面向增材制造的模型重建方法與成型工藝研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代制造業(yè)全球化與市場化的發(fā)展，能在更短的時間內(nèi)開發(fā)出新產(chǎn)品并推向市場是企業(yè)保持競爭力的關(guān)鍵所在。增材制造技術(shù)的應(yīng)用加速了產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，降低了產(chǎn)品設(shè)計驗證成本。與傳統(tǒng)去除材料的加工方式不同，增材制造是一個分層累積材料的過程，將三維零件降維到二維平面或者一維的點線，消除了復(fù)雜形狀對加工制造的限制。
　　 從上世紀(jì)的八十年代增材制造技術(shù)出現(xiàn)開始，目前已經(jīng)有多種增材制造加工工藝，也有光敏樹脂、金屬與陶瓷粉末等多種材料可供應(yīng)用

2、。但其加工精度、表面質(zhì)量與所得零件的性能與傳統(tǒng)的切削加工、鑄造鍛壓成型、注塑成型等工藝還有較大的差距，這些都限制了增材制造的大范圍應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的加工技術(shù)，增材制造加工零件的單個成本相對較高，不適合大批量零件的制造。針對上述問題，本文從集成數(shù)控增材制造工藝與基于掩膜圖像投影的增材制造工藝兩方面進行了研究，以期提高增材制造的加工質(zhì)量、擴展其應(yīng)用范圍。主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　 (1)基于雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡的可集成模型數(shù)字化技術(shù)研究

3、。以實現(xiàn)集成模型三維測量系統(tǒng)的增材制造工藝為目標(biāo)，以德州儀器的TALP1000B雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡鏡和攝像機為核心部件，設(shè)計了三維激光測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡來控制激光點的移動，實現(xiàn)一次固定，區(qū)域測量，可作為集成部件方便的安裝到增材制造系統(tǒng)當(dāng)中，實現(xiàn)對待加工表面的在線測量。測量系統(tǒng)中采用分層離散的定標(biāo)算法對攝像機和激光位置進行標(biāo)定，基于雙線性插補算法計算圖像像素點位置和激光點位置。由雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡與攝像機分別獲取經(jīng)過被測點的兩條空間

4、直線，然后通過空間直線的三角化求交來計算測量點位置。通過測量實例，分析了測量誤差產(chǎn)生的原因及提高措施。
　　 (2)基于代數(shù)點集曲面APSS與多層深度法矢圖像LDNIs的模型重建算法研究。采用代數(shù)點集曲面APSS擬合測量點集，進行去噪平滑，然后通過投影運算將APSS曲面轉(zhuǎn)化為LDNIs表達的實體模型，進而采用輪廓線算法生成三角網(wǎng)格曲面，實現(xiàn)模型的重建。
　　 (3)研究了集成數(shù)控增材制造系統(tǒng)。針對傳統(tǒng)分層增材制造工藝所得

5、零件在不同方向上物理性能不一致的問題，開發(fā)基于數(shù)控技術(shù)的無分層增材制造工藝CNCA。將所開發(fā)的三維測量系統(tǒng)與模型重建算法集成到該工藝當(dāng)中，實現(xiàn)對待加工表面的在線測量與模型重建。結(jié)合基于多層深度法矢圖像的布爾運算與偏置運算，實現(xiàn)激光頭的路徑規(guī)劃，輸入數(shù)字控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在給定曲面上的固化加工。
　　 (4)基于MIP-SLA的大面積微細(xì)加工制造工藝研究。對基于DLP投影機的MIP-SLA增材制造工藝的加工原理、工藝流程及系統(tǒng)組成進行

6、了研究，重點研究了基于約束液面的MIP-SLA增材制造工藝。設(shè)計開發(fā)了基于MIP-SLA的大面積微細(xì)制造工藝系統(tǒng)，研究了制造系統(tǒng)的圖像生成與工藝規(guī)劃?；谏虡I(yè)投影機，重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)掩膜圖像在微小區(qū)域內(nèi)的聚焦，通過對光路與加工基座在平面內(nèi)的擴展，實現(xiàn)大面積微細(xì)零件的制造。
　　 (5)基于LDNIs的掩膜圖像切片生成算法研究。提出了基于LDNIs模型的掩膜圖像生成算法，該算法首先對實體模型進行采樣離散生LDNIs模型，然后采用離

7、散的一維布爾運算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪廓求交運算得出二維的掩膜圖像。該算法在處理復(fù)雜模型與小層厚圖像生成時與基于輪廓的算法有更高的運算效率。研究DLP投影機的標(biāo)定算法，提出采用分層離散的方式對其進行空間定標(biāo)。并根據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了投影圖像的反算。在基于MIP-SLA工藝的光滑表面制造系統(tǒng)中，應(yīng)用空間投影圖像反算算法生成該工藝中的二次投影圖像。
　　 (6) MIP-SLA原型機系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計搭建了大面積微細(xì)制造工藝的硬件系統(tǒng)，對微細(xì)加工的曝

8、光時間、加工分辨率等因素進行了研究?；贓therMAC運動控制系統(tǒng)及WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)了約束液面式MIP-SLA原型機系統(tǒng)。開發(fā)了基于PC的掩膜圖像切片軟件與基于WindowsCE嵌入式系統(tǒng)的控制軟件，并設(shè)計了分離拉力的在線測量系統(tǒng)。通過實驗驗證了掩膜圖像切片算法的正確性，測定了系統(tǒng)的加工精度、加工效率以及加工過程中分離拉力隨加工面積的變化趨勢。
　　 論文對面向增材制造的模型數(shù)字化技術(shù)與模型重建方法的研究，