基于體積偏差的焊接熔敷成形分層方向的優化

殷鳳良，朱 勝，柳 建，梁媛媛，趙立志

(1.裝甲兵工程學院裝備再制造工程系，北京100072;2.沈陽遠大環境工程有限公司，遼寧沈陽110161)

焊接熔敷成形分層方向一般是指分層過程中分層切平面的法線方向，也即決定了隨后的成形方向。分層方向的選擇是快速成形中過程規劃的一個重要步驟。針對各種不同的快速成形方法，分層方向影響快速成形的成形精度、支撐結構的使用、成形時間、成形成本等。在業已商業應用的快速成形軟件中，分層方向一般是使用者根據經驗來確定;但對于形狀復雜的零件來說，僅憑經驗難以確定最佳分層方向。筆者在基于模型分解的分層算法基礎上，從進一步提高成形尺寸精度方面考慮，根據分層方向對熔敷成形零件與零件CAD模型之間的體積偏差大小的影響，在UG(Unigraphics)環境下開發了一種分層方向優化選擇算法。

1 研究進展

分層方向的優化選擇一直是快速成形領域的一個研究熱點，國內外研究者也進行了大量的研究工作。分層方法根據實施對象的不同一般分為對STL(Stereo Lithography)三角面片的間接分層與對STEP等數據格式或造型軟件環境下的直接分層。目前，大多數分層方向的優化都是針對間接分層算法展開的。例如:Thompson［1］試驗驗證了成形方向(也即分層方向)對給定載荷方向下成形件的強度、成形表面質量、成形時間等都有一定影響;Hur等人［2］通過綜合考慮光固化成形過程中的成形精度、成形時間和支持結構的使用量等因素來優化成形方向，成形精度通過計算某一截面中的“臺階”面積大小來確定，最短的成形時間對應于使分層層數最少的分層方向，而所需支撐結構的數量由成形零件模型在成形方向上的投影面積來反映;Ahn等人［3］研究了成形后所需的后加工量與成形方向之間的關系，并據此來優化成形方向;Hu等人［4］研究了熔敷/銑削混合成形系統中的成形方向優化問題，將加工工具的可達性、熔敷/銑削時間、支撐結構等加權處理為最終的成形成本，對給定待選的幾個成形方向，選擇成本最少的成形方向為最優成形方向。對于任意一種快速成形工藝，零件最終成形后，其體積與CAD模型體積之間必定存在一定的偏差，偏差的大小反映了成形精度的高低。Rattanawong等人［5］計算了圓錐零件的理論成形體積與零件CAD模型體積之間的偏差，并以此選擇成形方向，體積偏差相比較于“臺階”面積能更好地反映出成形精度，但其僅給出了圓錐等規則形狀零件體積偏差的計算方法，還不能求解任意形狀零件的體積偏差。國內學者開展了遺傳算法在分層方向優化選擇中的應用研究［6-9］。

2 體積偏差的產生

焊接熔敷成形的主要問題在于其成形精度不高，因此在影響分層方向選擇的因素中，筆者主要從提高成形精度的角度來優化分層方向。用焊接熔敷成形零件與零件CAD模型之間的體積偏差(以下簡稱體積偏差)來表示成形精度。此體積偏差的產生是由焊接熔敷成形工藝特點決定的，焊接熔敷成形首先對零件的CAD模型分層處理，然后在得到的二維層片輪廓上進行焊槍行走路徑規劃，逐道熔敷成形出零件。造成此體積偏差的因素主要有2個:一是由于路徑規劃方式造成的二維輪廓內的“臺階”效應;二是由于分層切片時在分層方向高度上的“臺階”效應。例如:對一個圓錐體分層切片、路徑規劃、熔敷成形后，成形體與CAD模型間存在如圖1中所示的體積偏差。由圖1可知:在分層方向相同時，由于路徑填充方式的不同，得到的體積偏差也不相同，而分層方向主要影響到分層高度方向上的“臺階”造成的體積偏差。當成形表面法線方向不與分層方向相同或垂直時，熔敷成形時就會產生分層高度方向上的“臺階”，也就造成了體積偏差。

