模型进行后期的数字化处理,如模型分块,修复,切片,层片内路径规划等。在现阶段,大多数数据处理采用的都是基于STL文件的数据格式,但STL文件数据存在数据冗余,几何精度低,容易产生错误等缺点,在一些对精度要求高的场合不适用。为了弥补以上的不足,出现了直接对参数化的三维模型进行数据处理的技术。该技术基于IGES文件数据,实现对模型的数据处理。而要想实现对IGES文件的处理,必须实现对IGES文件的解码工作。针对以上问题,提出了基于VS2008平台,实现对IGES文件进行数据解析,存储,并将提取的实体信息用NURBS曲线曲面统一表示的方法,最后基于OpenGL实现对模型的再现功能,为后面模型数据处理提供平台。     

快速成形技术中基于STL模型的分层算法研究

提出了一种基于STL模型新的分层算法.通过分析STL模型三角形面片之间的邻接关系,建立了有向图,采用递归分层方法实现了具有容错能力的快速分层.为了进一步提高算法的效率,对算法进行了改进,首先,利用所谓信息继承技术确定了每个截面轮廓第一个切割的三角面片;然后,根据每个轮廓环第一个切割的三角面片,直接确定了截面轮廓的正确走向.实验表明,该算法不仅能够高效实现STL模型的分层,而且运行稳定可靠.     

孔群钻削机械手的运动规划和加工路径优化

为提高加工效率,对用于钢琴弦轴板孔群钻削加工的三轴直角坐标机械手的运动规划和加工路径优化方法进行了研究.首先采用抛物线过渡的线性插值算法对钻削过程进行运动规划,生成一条位置和速度都连续的平滑运动轨迹.然后以最短加工路径为目标,以无碰撞地绕过所有障碍物为约束条件,建立了孔群加工路径规划问题的数学模型,并采用分层优化的遗传算法获得了孔群加工的优化路径.最后以6种型号弦轴板为例进行计算,结果验证了算法的有效性.     

圆环面刀具数控加工刀具路径规划

研究了数控加工中圆环面刀具路径规划,建立圆环面刀具数学模型,从刀位点计算、曲面边界离散、相邻刀轨计算等方面确定刀具路径规划算法.最后,利用Matlab工具编程对路径规划算法进行了具体实现,通过计算基于圆环面刀具的刀位点数据,拟合生成刀具轨迹,同时利用UG软件采用球头刀对相同曲面进行加工路径仿真,通过两者比较,可以得出圆环面刀具加工效率更高的结论.     

自由曲面三元叶轮5轴数控粗加工刀位生成算法

针对自由曲面三元叶轮的特点，将鼓锥形刀具引入到三元叶轮粗加工中，提出了基于动态模型的刀位生成算法．该算法引入时间因素，即时计算各时间节点叶轮特征曲面，建立了动态模型模拟加工过程，能真实地反映刀具与叶轮的空间关系，降低了加工病害发生的可能性；采用等距离偏置法生成走刀轨迹，进而计算粗加工刀位信息，并通过干涉检验进行刀位修正．由于鼓锥形刀具与被加工曲面具有良好的曲率匹配性，从而增大了加工带宽，可实现宽行线接触加工．与此同时，通过对进刀深度、偏置距离的合理优化，避免走刀冗余，减少了刀迹总长度，从而提高了加工效率．实例证明由此生成的粗加工刀位具有高效、可靠的特点，效率比同直径球头刀具等距离偏置法提高约27．5％．     

汽车覆盖件模具CAPP关键技术研究

在分析汽车覆盖件模具CAD/CAM技术特点和覆盖件模具CAPP 关键技术基础上,提出了基于宏工艺的面向数控编程的包含自由曲面类零件数控加工工艺规划模型,解决了曲面加工特征识别的难题-并提出了曲面数控加工区域划分的概念,在子区域内优化走刀路线的策略,解决了曲面数控加工刀具轨迹优化问题.     

