金屬零件直接成型技術(shù)原理及加工軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，快速原型制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是直接制造出全密度、高強(qiáng)度的功能性金屬零件，也稱為金屬直接成型制造技術(shù)?；诳焖僭图夹g(shù)的快速模具制造是金屬直接成型制造技術(shù)的最直接應(yīng)用之一，它提供了一條從模具CAD模型快速制造模具的新概念和方法，使模具制造在縮短研制周期、提高制造柔性、提高質(zhì)量等方面取得了顯著效果。目前，金屬零件直接成型加工都以平面為基體，實(shí)際生產(chǎn)中還可能要求以金屬零件的回轉(zhuǎn)表面為基體進(jìn)行金屬零件直接成型加工，例如汽車(chē)輪胎模具快速原型加工、汽車(chē)制動(dòng)轂內(nèi)表面花紋快速原型加工、回轉(zhuǎn)類零件表面損傷修復(fù)等。以輪胎模具快速原型加工為例。在輪胎模具的回轉(zhuǎn)內(nèi)表面上規(guī)則排列著用于加工輪胎花紋的型腔，這些型腔的精度和質(zhì)量直接影響輪胎的質(zhì)量和性能。目前輪胎模具的基本制造過(guò)程為：下料或鑄造_+車(chē)削加工_+電火花加工_加工排氣孔_+雕刻字符一模具后處理_÷表面拋光。其中電火花加工主要完成輪胎模具的復(fù)雜型腔的成形加工，是輪胎模具加工的最重要環(huán)節(jié)，占總加工周期的70％—90％。由于電火花加工效率較低，因此目前輪胎模具制造過(guò)程工序復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，靈活性差。如果采用快速原型技術(shù)進(jìn)行輪胎模具的快速制造，則可以克服上面的缺點(diǎn)，提高輪胎模具加工的效率和靈活性。

本文研究以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)的基本理論和加工實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)快速原型加工不同，回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接成型加工需要在回轉(zhuǎn)表面上進(jìn)行層疊加工，因此其數(shù)據(jù)處理和加工過(guò)程控制都與常規(guī)快速原型加工具有較大的區(qū)別。本文首先研究以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬直接成型技術(shù)的基本原理，然后推導(dǎo)回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接成型加工的實(shí)體模型分層算法，編制以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)研究。

1 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型技術(shù)的基本原理

傳統(tǒng)快速原型加工設(shè)備通常以平面為基體，因此只有平動(dòng)軸而沒(méi)有回轉(zhuǎn)軸，激光器相對(duì)于被加工工件只能進(jìn)行平行運(yùn)動(dòng)而不能進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型加工，必須在傳統(tǒng)快速原型加工設(shè)備中引入回轉(zhuǎn)軸。如圖1所示，在原有X、y、Z 3個(gè)平動(dòng)軸的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成一個(gè)四軸聯(lián)動(dòng)加工系統(tǒng)(即3個(gè)平動(dòng)軸加1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸)。在加工過(guò)程中，金屬零件基體在回轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下作勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以其回轉(zhuǎn)表面(內(nèi)表面或外表面)為基體進(jìn)行層疊加工，這樣就可以在回轉(zhuǎn)表面加工出符合精度要求的表面熔覆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型快速原型加工。

圖1 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型加工設(shè)備

目前，金屬直接成型制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法包括多相組織沉積制造技術(shù)、三維堆焊成型技術(shù)、選擇性激光高溫?zé)Y(jié)技術(shù)和激光熔覆技術(shù)等。其中激光熔覆技術(shù)利用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時(shí)采用送粉裝置將金屬粉末噴入熔池，進(jìn)而形成與基體金屬冶金結(jié)合、稀釋率低并且與基體密度相近的金屬層。與其它金屬直接成型技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有獲得的熔覆金屬層密度與常規(guī)金屬零件相同，加工過(guò)程便于數(shù)字控制，可以實(shí)現(xiàn)金屬零件外形尺寸的精確控制，對(duì)基材的熱影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于激光熔覆技術(shù)所具有的這些突出優(yōu)點(diǎn)，因此它是金屬直接成型制造技術(shù)諸多方法中最具發(fā)展前途的制造技術(shù)之一。本文采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)表面金屬零件直接成型技術(shù)研究，如圖2所示。