體積偏差的大小反映出了成形精度的高低，體積偏差越小表明成形精度越高，反之，成形精度越低。

3 體積偏差計算

為了反映分層方向對體積偏差的影響，需要計算不同分層方向下的體積偏差。由于分層方向主要影響分層切片時產生的臺階造成的體積偏差，因此只需計算此體積偏差。計算體積偏差的關鍵在于確定熔敷成形層的體積，這需要將實際熔敷成形層理想化地處理為CAD環境下的幾何模型，其方法是將熔敷成形層等同于分層切片得到的截面沿分層方向作分層高度的拉伸形成的拉伸體，而這忽略了路徑規劃方式對體積偏差的影響。在一個分層高度內，拉伸體與相對應的CAD模型切片層作求差布爾操作，所得部分即是一個分層高度內的體積偏差。

用UG的OPEN GRIP二次開發工具實現下面的算法即可得到體積偏差。

輸入:分層方向buildorien(3)，分層高度layht

輸出:體積偏差值voludiff

$$ 生成切平面組pl(i)

pl(i)=PLANE/PARLEL，plstart，THRU，pts(i)

$$ 對CAD模型分層切片，得到二維輪廓線組seggr(i)

seggr(i)=SECT/soobj，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 生成熔敷成形層塊體

lavolume(i)=SOLEXT/seggr(i，1..num)，HEIGHT，layht，AXIS，buildorien(1)，buildorien(2)，buildorien(3)

$$ 切割CAD模型，求得標準CAD模型塊體

splvolume(i)=SPLIT/soobj2，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 熔敷成形層塊體與標準CAD模型塊體求差，獲得體積偏差

subvolume=SUBTRA/lavolume(i)，WITH，splvolume(i+1)，CNT，c

$$ 求體積偏差數值

ANLSIS/SOLID，TOLER，0.001，subvolume，GCM，retrn(1..42)

voludiff=retrn(2)

4 分層方向的選擇

為減少支撐結構的使用，筆者提出了一種基于特征的模型分解方法［10］。即:將零件模型分解為不同的特征體，每個特征體可以選擇不同的分層方向。從成形精度方面來考慮，不同特征體的最佳分層方向應具有最小的體積偏差。以文獻［10］中的一個分解后特征體(圖2所示)為例，根據如前所述的體積偏差計算方法，計算該特征體在初始熔敷成形面確定的情況下不同分層方向得到的體積偏差。圖3為該特征體分別沿2個不同分層方向得到的體積偏差，表1是沿不同方向分層后得到的體積偏差。對于給定的 5個分層方向，沿方向［-0.902 6，0.422 6，0］分層并熔敷成形后得到的體積偏差最小，為0.32 cm3，也就是說沿此方向成形時的成形精度最高。因此，從成形精度角度來考慮，應當選擇此方向作為分層、熔敷成形方向。

圖2 待分層的分解后的特征體

圖3 不同分層方向下的體積偏差

表1 沿不同方向分層時得到的體積偏差

［1］ Thompson D C.The Optimization of Part Orientation for Solid Freeform Manufacture［D］.Austin:The University of Texas，1995.

［2］ Hur J，Lee K.The Development of A CAD Environment to Determine The Preferred Build-up Direction for Layered Manufacturing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1998，14:247-254.

［3］ Ahn D，Kim H，Lee S.Fabrication Direction Optimization to Minimize Post-machining in Layered Manufacturing［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007，47:593-606.

［4］ Hu Z，Lee K，Hur J.Determination of Optimal Build Orientation for Hybrid Rapid-prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，130-131:378-383.

［5］ Rattanawong W，Masood S H，Iovenitti P.A Volumetric Approach to Part-build Orientations in Rapid Prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，119:248-353.

［6］ 彭安華，張劍峰，王其兵.基于層次分析法的快速成型技術中分層方向決策［J］.工程設計學報，2008，15(2):124-127.

［7］ 朱麗，侯麗雅，董濤.疊層制造中基于混合遺傳算法的分層方向優化［J］.中國機械工程，2003，14(19):1642-1645.

［8］ 張立強，羅逸葦，王斌修.基于遺傳算法的RP分層方向優化設計［J］.電加工與模具，2003(6):35-38.

［9］ 張立強，向道輝，陳明，等.基于遺傳算法的快速成型分層方向優化設計［J］.南京航天航空大學學報，2005，37(增11):134-136.

［10］ 朱勝，殷鳳良，王啟偉，等.基于模型分解的機器人GMAW焊接熔敷成形方法研究［J］.機械，2011，38(12):54-58.