王材樺，楊 帆

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049；2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

電子束熔絲成形是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，按照一定的路徑熔化金屬絲材，實(shí)現(xiàn)三維零件成形。因?yàn)殡娮邮芰棵芏雀?，束斑直徑小，形成?dú)特的“釘形”熔池形貌，可對(duì)多層沉積體進(jìn)行重熔，消除或減少內(nèi)部孔洞等缺陷[1-3]。同時(shí)熱影響區(qū)較窄，容易獲得細(xì)小的晶粒。被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要國防領(lǐng)域。目前有關(guān)工藝參數(shù)研究的大多數(shù)把重心放在充分熔化金屬絲材以期獲得致密度接近100%的制件上，但對(duì)于成形機(jī)理以及偶爾出現(xiàn)的翹曲、變形、裂紋等缺陷的原理還無法完全解讀?，F(xiàn)有的研究主要集中在探討成形層的性能，卻忽略了復(fù)雜的層間相互作用引起的額外誤差與應(yīng)力調(diào)控的研究。實(shí)際生產(chǎn)過程中，若工藝參數(shù)選擇不合理，就無法得到連續(xù)、界面結(jié)合良好的焊縫，更無法得到比較理想的堆焊層[4-5]。

齊海波等[6]研究了掃描路徑對(duì)成形件溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)長邊、短邊及分區(qū)掃描下起始邊起點(diǎn)和終點(diǎn)均存在較大的溫度梯度，通過掃描路徑的反向規(guī)劃降低了成形件溫度分布不均勻的程度，避免了成形過程中成形件的翹曲變形，改善了成形件1的表面形態(tài)。上海交通大學(xué)陳云霞[7]研究了電子束掃描控制系統(tǒng)如何從CAD系統(tǒng)讀取模型切片數(shù)據(jù)，解決了建模軟件與掃描控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，在綜合考慮各種掃描方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于輪廓偏置和分區(qū)掃描相結(jié)合的復(fù)合掃描填充算法。張業(yè)成[8]研制了基于FPGA的電子束快速偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)，通過掃描線起止坐標(biāo)表示填充信息，實(shí)現(xiàn)了從STL三維數(shù)據(jù)處理到偏轉(zhuǎn)掃描控制信號(hào)生成的完整過程，可精確控制電子束的偏轉(zhuǎn)掃描過程。香港科技大學(xué)Longwei Cheng等[9]通過高斯過程生成三維模型切片輪廓的原始預(yù)測(cè)點(diǎn)，使用內(nèi)核平滑方法來改進(jìn)原始預(yù)測(cè)以導(dǎo)出最終預(yù)測(cè)。在此預(yù)測(cè)過程的基礎(chǔ)上，采用補(bǔ)償方法導(dǎo)出修正的輸入形狀，消除了大部分形狀偏差，這種方案可以預(yù)測(cè)和補(bǔ)償復(fù)雜和不規(guī)則的形狀偏差輪廓。吳艷花等[10]在HMI開發(fā)環(huán)境下通過VB進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，利用VC建立語言動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)了外部加工程序的導(dǎo)入與伺服運(yùn)動(dòng)控制。在此基礎(chǔ)上金陵等[11]采用UNICODE編程，通過OPC協(xié)議開發(fā)了脫離于西門子HMI Programming Package開發(fā)框架的標(biāo)準(zhǔn)Windows界面。Lumex Advance-25在一臺(tái)3軸銑床內(nèi)集成了銑削與激光燒結(jié)兩種功能，通過調(diào)整分層制造與機(jī)械加工的順序，解決工具的可訪問性問題[12]。Wei Du等[13]對(duì)激光與數(shù)控銑復(fù)合制造工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合加工下工件的顯微硬度明顯高于單一的制造手段，而且微觀結(jié)構(gòu)沿不同方向略有差異。