圖2 金屬零件直接成型加工設(shè)備

2 以回轉(zhuǎn)表面為基體的金屬零件直接成型加工的模型分層算法

與常規(guī)快速原型加工相似，回轉(zhuǎn)表面快速原型加工也需要首先對(duì)CAD模型進(jìn)行分層計(jì)算，但是由于是在回轉(zhuǎn)表面上進(jìn)行快速原型加工，因此其分層算法與常規(guī)快速原型分層算法具有較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1)分層計(jì)算采用圓柱面分層而不是平面分層。傳統(tǒng)快速原型加工采用一組平行平面對(duì)STL實(shí)體模型進(jìn)行分層計(jì)算，而回轉(zhuǎn)表面快速原型分層算法則采用一組同軸圓柱面與實(shí)體模型進(jìn)行相交求解，這是回轉(zhuǎn)表面快速原型加工與傳統(tǒng)快速原型加工在分層算法上的最大區(qū)別；

(2)實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充采用螺旋線而不是直線，常規(guī)快速原型加工基于直角坐標(biāo)系，用于實(shí)體模型內(nèi)部截面填充的掃描路徑為笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線段，而回轉(zhuǎn)表面快速原型加工以螺旋線為掃描路徑。在這過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型內(nèi)部時(shí)，打開(kāi)激光器光闡進(jìn)行激光熔覆加工；當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型外部時(shí)，關(guān)閉激光器光闡停止激光熔覆加工；

(3)實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充采用單向掃描而不是往復(fù)掃描。由于金屬零件基體通常具有較大的慣性，并且加工設(shè)備的回轉(zhuǎn)軸可能存在回程誤差，因此經(jīng)常改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向不可避免地導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)精度的降低。因此，以回轉(zhuǎn)面為基體的快速原型加工的掃描軌跡采用單向均速螺旋線運(yùn)動(dòng)，而不采用往復(fù)掃描的方式。

以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工分層算法可以歸納為4個(gè)基本步驟：

驟1 收集用戶設(shè)置信息并進(jìn)行必要的初始化工作

首先需要收集用戶的設(shè)置信息，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用戶可能提出不同的分層要求，因此用戶設(shè)置信息是分層計(jì)算的重要依據(jù)。需要收集的信息首先包括起始圓柱面半徑，螺旋線螺距和圈數(shù)等基本信息。由于分層計(jì)算通常需要進(jìn)行多層計(jì)算，因此還需要包括各層之間距離、總層數(shù)和半徑增長(zhǎng)方向等其它信息。除此之外，在計(jì)算開(kāi)始之前還需要進(jìn)行必要的初始化工作，如讀入STL文件并生成計(jì)算所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算實(shí)體模型的總體高度和半徑范圍等。

步驟2 計(jì)算回轉(zhuǎn)類實(shí)體模型與圓柱面之間的交線

在STL模型中，實(shí)體模型是由一系列三角面片組成的，因此實(shí)體模型與圓柱面的相交求解首先涉及到三角面片與圓柱面的相交求解問(wèn)題，三角面片與圓柱面的相交求解可以分為兩個(gè)步驟進(jìn)行。首先計(jì)算圓柱面與三角面片所在無(wú)限平面之間的交線，獲得的交線是一條空間橢圓線。由于三角面片只是無(wú)限平面的一部分，因此三角面片與圓柱面之間的交線應(yīng)該只是該空間橢圓線的一部分，第二個(gè)步驟就是求出空間橢圓線參數(shù)的取值范圍。設(shè)實(shí)體模型中某三角面片的3個(gè)項(xiàng)點(diǎn)為P1、P2和P3，則可以獲得該三角面片所在無(wú)限平面π的方程：

