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(chǎng)化的發(fā)展，能在更短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品并推向市場(chǎng)是企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)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(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)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(gè)分層累積材料的過(guò)程，將三維零件降維到二維平面或者一維的點(diǎn)線，消除了復(fù)雜形狀對(duì)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(kāi)始，目前已經(jīng)有多種增材制造加工工藝，也有光敏樹(shù)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(duì)于傳統(tǒng)的加工技術(shù)，增材制造加工零件的單個(gè)成本相對(duì)較高，不適合大批量零件的制造。針對(duì)上述問(wèn)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(jìn)行了研究，以期提高增材制造的加工質(zhì)量、擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。主要研究?jī)?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(shí)現(xiàn)集成模型三維測(cè)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(jī)為核心部件，設(shè)計(jì)了三維激光測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)控制雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡來(lái)控制激光點(diǎn)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一次固定，區(qū)域測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)待加工表面的在線測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)中采用分層離散的定標(biāo)算法對(duì)攝像機(jī)和激光位置進(jìn)行標(biāo)定，基于雙線性插補(bǔ)算法計(jì)算圖像像素點(diǎn)位置和激光點(diǎn)位置。由雙軸旋轉(zhuǎn)微鏡與攝像機(jī)分別獲取經(jīng)過(guò)被測(cè)點(diǎn)的兩條空間

4、直線，然后通過(guò)空間直線的三角化求交來(lái)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)位置。通過(guò)測(cè)量實(shí)例，分析了測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因及提高措施。
　　 (2)基于代數(shù)點(diǎn)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(diǎn)集曲面APSS擬合測(cè)量點(diǎn)集，進(jìn)行去噪平滑，然后通過(guò)投影運(yùn)算將APSS曲面轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)DNIs表達(dá)的實(shí)體模型，進(jìn)而采用輪廓線算法生成三角網(wǎng)格曲面，實(shí)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(duì)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于數(shù)控技術(shù)的無(wú)分層增材制造工藝CNCA。將所開(kāi)發(fā)的三維測(cè)量系統(tǒng)與模型重建算法集成到該工藝當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)待加工表面的在線測(cè)量與模型重建。結(jié)合基于多層深度法矢圖像的布爾運(yùn)算與偏置運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)激光頭的路徑規(guī)劃，輸入數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)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(duì)基于DLP投影機(jī)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(jìn)行

6、了研究，重點(diǎn)研究了基于約束液面的MIP-SLA增材制造工藝。設(shè)計(jì)開(kāi)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(jī)，重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掩膜圖像在微小區(qū)域內(nèi)的聚焦，通過(guò)對(duì)光路與加工基座在平面內(nèi)的擴(kuò)展，實(shí)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(duì)實(shí)體模型進(jìn)行采樣離散生LDNIs模型，然后采用離

7、散的一維布爾運(yùn)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪廓求交運(yùn)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(shí)與基于輪廓的算法有更高的運(yùn)算效率。研究DLP投影機(jī)的標(biāo)定算法，提出采用分層離散的方式對(duì)其進(jìn)行空間定標(biāo)。并根據(jù)定標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)搭建了大面積微細(xì)制造工藝的硬件系統(tǒng)，對(duì)微細(xì)加工的曝

8、光時(shí)間、加工分辨率等因素進(jìn)行了研究。基于EtherMAC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了約束液面式MIP-SLA原型機(jī)系統(tǒng)。開(kāi)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(jì)了分離拉力的在線測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了掩膜圖像切片算法的正確性，測(cè)定了系統(tǒng)的加工精度、加工效率以及加工過(guò)程中分離拉力隨加工面積的變化趨勢(shì)。
　　 論文對(duì)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，