陳光霞

CHEN Guang-xia

(江漢大學 機電與建筑工程學院 工業(yè)設計系，武漢 430056)

0 引言

激光快速成型技術是近年來新出現(xiàn)的快速成型技術之一，它是以粉末為材料，將CAD模型轉換成零件，利用激光快速成型技術可以節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)時間70%以上，使產(chǎn)品投放市場時間節(jié)省90%左右[1]。所以可以極大地提高企業(yè)的市場競爭力，具有較廣闊的應用前景。

激光快速成型系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。而軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響和控制著整個加工過程，直接影響零件的成型質量與加工效率，在快速成型系統(tǒng)中起著至關重要的作用，是激光快速成型系統(tǒng)的核心技術之一。

本文對激光快速成型軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中的關鍵技術進行了詳細論述。

1 軟件系統(tǒng)的功能模塊

激光快速成型軟件系統(tǒng)的總功能是：將三維CAD模型的數(shù)據(jù)轉換成數(shù)控加工指令，控制數(shù)控設備和激光器完成激光加工操作。

根據(jù)軟件系統(tǒng)功能需求，激光快速成型軟件系統(tǒng)可以劃分為四個功能模塊：STL文件的讀取與顯示模塊、切片處理模塊、掃描填充模塊以及加工控制模塊。如圖1所示。

2 軟件開發(fā)中的關鍵技術

2.1 軟件數(shù)據(jù)結構的建立

圖1 系統(tǒng)功能模塊示意圖

本文主要以二進制STL文件為研究對象，根據(jù)二進制STL文件的格式規(guī)定，要實現(xiàn)二進制STL文件的讀取，應建立以下數(shù)據(jù)結構：

1）點的數(shù)據(jù)結構如下：

struct Tripoint3d{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

2）Normal向量的數(shù)據(jù)結構如下：

struct TriNormal{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

3）三角形的數(shù)據(jù)結構如下：

struct Triple{

Tripoint3d pt1;

Tripoint3d pt2;

Tripoint3d pt3;

TriNormal normal;};

4）直線的數(shù)據(jù)結構如下：

struct Line{

Tripoint3d spt;

Tripoint3d ept;

TriNormal normal;

BOOL fl ag;};

5）其他一些重要的數(shù)據(jù)結構：

typedef struct linelist{//直線的單向鏈表

Line line;

struct linelist *next;}LineList;

struct contour{//環(huán)的數(shù)據(jù)結構

LineList contourline;

int SliceID;//切片層數(shù)，即是第幾層切片

BOOL fl ag;//環(huán)使用標志};

2.2 STL文件的顯示技術

STL文件的顯示技術主要包括以下兩個方面。

2.2.1 立體模型的顯示

本文采用OpenGL實現(xiàn)STL文件的顯示，因為OpenGL具有強大的圖形功能，且提供了VC編程環(huán)境所需的庫函數(shù)及頭文件，可以很方便地在VC編寫的應用程序中顯示圖形[2]。

立體模型的顯示主要分為兩種：立體光照模型與立體線框模型。如圖2（a）所示是義齒支架的線框模型顯示，圖2（b）是義齒支架的光照模型顯示。STL文件模型顯示算法如下：1.SetModelColorWithOpenGL 2.SetLightsWithOpenGL

圖2 義齒支架模型顯示結果圖

3.DisplaySTLModeWithOpenGL(FacetsCount，F(xiàn)acetsArray， FacetsNormalArray)

4.CASE UserActions OF {

Case1:Display illumination model;

Case2:Display frame model;

…}

2.2.2 立體模型的旋轉、縮放和平移

為了便于用戶更好地觀察立體，并選擇最佳的切片方向，更利于激光快速成型加工，在立體模型顯示功能中還包括立體的旋轉、縮放和平移。

立體的空間坐標系與計算機屏幕坐標系是有區(qū)別的。立體對象在空間處于三維坐標系中，但計算機圖形的點是生成三維對象的二維圖象，所以，將立體對象的三維坐標轉換到屏幕上的象素位置，要經(jīng)過一定的視見變換。

三維圖形的幾何變換矩陣如式（1）所示。

三維圖形的旋轉、縮放和平移等操作都可以從（1）式矩陣變換得到。如繞Y軸進行三維旋轉變換，利用此矩陣對每一個點進行旋轉，具體旋轉矩陣如式（2）所示。

式中θ為旋轉角度。

2.3 切片技術與輪廓整理

2.3.1 切片技術

把任意一個空間三角形與切平面的關系分為下列六種情況，如圖3所示。平面在截切STL文件立體時，程序對三角形與切平面的位置關系進行判斷并作相應的處理，求出三角形與切平面的交線，其流程如圖4所示。