若使用半徑為r的圓柱面對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分層操作，則該圓柱面的參數(shù)方程可以寫(xiě)為：

將式(1)代入式(2)可以獲得無(wú)限平面與圓柱面的交線：

式(3)所代表的曲線是一段空間橢圓線，其參數(shù)t的取值范圍為[0,2π]。如上所述，三角面片與圓柱面的交線應(yīng)該只是式(3)代表的無(wú)限平面與圓柱面交線的一部分。如圖3所示，根據(jù)三角面片與圓柱面之間位置關(guān)系的不同，三角面片與圓柱面之間的交線可能是空間橢圓線的1、2或3段，三角面片與圓柱面之間也有可能根本不存在交線。因此，參數(shù)t的取值范圍應(yīng)該是E0，2仃]中的0—3個(gè)區(qū)間。

圖3 三角面片與圓柱面的交線

為確定三角面片與圓柱面之間交線的參數(shù)取值區(qū)間，考察三角面片及圓柱面在X-Y平面上的投影。如圖4所示，三角面片在X-Y平面上的投影為一個(gè)三角形，而圓柱面在曩y平面上的投影為一個(gè)圓，通過(guò)計(jì)算三角形與圓之間的交點(diǎn)，可以確定三角面片與圓柱面交線的參數(shù)范圍。

三角面片與圓柱面交線的參數(shù)范圍通過(guò)以下3個(gè)步驟獲得：

①計(jì)算三角形與圓的所有交點(diǎn)，需要注意的是由于切點(diǎn)的存在并沒(méi)有改變?nèi)切闻c

圖4 交線在X-Y平面上的投影

圓的相交狀態(tài)，因此切點(diǎn)不在考慮范圍之內(nèi)；

②將所有交點(diǎn)處參數(shù)按照從小到大的順序進(jìn)行排序操作，獲得一個(gè)參數(shù)序列

③判斷參數(shù)t=0時(shí)該點(diǎn)是否位于三角形內(nèi)部。如果該點(diǎn)位于三角形的內(nèi)部，則[0，t1]為第一段交線的參數(shù)范圍，[t1，t2]為第二段交線的參數(shù)取值范圍，以此類推。如果該點(diǎn)位于三角形的外部，則[t1，t2]為第一段交線的參數(shù)范圍，[t2，t3]為第二段交線的參數(shù)取值范圍，以此類推。

對(duì)于實(shí)體模型中的所有三角面片，均采用這種方法計(jì)算其與圓柱面之間的交線，這些曲線集合構(gòu)成了圓柱面內(nèi)若干個(gè)封閉曲線，它代表了實(shí)體模型與圓柱面之間的交線集合。

步驟3 螺旋線掃描軌跡的生成

以回轉(zhuǎn)面為基體的快速原型加工采用空間螺旋線進(jìn)行實(shí)體模型內(nèi)部截面的填充。螺旋線被實(shí)體模型分為內(nèi)外兩個(gè)部分，在進(jìn)行加工時(shí)，當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型的內(nèi)部時(shí)，打開(kāi)激光器光闡進(jìn)行激光熔覆加工；反之，當(dāng)激光器運(yùn)動(dòng)到實(shí)體模型的外部時(shí)，關(guān)閉激光器光闡停止熔覆加工，這樣就可以獲得實(shí)體模型所定義的熔覆結(jié)構(gòu)。為達(dá)到這一目的，需要計(jì)算螺旋線與實(shí)體模型的交點(diǎn)，這樣才能區(qū)分螺旋線的內(nèi)部和外部邊界，這可以通過(guò)計(jì)算螺旋線與該圓柱面和三角面片交線(上一步驟所計(jì)算的空間橢圓線集合)之間的交點(diǎn)獲得。