1 二維輪廓快速提取

在電子束熔絲成形過程中，模型數(shù)據(jù)處理過程中的累積高度通常為固定值，通過獲取模型在不同高度下的二維輪廓對(duì)其進(jìn)行實(shí)體填充。隨著成形過程的進(jìn)行，切片位置平穩(wěn)增加。而實(shí)際成形過程中，熔絲狀態(tài)、成形工藝參數(shù)、熱累積及不同模型的結(jié)構(gòu)特征等在每層實(shí)體填充的過程中都會(huì)對(duì)模型高度產(chǎn)生影響，由此產(chǎn)生的累積誤差會(huì)影響實(shí)際成形件在Z方向的精度。為了提高成形件的形位精度，提出給予視頻監(jiān)控的閉環(huán)數(shù)據(jù)處理策略。在成形過程中實(shí)時(shí)捕捉前一層的成形狀態(tài)，結(jié)合模型特征對(duì)層厚、工藝參數(shù)和路徑規(guī)劃方式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 三角面片數(shù)據(jù)讀取

電子束熔絲工藝以STL文件作為模型數(shù)據(jù)，通過逐層逼近的方式獲得原始零件的緊密毛坯件。STL文件以三角面片離散原始模型，并將三角形的頂點(diǎn)坐標(biāo)與法向量存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件中，數(shù)據(jù)格式如圖1所示。由于三角面片的存儲(chǔ)順序雜亂無序，因此在提取二維輪廓之前需要對(duì)其進(jìn)行排序。

圖1 二進(jìn)制STL數(shù)據(jù)格式

1.2 模型剖切與輪廓提取

根據(jù)式（1）分別求得三角面片的各邊與切平面的交點(diǎn)如圖2所示。通過邏輯表達(dá)式篩選后輸出雜亂的二維輪廓序列。

根據(jù)計(jì)算所得的二維數(shù)據(jù)輪廓構(gòu)建一個(gè)無向圖，首先以一個(gè)未被訪問過的頂點(diǎn)為起始頂點(diǎn)，沿當(dāng)前頂點(diǎn)的邊走到未訪問過的頂點(diǎn)：當(dāng)沒有未訪問的頂點(diǎn)時(shí)，則回到上一個(gè)頂點(diǎn)，繼續(xù)試探訪問別的頂點(diǎn)，直到所有的頂點(diǎn)都被訪問過。顯然，深度優(yōu)先遍歷是沿著圖的某一條分支遍歷直到末端，然后回溯，再沿著另一條進(jìn)行同樣的遍歷，直到所有的頂點(diǎn)都被訪問過為止（見圖2）。

圖2 二分法三角面片遍歷

2 路徑填充和輪廓切分

電子束熔絲成形過程是軟件與硬件相互結(jié)合的綜合體現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理軟件部分包含模型的提取、外輪廓識(shí)別、填充軌跡生成等功能，通過模型的不同特征，將填充數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)際加工生成智能成形軌跡，對(duì)外輪廓及其表面特性進(jìn)行提取，優(yōu)化填充方式。將切片數(shù)據(jù)繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，計(jì)算輪廓區(qū)域包絡(luò)矩形的面積S（S=△x·△y），以S取得最小值處的包絡(luò)矩形作為最小包絡(luò)，按照最小包絡(luò)矩形的長寬比和工藝參數(shù)要求選擇適當(dāng)?shù)木匦蝿澐謧€(gè)數(shù)。

2.1 薄壁輪廓識(shí)別

根據(jù)切片輪廓的最小外接矩形短邊長度初始化填充形狀分布位置可以極大減少計(jì)算數(shù)量。切片輪廓繞原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)180°，當(dāng)最小包絡(luò)矩形的長邊和短邊比大于20，認(rèn)為該輪廓為薄壁輪廓，否則為非薄壁輪廓，如圖3所示。設(shè)某輪廓數(shù)據(jù)的初始包絡(luò)為{[x0_min，y0_min]，[x0_max，y0_max]}，則式（2）取得最小值的一組坐標(biāo)點(diǎn)為該輪廓的最小包絡(luò)矩形。

