陳光霞,覃群

(江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系,武漢 430056)

0 引言

激光快速成型技術(shù)的出現(xiàn)被認(rèn)為是近年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破,它綜合了機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)的一系列特點(diǎn),可以直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或零件,從而可以對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、方案修改及功能試驗(yàn),有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期,同時(shí)具有較大的生產(chǎn)柔性[1-8]。

激光快速成型的基本過(guò)程是：首先獲得被加工零件的三維 CAD模型的 STL文件;再利用切片技術(shù)進(jìn)行分層切片,規(guī)劃掃描路徑,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令;激光束在指令控制下進(jìn)行掃描加工[9-13]。

當(dāng)零件形狀復(fù)雜時(shí),則分層切片和生成掃描路徑的計(jì)算量較大,耗時(shí)較長(zhǎng)。傳統(tǒng)的方法是先將所有切片掃描計(jì)算完成后再進(jìn)行加工,或者計(jì)算一層加工一層,這些方法切片計(jì)算過(guò)程將占用較多的加工用時(shí),有時(shí)甚至?xí)_(dá)到加工總用時(shí)的 50%以上。為了節(jié)約分層切片與掃描計(jì)算時(shí)間,提高加工效率,本文成功地將多線程技術(shù)應(yīng)用于激光快速成型技術(shù)中,使切片計(jì)算與激光加工同時(shí)進(jìn)行,極大的提高了加工效率。

1 總體思路

為了實(shí)現(xiàn)切片計(jì)算與激光加工同時(shí)進(jìn)行,本文在激光快速成型軟件系統(tǒng)中引入了多線程技術(shù),即一個(gè)線程完成激光加工控制,另一個(gè)線程完成分層切片、生成掃描路徑的計(jì)算。其流程如圖 1所示。

2 編程中的關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)多線程處理技術(shù),必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖 1 加工及切片計(jì)算多線程流程圖

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)的建立與操作

在激光快速成型軟件系統(tǒng)中,一個(gè)線程完成激光加工控制,另一個(gè)線程完成切片與掃描路徑的計(jì)算。切片計(jì)算線程將計(jì)算結(jié)果壓入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),激光加工控制線程將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中讀出來(lái),控制激光加工。這個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是程序?qū)ｉT(mén)創(chuàng)建的。

2.1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)的建立

緩沖區(qū)的建立方法：在激光快速成型軟件系統(tǒng)中建立一個(gè)與切片計(jì)算過(guò)程具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一維數(shù)組。這個(gè)一維數(shù)組的結(jié)構(gòu)如下：

首先定義直線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

再利用這個(gè)直線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義一個(gè)五元素的一維數(shù)組,如：

也就是說(shuō),這個(gè)緩沖區(qū)的大小為 5。

2.1.2 緩沖區(qū)的操作

緩沖區(qū)的操作主要包括兩個(gè)方面：壓入操作和讀取操作。

由切片計(jì)算線程計(jì)算得到的一層掃描線數(shù)據(jù)將被存入 processline[5]緩沖區(qū)數(shù)組中,但前提條件是緩沖區(qū)不滿,如果緩沖區(qū)的 5個(gè)元素都存有加工數(shù)據(jù),則新計(jì)算得到的數(shù)據(jù)將被掛起等待。只有當(dāng)激光加工線程讀取一組加工數(shù)據(jù)后,緩沖區(qū)又有空間存儲(chǔ)加工數(shù)據(jù),切片線程的計(jì)算結(jié)果才會(huì)被允許存入。

激光加工控制線程負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)中讀取加工數(shù)據(jù),當(dāng)它讀取一組數(shù)據(jù)后,這組數(shù)據(jù)將從緩沖區(qū)中被清除,緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)整體前移。讀取數(shù)據(jù)順序遵循“先進(jìn)先出”的原則。如圖 2所示。

圖 2 緩沖區(qū)示意圖

2.2 線程共享數(shù)據(jù)同步處理

切片計(jì)算線程與激光加工控制線程在運(yùn)行過(guò)程中,涉及到兩個(gè)共享數(shù)據(jù)：一是緩沖區(qū)中現(xiàn)存切片數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),另一個(gè)是緩沖區(qū)現(xiàn)存的具體數(shù)據(jù)值。這就需要對(duì)緩沖區(qū)中的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理,否則會(huì)出現(xiàn)混亂。例如當(dāng)一個(gè)線程正在讀取或修改這兩個(gè)共享數(shù)據(jù)時(shí),另一個(gè)線程應(yīng)被禁止對(duì)這兩個(gè)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

建立兩個(gè)線程同步臨界區(qū)變量：

當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)獨(dú)占性共享資源時(shí),可以使用“臨界區(qū)”對(duì)象。任一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以擁有臨界區(qū)對(duì)象,擁有臨界區(qū)的線程可以訪問(wèn)被保護(hù)起來(lái)的資源或代碼段,其它希望進(jìn)入臨界區(qū)的線程將被掛起等待,直到擁有臨界區(qū)的線程放棄臨界區(qū)時(shí)為止,這樣就保證了在同一時(shí)刻不會(huì)有多個(gè)線程訪問(wèn)共享資源。

當(dāng)某個(gè)線程要對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí),先要獲準(zhǔn)進(jìn)入臨界區(qū),完成操作后,則離開(kāi)臨界區(qū)。如某個(gè)線程要訪問(wèn) BufferNum時(shí),應(yīng)按以下方式進(jìn)行：

3 應(yīng)用舉例

如圖 3所示,是采用材料 Ti6Al4V,用激光快速成型的方法加工出來(lái)的可摘除局部義齒支架?？烧植苛x齒支架是人體口腔修復(fù)的重要輔助工具,由于該義齒支架屬于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維曲面,利用多線程技術(shù)可以極大的節(jié)約切片計(jì)算時(shí)間,切實(shí)提高激光快速成型效率。

圖 3 可摘除局部義齒支架

在添加輔助支撐后,每層切片、掃描填充計(jì)算時(shí)間在 30秒左右,與每層加工時(shí)間大致相當(dāng)。在加工可摘除局部義齒支架時(shí),按切片層厚 T=0.04mm進(jìn)行切片,加工層數(shù)為 331層,則切片掃描計(jì)算用時(shí)約為 2.76小時(shí);加工參數(shù)為功率 P=158W、掃描速度 V=10m/min、搭接率 O=33%。如果按一般的先切片計(jì)算,然后進(jìn)行激光加工的方法,總用時(shí)需 5個(gè)多小時(shí),引入了多線程技術(shù)后,可以使激光掃描加工和切片計(jì)算同步進(jìn)行,加工過(guò)程中的切片計(jì)算耗時(shí)可以忽略不計(jì),從而,可以節(jié)約加工時(shí)間 50%以上。兩種方法的用時(shí)對(duì)比如表 1所示。

表 1 傳統(tǒng)激光加工方法和多線程方法用時(shí)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在激光快速成型技術(shù)中引入了多線程技術(shù),即在掃描加工的同時(shí)進(jìn)行下幾層的切片掃描填充計(jì)算,使得加工與切片計(jì)算同時(shí)進(jìn)行,節(jié)約了切片掃描計(jì)算時(shí)間。實(shí)踐證明：運(yùn)用該方法,在保證加工質(zhì)量的前提下,可以節(jié)約加工用時(shí) 50%以上,使激光加工效率大幅度提高。

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