螺旋線與空間橢圓線都位于圓柱面內(nèi)，為求它們之間的交點(diǎn)，將圓柱面展開(kāi)為一個(gè)平面。隨著圓柱面的展開(kāi)，空間螺旋線被展開(kāi)為一組平行線段，而空間橢圓線集合則被展開(kāi)為若干個(gè)封閉曲線。這樣，空間螺旋線與空間橢圓線的相關(guān)交解轉(zhuǎn)化為線段與曲線的相交求解問(wèn)題。

如圖5所示，展開(kāi)之后空間橢圓線仍然可以通過(guò)式(3)表示，為方便下面的推導(dǎo)，將其改寫(xiě)為式(4)：

圖5 螺旋線的展開(kāi)

利用非線性方程求解方法，可以求出方程(7)在參數(shù)范圍[ti，ti+1]內(nèi)的解。求出第1圈螺旋線與圓柱面內(nèi)所有空間橢圓線的交點(diǎn)之后，將所有交點(diǎn)處參數(shù)按從小到大的順序進(jìn)行排序操作，從而獲得參數(shù)序列{t1，t2，t3，...}。則[0，t1]為第一條螺旋線的參數(shù)范圍，[t1，t2]為第二條螺旋線的參數(shù)范圍，以此類推。為判斷各段螺旋線是位于實(shí)體模型內(nèi)部還是外部，考察參數(shù)t=O時(shí)螺旋線的點(diǎn)是否位于實(shí)體模型內(nèi)部。如果該點(diǎn)位于實(shí)體模型內(nèi)部，則[O，t1]段螺旋線位于模型內(nèi)部，[t1，t2]段螺旋線位于模型外部，以此類推。當(dāng)t=0時(shí)螺旋線的點(diǎn)位于實(shí)體模型外部時(shí)，則與上述情況相反。

步驟4 計(jì)算結(jié)果的后置處理

為生成完整且合理的加工軌跡，還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的后置處理，主要包括以下兩部分內(nèi)容：

①各層掃描軌跡的過(guò)渡連接。上述計(jì)算過(guò)程只生成了各層圓柱面內(nèi)的螺旋線軌跡，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加工過(guò)程，各層螺旋線掃描軌跡之間還必須用直線軌跡進(jìn)行過(guò)渡。過(guò)渡軌跡從某層最一后條軌跡的終點(diǎn)開(kāi)始，到下一層第一條軌跡的起點(diǎn)結(jié)束；

②多余掃描軌跡的去除。所生成的掃描軌跡中可能有一些軌跡沒(méi)有任何熔覆加工，這些軌跡可以視為是多余的軌跡，應(yīng)該予以去除，并采用適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡軌跡過(guò)渡到下一個(gè)存在熔覆加工操作的軌跡的起點(diǎn)。

圖6 為一個(gè)計(jì)算實(shí)例，使用Solidworks軟件在半徑為100mm、高度為50ram的圓柱體外表面包覆5個(gè)高度為38ram英文字母(圖6左側(cè)部分)。使用上述分層算法對(duì)導(dǎo)出STL文件進(jìn)行分層計(jì)算，取分層圓柱面半徑為101mm，計(jì)算結(jié)果如圖6右側(cè)部分所示，其中實(shí)線是位于實(shí)體模型內(nèi)部的軌跡，虛線是位于實(shí)體模型外部的軌跡。

圖6 計(jì)算實(shí)例

3 以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件

以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工軟件系統(tǒng)主要由兩部分組成：即數(shù)據(jù)處理部分和加工控制部分。數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)上一節(jié)描述的圓柱面分層算法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分層計(jì)算，其輸入是由實(shí)體建模軟件(如Unigraphics、Solidworks等)導(dǎo)出的STL文件，輸出則是包含了各層掃描運(yùn)動(dòng)軌跡和激光器控制信息的數(shù)據(jù)文件。加工控制軟件主要用于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程所涉及的各項(xiàng)控制操作，包括加工設(shè)備各軸的運(yùn)動(dòng)控制、送粉器控制以及激光器光閘開(kāi)關(guān)操作等，控制操作的依據(jù)是數(shù)據(jù)處理軟件所生成的數(shù)據(jù)文件。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用MS VC++編制，并且使用OpenGL和Glut圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型及分層結(jié)果的三維顯示。

