激光快速成型軟件系統開發的關鍵技術

陳光霞

CHEN Guang-xia

(江漢大學 機電與建筑工程學院 工業設計系，武漢 430056)

0 引言

激光快速成型技術是近年來新出現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約新產品的開發時間70%以上，使產品投放市場時間節省90%左右[1]。所以可以極大地提高企業的市場競爭力，具有較廣闊的應用前景。

激光快速成型系統主要由軟件系統與硬件系統組成。而軟件系統的優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，在快速成型系統中起著至關重要的作用，是激光快速成型系統的核心技術之一。

本文對激光快速成型軟件系統開發過程中的關鍵技術進行了詳細論述。

1 軟件系統的功能模塊

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

根據軟件系統功能需求，激光快速成型軟件系統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 軟件開發中的關鍵技術

2.1 軟件數據結構的建立

圖1 系統功能模塊示意圖

本文主要以二進制STL文件為研究對象，根據二進制STL文件的格式規定，要實現二進制STL文件的讀取，應建立以下數據結構：

1）點的數據結構如下：

struct Tripoint3d{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

2）Normal向量的數據結構如下：

struct TriNormal{

f

l oat x;

f

l oat y;

f

l oat z;};

3）三角形的數據結構如下：

struct Triple{

Tripoint3d pt1;

Tripoint3d pt2;

Tripoint3d pt3;

TriNormal normal;};

4）直線的數據結構如下：

struct Line{

Tripoint3d spt;

Tripoint3d ept;

TriNormal normal;

BOOL fl ag;};

5）其他一些重要的數據結構：

typedef struct linelist{//直線的單向鏈表

Line line;

struct linelist *next;}LineList;

struct contour{//環的數據結構

LineList contourline;

int SliceID;//切片層數，即是第幾層切片

BOOL fl ag;//環使用標志};

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編程環境所需的庫函數及頭文件，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，FacetsArray， 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，當第一條線段的起點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

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，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）獲取需掃描填充區域的最小包圍盒，并根據激光掃描工藝參數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）統計交點數，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）當交點數為奇數時，則應根據情況進行具體分析：

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

在自行開發了一個用于金屬零件激光快速成型加工的軟件系統的基礎上，詳細論述了軟件系統開發中的主要關鍵技術，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.