机器人增材制造曲面分层与中轴路径规划算法研究

发布时间：2020-10-09 06:32

　　增材制造技术是将材料逐层熔敷累加来制造实体零件的一种近净成形制造技术。增材制造的基本思想是对三维物体进行分层制造,在增材制造过程中,使用传统的平面分层在堆敷曲率较大的零件时,会出现表面阶梯效应大、层数多、堆敷效率低、起弧点和熄弧点多,成形质量不好等问题。采用曲面分层可以显著改善这些问题。曲面分层与平面分层相比,具有表面成形好、堆敷层数少、堆敷效率高等优势。但曲面分层算法相比平面分层算法也更复杂,存在很多问题,如曲面的表达,曲面如何沿着法向平移,平移后可能出现曲面自相交,或曲面不连续等情况。本文针对STL模型提出了一种基于平移控制点思想的曲面分层算法,较好的解决了上述问题,最终实现了曲面分层。首先研究了曲面分层算法,提出了曲面的延展、曲面平移、空间大量三角片快速求交等算法。并使用上述算法,基于MFC与OpenGL开源图形库API,开发了具有曲面分层、路径规划、机器人加工文件生成等功能的增材制造软件。分析了中轴路径的优势,进一步研究了两种中轴求解算法:适用于凸多边形的精准解析算法,适用于凹多边形或者其它复杂图形的数值解算法,并开发了相关中轴路径规划软件。通过正交试验的方法,研究不同的参数包括熔覆电流,熔覆电压,熔覆速度,熔覆曲率对于实际曲线熔覆道成形形貌的影响。研究发现影响曲线熔覆效果的因素主次顺序为:熔覆电压熔覆电流熔覆速度。考察这四种因素在各自的三种水平上的变化得出成形质量最佳的的条件为:选择熔覆电流为150A,熔覆电压为22V,熔覆速度为6mm的实验条件,这种情况下曲线熔覆的成形质量最好。最后利用上述的曲面分层软件及机器人增材制造系统,选择扇形结构件作为堆敷对象,验证了相关算法及软件的适用性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242;TH16
【部分图文】：

示意图,平面分层,示意图,表面成形

哈尔滨工业大学硕士学位论文一方面，传统的路径规划方法多采用平行路径、等距偏置路径等法成熟、编程简单、易于实现，但其表面成形差。等距偏置路径线向模型内部偏移一定距离得到的，其表面成形较好，但轮廓中。对于如图 1-3 所示，有中空的、不规则形状的、有凹陷的多边形貌，采用平行路径和等距偏置路径规划方法效果不理想。需要径规划方法解决这一问题。中轴路径是从切片轮廓的中心向外部偏移形成的路径，具有中心表面阶梯效应少的优点，是一个很好的选择。

平面分层,曲面,表面成形,成形质量

路径算法成熟、编程简单、易于实现，但其表面成形差。等距偏置路径是从切片轮廓线向模型内部偏移一定距离得到的，其表面成形较好，但轮廓中心成形质量差。对于如图 1-3 所示，有中空的、不规则形状的、有凹陷的多边形等复杂分层形貌，采用平行路径和等距偏置路径规划方法效果不理想。需要开发专门的路径规划方法解决这一问题。而中轴路径是从切片轮廓的中心向外部偏移形成的路径，具有中心成形质量好，表面阶梯效应少的优点，是一个很好的选择。图 1-1 平面分层示意图[1]

平面分层,复杂图形,曲面

中空的、不规则形状的、有凹陷的复杂图形

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