3.1 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件是分層算法的軟件實(shí)現(xiàn)。由于分層過(guò)程中需要用到不同類型的幾何元素，并且這些幾何元素之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，因此根據(jù)面向?qū)ο?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程原理，建立幾何元素的類層級(jí)結(jié)構(gòu)。如圖7所示，CGeometry類是所有圖形類的基類，它定義了所有圖形類共有屬性和接口。繼承于CGeometry類的CCurve類則是所有曲線類的基類，它定義了

圖7幾何元素類的層次結(jié)構(gòu)

曲線類的基本屬性和接口，如查詢?cè)撉€是否位于回轉(zhuǎn)體內(nèi)部，查詢某一參數(shù)處的坐標(biāo)位置等，以及該曲線的運(yùn)動(dòng)控制線等。直線類CLine3D、線段類CLineSegment3D和二次曲線類CConic都是繼承自曲線類CCunre，其中二次曲線類還派生出了圓類CCircle3D、空間橢圓線段類CConicSection和螺旋線類CSpiral等。除此之外，其它類還包括派生于CSurface類代表圓柱面的CCylinder類，派生于CGeometry類的代表STL模型中三角面片CFacet類等。

如圖8所示，數(shù)據(jù)處理軟件在讀入STL文件之后，生成模型特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后采用基于圓柱面的分層算法對(duì)STL模型進(jìn)行分層計(jì)算，計(jì)算結(jié)果是一個(gè)CCurve類指針鏈表，該鏈表通過(guò)序列化操作以文檔的形式保存起來(lái)。加工控制軟件通過(guò)打開(kāi)保存的文檔獲得曲線鏈表，然后根據(jù)這些曲線信息控制伺服電機(jī)及激光器光闡的操作。

圖8 軟件的整體結(jié)構(gòu)

3.2 加工過(guò)程控制軟件

在獲得分層計(jì)算結(jié)果之后，由加工過(guò)程控制軟件實(shí)現(xiàn)快速原型加工過(guò)程中各軸的運(yùn)動(dòng)控制和激光器光闡控制，此外還包括一些輔助操作功能，如工作臺(tái)移動(dòng)、激光器控制、工藝參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。采用研華公司的PCIl240運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中各軸的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)使用其輸入／輸出功能實(shí)現(xiàn)激光器電子光闡的開(kāi)關(guān)操作。為了降低系統(tǒng)模型與人機(jī)交互界面之間的耦合，提高軟件設(shè)計(jì)的靈活性，軟件系統(tǒng)采用MVC(即M0del-View·Controller)結(jié)構(gòu)(圖9)。整個(gè)軟件由模型、視圖和控制3部分組成，模型負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和操作邏輯；視圖用于模型數(shù)據(jù)的顯示以供用戶觀察，同時(shí)還可以接受用戶的輸入；控制部分的作用是將視圖的用戶輸入以系統(tǒng)模型可以接受的形式傳遞給系統(tǒng)模型。

圖9 加工軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)模型用于處理回轉(zhuǎn)類零件激光熔覆加工過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)和控制邏輯。系統(tǒng)控制的對(duì)象包括各軸伺服電機(jī)、激光器光闡、送粉器電機(jī)等。除此之外，為實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中非常重要的定時(shí)操作，模型還包含了3個(gè)軟件定時(shí)器，這些定時(shí)器均采用Windows多媒體定時(shí)器，分別用于用戶界面更新、激光器光闡開(kāi)關(guān)檢測(cè)、加工軌跡末尾檢測(cè)等工作。以激光器光闡開(kāi)關(guān)定時(shí)器為例，該定時(shí)器僅在進(jìn)行螺旋線加工時(shí)開(kāi)啟，為獲得較高的加工精度，通常設(shè)該定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間小于5ms。當(dāng)定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器通知系統(tǒng)模型執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。在處理函數(shù)中，讀取當(dāng)前加工位置，并與分層計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如果當(dāng)前位置位于模型的內(nèi)部則打開(kāi)激光器，否則關(guān)閉激光器電子光闡。