圖3 薄壁區(qū)域識(shí)別

2.2 可成形策略

通過圖形裁剪算法對(duì)非掃描填充區(qū)域單元進(jìn)行裁剪刪除，最后對(duì)狹小區(qū)域和相鄰區(qū)域的輪廓圖形進(jìn)行合并；考慮到各個(gè)待填充區(qū)域間的過渡問題，填充時(shí)區(qū)域的邊緣預(yù)留半個(gè)掃描間距。若直接對(duì)分區(qū)后的區(qū)域進(jìn)行掃描，相鄰分區(qū)間的熱量累積就會(huì)變大，因此通過跨區(qū)域和有序的掃描方式降低溫度梯度分布，減小零件變形，對(duì)各分區(qū)塊位置進(jìn)行標(biāo)定，以距離最遠(yuǎn)的原則尋找后續(xù)掃描區(qū)。填充策略包括x向填充方式和y向填充方式兩種，分區(qū)策略包括三角形分區(qū)，矩形分區(qū)和六邊形分區(qū)三種，如圖4所示。分區(qū)策略可以和填充策略或分區(qū)策略本身進(jìn)行無限組合，演變出多種分區(qū)填充形式。通過多次排序刪減，可快速鎖定與指定高度完全相交的面片序列，為下一階段的層厚動(dòng)態(tài)調(diào)整提供支撐條件。在掃描線填充算法中，用多邊形輪廓外一條直線與多邊形求交，對(duì)于一個(gè)封閉的多邊形來說，交點(diǎn)數(shù)一定是偶數(shù)，且第1個(gè)點(diǎn)和第2個(gè)點(diǎn)之間一定是實(shí)體，而第2個(gè)點(diǎn)和第3個(gè)點(diǎn)之間一定是非實(shí)體部分，以此類推，可求得這條線上的實(shí)體與非實(shí)體部分。掃描線填充方法只需對(duì)這一條直線進(jìn)行分析即可，不需要對(duì)輪廓包含的區(qū)域進(jìn)行實(shí)體與非實(shí)體的判定，這樣填充過程穩(wěn)定可靠得多。

圖4 分區(qū)填充策略

各類不同的填充算法為后期進(jìn)行智能決策奠定一定的基礎(chǔ)，運(yùn)用設(shè)備進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究，建立一定的工藝數(shù)據(jù)庫，為成形較好的工藝性能，匹配較好的成形工藝參數(shù)，依據(jù)每層不同的形貌智能選取填充方式，生成成形軌跡。

3 數(shù)據(jù)庫搭建與上位機(jī)通信

數(shù)據(jù)庫建立包括兩部分：前處理階段和熔積成形階段兩部分。前處理階段根據(jù)模型的包圍盒特征將輪廓分為薄壁輪廓和實(shí)體輪廓兩種類型。在熔積成形階段根據(jù)層厚的實(shí)際反饋信息，更改下一成形層的切片位置，同時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。通過對(duì)用戶擴(kuò)展接口、232通信和OPC UA通信進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)用戶擴(kuò)展接口方式只能實(shí)現(xiàn)簡單的界面更改以及變量監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，執(zhí)行上位機(jī)傳達(dá)的指令。最終選擇OPC UA方式作為切片軟件與數(shù)控系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)傳輸方式。

西門子系統(tǒng)中的OPC UA服務(wù)器通過設(shè)置管理以及密碼激活，服務(wù)器地址為：192.168.1.20:4840。連接服務(wù)器后即可通過上位機(jī)讀寫西門子封裝的數(shù)組和客戶端函數(shù)。

840D SL最大可以同時(shí)監(jiān)控200個(gè)變量，支持的變量類型包括：

/Axis：軸變量

/Bag：方式組變量

/Channel：通道變量

/DriveVisa：驅(qū)動(dòng)變量

/Hmi:Hmi變量

/Methods：通過方法讀入變量表中不包含的變量

/Nck:Nck變量

/Tool：刀具變量

/Random:Plc變量

通過連接840D SL數(shù)控系統(tǒng)自帶的OPC服務(wù)器，對(duì)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速，加減速度和啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)啟?？刂?。成形過程中每次傳送一整層的加工數(shù)據(jù)，通過主程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工與切片數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸。

4 結(jié)論

采用快速排斥實(shí)驗(yàn)快速尋找剖切線段之間的相交關(guān)系，通過深度圖搜索算法建立交點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系形成封閉有向輪廓；建立動(dòng)態(tài)分層處理算法機(jī)制，可根據(jù)機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)成形厚度的反饋信息，調(diào)整下一層的剖切位置與掃描填充方式，實(shí)現(xiàn)成形過程的實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制。采用過變形裁剪算法，通過六邊形、矩形等基本輪廓對(duì)二維輪廓進(jìn)行區(qū)域分割與掃描線填充。