| 题名 | 激光金属沉积成形的数据处理关键技术研究 |
| 作者 | 卞宏友1,2 |
| 答辩日期 | 2007-02-04 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 王天然 ; 刘伟军 |
| 关键词 | 快速成形 激光金属沉积成形 一致性误差分层 扫描路径规划 支撑自动生成 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Research on Key Techniques of Laser Metal Deposition Shaping Data Processing |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 快速成形技术(Rapid Prototyping, RP)是多种先进技术的集成，涉及了机械、激光、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、以及新材料等技术。它不需要任何刀具和夹具，就可以直接实现从CAD模型到三维实体样件的制作，已广泛应用在科研、汽车制造、航空及医学等领域。在诸多快速成形的工艺方法中，激光熔覆直接成形技术由于可制造出全密度功能性金属零件，被认为是最具发展前途的方法，正在成为目前国内外研究的热点。中国科学院沈阳自动化研究所开展了该技术的研究，并研制开发了激光金属沉积成形系统(Laser Metal Deposition Shaping, LMDS)。而对于基于材料累加思想发展起来的快速成形技术而言，数据处理是其分层叠加制造的关键环节，数据处理的结果直接对成形速度、成形精度和系统稳定性等方面产生重要的影响，对其进行深入研究是必要和很有意义的。 本文阐述了快速成形数据处理系统的基本功能和方法，分析了快速成形数据处理领域的研究热点和发展趋势。结合LMDS的研究需要，阐述了LMDS工艺中影响成形精度和效率的各种因素，分析了各种因素的影响机理，为从数据处理环节入手来提高成形质量和成形效率指明了方向。进而着重研究了快速成形数据处理领域中的若干关键技术，如：一致性误差分层方法研究、新型扫描路径规划方法研究和全密度支撑自动生成方法研究等，并利用LMDS系统验证了相关方法的可行性和有效性。本文主要的研究工作包括： 1. 深入分析了模型的分层对成形质量和效率的影响，提出了一致性误差分层方法，即通过判断三角面片法向量或边法向量与加工位向之间的关系来获取合适的截面轮廓，保证了成形工件具有一致性的冗余体积误差或缺失体积误差，满足了成形工件的使用目标需求。 2. 结合激光金属沉积成形工艺和现有平行扫描路径生成方法，分析了扫描路径规划对成形质量和效率的影响，指出了扫描间距误差和扫描填充线的不当连接是产生局部过熔覆或欠熔覆问题的根本成因。为提高成形质量和效率，提出了两种新型平行扫描路径生成方法。其一是自适应平行扫描路径生成方法：该方法先识别出轮廓的特征点和特征边，采用适应性扫描间距布置生成平行扫描填充线；然后通过判断待定过渡线中点和特征边的位置关系来优化连接扫描填充线生成扫描路径。应用该方法减小了扫描间距误差，避免了不当的扫描填充线连接，进而减小了过熔覆或欠熔覆现象，提高了成形质量。另一种是分区平行扫描路径生成方法：该方法基于顶点可见性原理，对分层后的截面轮廓进行去除内环、非单调多边形的单调剖分等处理来获得若干个单调子区域，可减少分区数量，也就减少了空跳次数，提高了成形效率；针对各单调子区域采用适应性扫描间距的平行路径进行填充，减小了扫描线的长度和扫描间距误差，增强了相邻扫描线间的相互浸润性，同时有效地减小了过熔覆或欠熔覆现象，提高了成形质量。另外，为减少扫描路径中的空跳长度、提高成形效率，提出了多区域扫描顺序的优化排序方法。 3. 分析了现有环形扫描方法的特点和存在问题，提出了一种分区适应性环形扫描方法。该方法基于顶点可见性原理，对分层后的截面轮廓进行去除内环、凹多边形凸分解等处理，获得若干形态质量好的凸多边形子区域；针对各子区域进行voronoi图划分，并采用适应性扫描间距实现环形扫描路径规划。该方法减小了现有环形扫描在内外环偏置过渡区域处常常出现的扫描间距误差，有效地减小了过熔覆或欠熔覆现象；并且分区后扫描线变短，提高了相邻扫描线间的相互浸润性，提高了成形质量。 4. 分析了现有支撑生成方法的添加支撑的基本过程和特点，结合LMDS需要全密度支撑的实际情况，提出了两种新型支撑自动生成方法。其一是基于多边形布尔运算的全密度支撑自动生成方法。该方法基于分层轮廓的布尔运算来添加支撑，计算量小；并可对零件的所有待支撑区域自动添加支撑，满足了LMDS对全密度支撑的需要。另一种是基于STL模型垂直切片的支撑生成算法。该方法根据待支撑区域特征统一优化布置垂直分层面，在二维垂直截面轮廓内设计生成支撑，可实现对成形零件待支撑区域的准确支撑；另外采用所提出的基于待支撑边生成对应的支撑多边形方法，可生成变厚度薄壁支撑实现对待支撑区域的有效支撑。通过调整支撑扫描间距来确定垂直分层厚度，既可生成SLA等工艺需要的薄壁式支撑，又可生成适用于LMDS成形需要的全密度支撑，保证了对悬垂结构零件成形加工的顺利进行。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 公开日期 | 2010-11-29 |
| 页码 | 111页 |
| 分类号 | TP274 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.72.131.170//handle/173321/127]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_工业信息学研究室_先进制造技术研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院研究生院 2.中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 卞宏友. 激光金属沉积成形的数据处理关键技术研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2007. |
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