加工的操作邏輯，控制對(duì)象包括各軸電機(jī)、激光器光闡、送粉器電機(jī)及定時(shí)器的啟動(dòng)和停止等。操作邏輯是基于事件驅(qū)動(dòng)的在不同狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程，采用有限狀態(tài)機(jī)(Finite-State Machines)可以方便地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述。如圖10所示，系統(tǒng)共有5個(gè)狀態(tài)，即Empty(未打開(kāi)數(shù)據(jù)文件)、Ready(準(zhǔn)備就緒)、Moving(運(yùn)動(dòng))、Machinig(加工)、Pause(暫停)。系統(tǒng)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)觸發(fā)與該轉(zhuǎn)換相關(guān)的動(dòng)作，例如由就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換到加工狀態(tài)時(shí)將進(jìn)行以下操作：?jiǎn)?dòng)送粉器電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)當(dāng)前軌跡控制各軸電機(jī)進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)界面更新定時(shí)器和軌跡末尾檢測(cè)定時(shí)器等。采用狀態(tài)圖的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀清晰地反映出各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，極大地方便了軟件實(shí)現(xiàn)。輔助功能用于加工之前的準(zhǔn)備工作。工作臺(tái)移動(dòng)功能主要實(shí)現(xiàn)定位移動(dòng)、手工移動(dòng)、回零運(yùn)動(dòng)和坐標(biāo)設(shè)置等。定位移動(dòng)和手工移動(dòng)功能主要用于待加工工件的定位和調(diào)整。系統(tǒng)的使用者可能根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同采用不同的工藝參數(shù)，因此系統(tǒng)還必須提供工藝參數(shù)管理功能。工藝參數(shù)主要包括熔覆軌跡速度、非熔覆軌跡速度和送粉器旋轉(zhuǎn)角速度等。激光器控制主要實(shí)現(xiàn)激光器各種控制操作，如電子光闡、氣動(dòng)光闡、引導(dǎo)激光和保護(hù)氣體的開(kāi)關(guān)控制。系統(tǒng)設(shè)置功能主要用于設(shè)置各軸的脈沖當(dāng)量等功能，圖11為所編制的加工控制軟件的用戶界面。

圖10 加工過(guò)程的狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

圖11 加工控制軟件用戶界面

采用該軟件進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)，圖12為加工結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)在回轉(zhuǎn)表面加工了若干個(gè)漢字和英文字母。

圖12 加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1列出了該實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)論

以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工可以用于汽車(chē)、國(guó)防、航空、航天等多個(gè)領(lǐng)域，例如汽車(chē)輪胎模具的快速制造，汽車(chē)制動(dòng)轂內(nèi)表面花紋的快速制造，航天航空領(lǐng)域中大型金屬零件回轉(zhuǎn)表面的激光熔覆修復(fù)等。如果用于基于回轉(zhuǎn)表面的模具的快速制造，該技術(shù)可以大幅度提高模具加工制造效率，并可以具有很大的靈活性。此外，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間使用所造成的金屬零件回轉(zhuǎn)表面損傷問(wèn)題，應(yīng)用該技術(shù)可以延長(zhǎng)易損回轉(zhuǎn)表面的使用壽命。由于回轉(zhuǎn)軸參與金屬直接成型加工過(guò)程，因此分層算法及加工控制與常規(guī)快速原型加工具有較大的區(qū)別。本文采用基于圓柱面分層的方法研究了以回轉(zhuǎn)表面為基體的快速原型加工的STL模型分層算法，并在該分層算法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件及加工軟件。