圖3 三角形與切平面的關系

圖4 切片算法流程圖

2.3.2 切片輪廓的整理

對零件進行了切片處理后，再根據(jù)每一層切片的交線整理出一個或多個截面輪廓。其算法流程圖如圖5所示。

為了避免STL文件不連續(xù)的缺陷，保證不論在什么情況下，都可以生成封閉的截面輪廓，當?shù)谝粭l線段的起點PIS與最后一條線段的終點Pne不相同時（在一定的范圍內，如坐標差≤0.001mm），則增加一條以Pne為起點，以PIS為終點的線段，從而形成封閉的截面輪廓。

一條截面輪廓整理完后，再以同樣的方法在剩下的線段中搜索，得到另一截面輪廓，直到交線數(shù)組中再無線段為止。

圖6就是利用此輪廓整理算法的切片結果，其中圖6（a）為拉伸試樣的切片結果圖，圖6（b）為義齒支架切片結果圖。

圖6 立體切片結果圖

圖5 輪廓整理算法流程圖

2.4 填充方法的實現(xiàn)

形成截面輪廓后，要利用一定的算法生成每一截面輪廓的激光掃描路徑，并生成相應的NC代碼，或直接驅動激光器與數(shù)控工作臺進行激光加工。激光掃描路徑最常見的為直線光柵掃描法與輪廓偏移法，本文主要采用輪廓光柵掃描法進行填充。

光柵填充方式一般先判別內外環(huán)，再利用求交點的方式進行填充[3]。本文則直接利用交點來進行填充，這樣可以提高計算效率。具體方法如下：

1）獲取需掃描填充區(qū)域的最小包圍盒，并根據(jù)激光掃描工藝參數(shù)中的單道熔覆寬度及搭接率，計算光柵掃描間隔；

2）按指定方向（如X、Y軸）生成掃描線，如圖7（a）所示；

3）求出每條掃描線與當前層中所有輪廓的交點，如P1、P2、……、Pn；

4）統(tǒng)計交點數(shù)，并將交點按掃描線方向從小到大進行排序；

圖7 光柵填充示意圖

5）按點從小到大的順序生成掃描線，掃描線為P1P2、P3P4、P5P6、……。

生成的填充圖如圖7（b）所示。

特殊情況處理：

1）當交點數(shù)為奇數(shù)時，則應根據(jù)情況進行具體分析：

2）極值奇點[4]：如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)≤0，則稱Pi為極值奇點。此時規(guī)定按兩個交點計算，如圖8（a）所示。

3）非極值奇點：如果(yi-yi-1)(yi+1-yi)＞0，則稱Pi為非極值奇點。此時規(guī)定按一個交點計算，如圖8（b）所示。

圖8 極值奇點判斷示意圖

當輪廓的一條邊在掃描線上時，此時不考慮它和掃描線的交點，交點數(shù)視為零。

在光柵掃描填充中，如果完全采用X軸或Y軸方向進行掃描填充，這樣所制備的金屬零件易形成組織結構偏析，對提高成型件的質量不利。因此在實際應用中，將每相鄰兩層之間的掃描相位差規(guī)定為某一特定夾角θ，通常選擇的θ值有90°、105°、120°等[5,6]。在程序設計中將角度設計成變量，用戶可以根據(jù)需要，自己確定。圖9為利用每層相位角相差105°的方式進行填充的顯示結果圖。其中圖9（a）為拉伸試樣光柵填充圖，圖9（b）為可摘除局部義齒支架光柵填充圖。圖10為采用相位差為105°的激光快速成型加工的實物圖。

圖9 利用相位角差值為105°的填充顯示結果圖

圖10 拉伸試樣、義齒支架填充相位差105 °實物圖

3 結束語

在自行開發(fā)了一個用于金屬零件激光快速成型加工的軟件系統(tǒng)的基礎上，詳細論述了軟件系統(tǒng)開發(fā)中的主要關鍵技術，實踐證明，這些技術對于保證成型零件的質量和提高加工效率具有很大的作用。

[1] P.A. Kobryn,E.H.Moore,S.L.Semiatin.The effect of laser power and traverse speed on microstructure, porosity,and build height in laser-deposited Ti-6Al-4V.Scripta mater,2000,43(4): 299-305.

[2] 江早.OpenGL VC/VB圖形編程.(第一版)[M].北京:科學出版社,2001:3-8.

[3] 劉斌,肖躍加,韓明,等.實體截面輪廓內外邊界的自動識別算法研究[J].華中理工大學學報,1996,24(10):23-25.

[4] 常明,朱林.計算機圖形學.(第二版)[M].武漢:華中科技大學出版社,2001:141.

[5] M,T.Ensz,M.L.Grif fi th,L.D.Harwell.Software Development for Laser Engineered Net Shaping.Solid Freeform Fabrication Proceedings,1998:359-366.

[6] Kamran Aamir Mumtaz,Poonjolai Erasenthiran,Neil Hopkinson.High density selective laser melting of Waspaloy. Journal of materials processing technology, 2 0 0 8 (195) :77-87.