电弧增材制造分层算法与路径规划方法研究

发布时间：2020-08-16 21:37

【摘要】：电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术是金属增材制造技术的重要分支之一,由于其高度灵活性、高生产效率的特点,得到了广泛的关注。电弧增材制造基于焊接工艺,按照设定路径将金属丝材层层熔化,直至形成完整构件;由于焊接的工艺特殊性,现有的增材制造数据处理方法不能完全满足电弧增材制造的应用需要,因此结合焊接工艺特点,开发相应的数据处理方法是十分迫切的。本文围绕基于焊接技术的电弧增材制造过程,对其分层算法和路径规划方法进行了分析和改进,并实现了完整的应用程序;主要完成的工作如下:(1)针对STL文件数据冗余以及缺乏拓扑信息等问题,实现了基于哈希查找的拓扑重构算法;该算法通过选取合适的哈希函数,达到快速滤除冗余顶点、重构拓扑结构的目的;通过实例验证,证明了本文选择的哈希函数性能良好,算法效率优于其他现有算法。(2)针对现有分层算法效率低下的问题,实现了一种改进的分层处理算法;该算法预先利用上述方法建立整体拓扑结构,然后通过建立分层关系矩阵减少分层计算的搜索范围,有效降低了STL模型分层耗时。同时,该算法可以在分层过程中自动识别内外轮廓,直接获得有向轮廓线,简化了后续的数据处理。通过实例验证,证明本文算法能够正确生成截面轮廓,并且有效提高了分层效率。与其他算法相比,本文算法具有更小的时间代价,尤其是对于较复杂的STL模型,本文算法优势更加明显。(3)结合焊接工艺的特点,实现了一种结合轮廓偏置路径和锯齿形路径的自动分区复合填充路径生成算法;该算法以轮廓偏置路径填充内外轮廓附近区域,以锯齿形路径填充内部区域,并对复杂形状截面的锯齿形路径生成方法进行深入研究,实现了自动分区填充,最大程度上减少了起弧、停弧的次数,最终输出为CLI文件。通过实例验证,证明该算法正确可行。(4)结合以上算法,在Visual C++开发环境下,利用Open GL三维图形库,实现了面向电弧增材制造的数据处理软件,并通过应用实例介绍了该软件的处理流程。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661
【图文】：

类分形,扫描路径,美国,锯齿形

图 1-3 类分形扫描路径 Methodist 大学的 Dwivedi 等人[30]设计了一种连方法将复杂截面多边形剖分为多个单调多边形闭合的锯齿形路径，最后将一组封闭的锯齿形路一条连续路径。这种方法实现了单层截面的一次数，但不能保证表面成形精度。

路径图,锯齿形,路径,偏置

-6-图 1-4 连续路径（锯齿形路径）longong 大学的 Ding 等人[31]提出了另一种生成种方法充分利用了 Zigzag 路径、轮廓偏置路填充图形分解为一组凸多边形，然后对于每用锯齿形路径和轮廓偏置路径结合的策略生连接形成闭合曲线。这种方法实现简单，减少表面成形精度，实验表明这种方法非常适合

模型图,模型,算法,轮廓线

-27-c) 轮廓线 d) 分层结果图 3-7 Beethoven 模型分层示意根据以上结果可见，本文算法能够正确划分三角形，生成完整的轮廓线，验证了本文算法的正确性。选取图 3-8 所示的四个模型作为测试实例，各模型三角形个数分别为 622611244、45486、104270。在不同的分层厚度下，分别采用基于拓扑关系的分层算法（算法 1）、基于三角形分组的分层算法（算法 2）和本文提出的算法对各个模型进行分层处理，其中算法 1 采用本文第二章介绍的方法建立拓扑结构，所需时间对比如图 3-9。

【参考文献】