面向快速成形的三维CAD模型直接分层方法研究

【摘要】： 三维CAD模型直接分层能够避免CAD系统和快速成形系统之间的数据格式转换及由此引起的模型数据精度损失,为快速成形系统提供更精确的层片扫描加工数据,提高成形加工质量。 针对三维模型适应性分层时考虑包含问题使层厚计算模型复杂,分层效率不高的问题,研究了基于三维模型表面Z向特征曲线的适应性分层方法。该方法将模型表面的三维复杂特征转换为分段的二维Z向特征曲线,分层时暂不考虑包含关系,将层厚计算模型简化为5种情形。根据这5种情形的层厚计算公式推导出Z向特征曲线几何特征到适应性层厚的直接映射关系。结果表明,该适应性分层方法能够避免大量冗余计算,提高了分层效率。 针对台阶效应对成形件表面质量的影响,研究了成形件与CAD模型间各种包含关系及其实现方法。根据CAD模型中相邻截面并集或交集面域边界进行轮廓扫描实现层片尖顶正偏差或负偏差分布;补偿层片间的体积偏差实现层片尖顶正负偏差值相等的混合偏差分布。在此基础上,研究了基于内点旋转极径的三维模型相邻截面轮廓混合方法,该方法对内点旋转极径与相邻截面投影后的轮廓边界交于两点的三维模型有效;研究了基于相邻截面投影轮廓边界并联成员的轮廓混合方法,该方法对三维模型表面性质无任何要求。这两种方法在偏差控制因子的作用下,能够实现层片尖顶偏差任意分布形式。 针对实际成形件无法与CAD模型直接对比,研究了基于数据处理结果的成形件形状仿真方法。该方法以层片为单位,按成形件中层片的加工次序和相对位置逐层生成各层片的数字模型,将所有层片模型叠加生成成形件的数字模型。该方法构造的成形件模型由数据处理结果唯一确定,其形状和尺寸不受设备传动误差、数控代码圆整误差等因素的影响,能够突出数据处理方案对成形质量的影响,可用于评价和改进快速成形数据处理方案。 针对CAD系统和快速成形系统间采用转换文件造成模型数据精度损失,且使系统集成度降低的问题,研究了CAD系统和快速成形系统直接集成相关技术。建立了实时模式下CAD系统和快速成形系统直接集成的逻辑结构,开发了基于CAD系统的快速成形数据处理和运动控制模块,实现了两者的直接集成。研究了层片扫描轮廓中高次曲线段用微直线段拟合的方法,获得了驱动成形设备工作的运动数据;研究了层片扫描轮廓离散偏差的法向补偿方法,提高了层片的实际折线扫描路径对理论扫描路径的拟合精度。 该论文有图51幅,表5个,参考文献156篇。