基于刀触点路径截面线法的不规则曲面锯切加工算法研究

为获得更高的不规则曲面加工效率,研究了一种基于刀触点路径截面线法的锯切加工算法.该算法在点云数据的基础上,通过截交面产生截交线;通过调整锯片直径、步长满足截面线最小曲率要求,拟合产生刀触点路径,计算刀位点路径.仿真实验表明,加工效率可提高4倍左右;而在实际加工实验中加工效率提高了5倍.3D-Z轴定向模型分析表明,实际加工模型最大偏差4.005mm,平均偏差0.929mm,模型中不存在过切区域,满足工业生产要求,但存在一定量的欠切区域.研究结果为后续研究奠定了良好基础.     

Tool path generation and simulation of dynamic cutting process for five-axis NC machining

Five-axis NC machining provides a valid and efficient way to manufacture the mechanical parts with complex shapes, which are widely used in aerospace, energy and national defense industries. Its technology innovations have attracted much attention in recent years. In this paper, the state-of-the-art techniques for five-axis machining process planning are summarized and the challenging problems are analyzed from the perspectives of tool path generation, integrated geometric/mechanistic simulation and machining stability analysis. The recent progresses in accessibility-based tool orientation optimization, cutter location (CL) planning for line contact and three-order point contact machining, shape control of cutter envelope surface and milling stability prediction are introduced in detail. Finally, the emerging trends and future challenges are briefly discussed.     

任意曲面叶片四坐标数控加工刀位轨迹的生成方法

提出了一种四坐标联动等残留高度端铣加工任意曲面叶片的方法．针对刀轴摆动的四坐标机床，首先建立了后跟角和摆转角之间的函数关系，以满足加工过程中刀轴矢量始终平行于摆刀平面的要求，然后采用平底刀的等残留高度方法进行刀位轨迹规划，并通过调整后跟角使加工带宽最大化，该方法在提高四坐标联动加工效率的同时，也使得将五坐标联动加工刀位轨迹的规划方法移植到四坐标中成为可能。     

基于激光测量点云数据的五坐标加工刀轨生成

针对以往由点云构造曲面或三角网格，再根据曲面或网格生成刀轨的方法复杂、工作量大的问题，研究了直接从激光测量点云数据生成五坐标数控加工刀轨及干涉处理的方法．通过计算点云模型的曲率，确定切削步长和行距，采用基于点云的干涉检查模型，推导出干涉处理的解析式，得到了无干涉加工刀轨．实例表明，算法运行速度快，稳定可靠．     

一种基于遗传算法的机器人加工路径规划方法

针对传统机器人加工路径规划采用示教再现方法很难适应复杂变化任务的问题 ,提出了基于遗传算法的路径规划方法 ,研究了遗传算法中的编码方式、交叉算子和变异算子的改进方法 .仿真实验表明 ,采用遗传算法进行机器人加工路径规划是可行的和有效的 .     

复杂曲面多点切触加工特征参数线刀轨规划

为了使旋转法得到更好的应用,对旋转法的多点切触加工特性进行了深入分析,提出了特征点和特征参数线的概念.在此基础上,提出了适用于旋转法的特征参数线刀轨规划算法,首先利用旋转法确定圆环面刀具的最优刀位,然后通过迭代判断使下一条刀路的左特征参数线和当前刀路的右特征参数线在精度范围内重合,并由此实现刀轨的编排.算例表明,特征参数线刀轨规划算法可有效产生光顺无干涉的刀路,可充分利用旋转法加工带宽的优势,与等参数线法相比,其加工效率得到了明显的提高.     

分片侧铣加工整体叶轮刀位轨迹的生成

为提高整体叶轮叶片数控加工的效率和质量，提出了一种分片侧铣加工法．该方法在一次走刀成形近似直纹面不能满足精度要求的情况下，将叶片曲面分成多片，在每一片曲面上采用侧铣方法加工，用多个曲面片拼接出所需要的曲面．文中对该方法涉及的关键问题——各曲面片上刀位轨迹的算法，包括刀轴方向的确定、刀位轨迹的规划及加工误差的分析进行了讨论．计算机仿真及加工实例验证了所提出的算法的正确性．