多自由度激光堆积成型零件的中心轴线搜寻算法研究

作     者：胡立华 

作者单位：福建农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈学永

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光 金属零件 无支撑 中心轴线 算法 

摘      要：传统激光堆积制造金属零件中经常需要搭建支撑实现金属零件的堆积制造,然而支撑结构存在去除困难、浪费材料及辅助加工时间长等问题。为此课题组开展了基于多自由度无支撑激光堆积制造金属零件系统研究。零件中心轴线是无支撑激光堆积制造金属零件过程中堆积方向及堆积层厚度分割确定的依据。零件中心轴线的提取是多自由度无支撑激光堆积制造金属零件系统中的一个组成部分,本文研究的目的在于获得金属零件中心轴线的算法。本文通过对金属零件几何特点的分析,采用化整为零的方法对零件进行分类讨论。一般情况下金属零件的中心轴线都不是一条简单的线条,金属零件中心轴线跟人体骨架一样,由多条线构成。因此研究过程中对金属零件进行分块,对各个块进行中心轴线搜寻,然后组合形成零件的中心轴线。金属零件中心轴线的算法都是依据零件的几何特性来实现的。首先,依据金属零件外表面的几何特性,将零件分为凸缘、悬臂类和弯曲类。金属零件中心轴线算法使用的外表面数据来源于STL文件。金属零件分块按照零件类型进行。凸缘、悬臂类零件分块的方式是:沿搜寻方向通过比较上下分割面的交集情况,确定被保留部分从而形成块;弯曲类零件分块的方式是:沿搜寻方向,得到零件外轮廓面上的最易掉落线,沿最易掉落线取点比较相连点之间法线夹角确定分块位置。通过分块的方法分别得到凸缘、悬臂类零件的分块算法和弯曲类零件的分块算法。其次,确定中心轴线形成所使用的几何中心点。分割面几何中心点的类型有很多种,通过比较各种几何中心点在截面中的作用,结合中心轴线在无支撑激光堆积制造系统中的作用,同时依据零件的特点确定几何中心点。对于一般的金属零件选择重心即分割面形心作为中心轴线形成的点。对于棱角明显的金属零件采用最小包含圆圆心形成零件中心轴线。计算分割面形心及最小包含圆都有好几种方式,根据对几何中心点的精度要求及算法实现的难点,确定形心算法及最小包含圆算法。再次,研究块中心轴线的拟合方式。金属零件包含的所有块的中心轴线组合构成整个金属零件的中心轴线。根据凸缘、悬臂类金属零件中心轴线在无支撑激光堆积制造过程中的作用,确定块的中心轴线由直线段构成。按照搜寻过程中分割面封闭区域的个数确定块的中心轴线条数,直线段的起始位置为封闭区域开始的几何中心点,到该封闭区域结束为终点。按中心轴线形成过程得到凸缘、悬臂类零件中心轴线的拟合算法。同样根据弯曲类金属零件中心轴线在无支撑激光堆积制造过程中的作用,块的中心轴线由各个中心轴线分割面几何中心点连接形成。中心轴线分割面根据相连分割面几何中心点的切向变化。依据分割面封闭区域的个数确定中心轴线的条数。按弯曲类零件中心轴线形成方式得到中心轴线拟合算法。最后,根据分块算法、几何中心点算法和中心轴线拟合算法对金属零件模型进行计算。采用典型的金属零件模型分别求出它们的中心轴线。通过计算所得的中心轴线与它们的理想中心轴线进行对比。对比的数据结果表明按照算法计算所得到的中心轴线与理想中心轴线的吻合程度高,误差在允许的范围内,从而验证算法的准确性。金属零件中心轴线的算法由零件分块算法、几何中心点算法和中心轴线连接算法组合而成。算法通过对零件模型的计算得到验证。金属零件中心轴线的提取,为实现无支撑激光直接制造金属零件系统的开发提供基础。