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大型原型快速制造中的并行加工技术 |
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作者：清华大学 王峰 颜永年 闫旭日 |
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摘要：认为分层实体制造工艺（LOM）是目前较成熟的几种快速成形工艺中加工效率最高的一种， 最适合用于制造大型原型。提出了基于LOM工艺的分区并行加工的思想，即将加工平面分为 加工区域，并将被加工零件的数据进行分割，控制系统驱动多台扫描仪并行加工。对其 关键技术进行了分析。采用分区并行加 工技术可大幅度提高LOM工艺的成形效率。
关键词：快速原型制造；大型原型；分区并行加工；先进制造技术
快速原型技术经过近10年的发展，应用领域不断扩大，同时工业生产也对快速成形技 术提出了新的要求。如何获得大型原型是许多工业领域，如汽车制造领域的迫切需要。然而 目前的快速成形系统只能制造中小尺寸的原型，原型尺寸一般小于1 m×1 m×1 m。为适 应这一要求，需要采用新的设计思想，开发能够制造大型原型的快速制造系统。
快速成形采用离散堆积的工艺原理，将0.1 mm～0.2 mm的薄层堆积成具有一 定尺 寸的原型，对此如何提高加工效率一直是快速成形技术的一个重要课题，也是快速成形技术 走向 大型化的主要障碍，因此，采用何种快速成形工艺，采用怎样的设计思想成为设计大型原型 制造系统的首要问题。
1 典型快速成形工艺的加工效率比较
快速成形工艺采用离散堆积的工艺原理。根据其最小成形单位的不同，可以将其分 为不同 的成形方式：有的由点构成线，再由线构成面，最后由面堆积为体，其最小成形单位是点； 有的由线构成面，再由面构成体，其最小成形单位是线；有的直接成形一层，由层堆积为 三维实体，其最小成形单位是面。显然最小成形单位越大，成形效率越高。几种典型 的成形方式比较见表1。
几种典型工艺(SLS、SLA、MEM、FDM)加工效率的估算见表2。
注：1)SLS、SLA一层尺寸为100 mm×100 mm×0.1mm；LOM、FDM一层尺寸为200 mm×200 mm×0.1mm。
以上几种典型工艺的成形方式比较，以及成形时间的估算都证明分层实体制造工艺（ LOM）以面作为最小成形单位，具有最高的成形效率，最适合于制造大尺寸原型。
2 分区并行加工技术
在各种快速成形工艺中，分层实体制造工艺具有最高的加工效率，但现有的LOM工艺仍 存在2个问题：①成形一个1 m×1 m×1 m的原型需要16天，效率仍然太低；②实际需要的大型原型尺寸更大，如1 m×2 m×1 m，因此需要新的设计思想，进一步提高加工效率。
在LOM工艺中，加工一层所需的时间由2部分组成：一部分是扫描加工时间（轮廓加工＋ 网格填充＋边框加工，约占80%）；一部分是加工准备时间（走纸＋热压＋工作台调整）。基于此本文提出了分区并行加工设计思想，即将加工平面分割为加工区域，多 台扫描仪并行加工，这样就会大幅度提高快速成形的加工效率（见图1）。
图1 分区并行加工图示
将一个矩形加工区域分割为两个加工区域的加工时间估算见表3，若采用并行加工技术，加 工效率可提高约40％。
3 分区并行加工的关键技术分析
采用并行加工技术首先要解决两个问题：①如何将一个零件的几何数据进行分割;②2套扫描装置如何并行工作。
3．1 零件几何数据的分割
快速成形技术数据一般处理过程见图2a，分为5个阶段。
图2 快速成形技术中的数据处理过程
(1)CAD造型阶段 各种CAD造型软件均提供了实体的分割功能，但在分割的 边界处形成2个实体的新边界。这样在边界处将会重复扫描2次，而这本来是不应该加工的 。
(2)CAD实体模型表面三角形离散化生成STL文件 对STL文件无法进行分割。
(3)将STL文件分层生成CLI文件 由于下一步填充的需要，轮廓线必须是封 闭的多义线，为使 轮廓线封闭，在分割处需要增加2条原本不应有的线段，同样会在边界不应加工的地方增加 2条扫描线。
(4)对CLI文件进行填充得到填充后的CLI文件 可以对填充后的CLI文件进行 分割，因为此时已经没有轮廓线必须封闭的要求，在边界处可以保持原貌，因此对零件几何 数据的分割适合对填充后的CLI文件进行。
(5)将填充后的CLI文件转换为数控代码文件 对数控代码文件无法进行分割 ，而且在数控代码生成过程中同样难以对数据进行分割。
综上所述，对填充后的CLI文件进行分割，一方面可以保持分割边界处的原貌，另一方面具 有很好的适应性，可以对任何数据进行分割。分区并行加工技术的数据处理过程见图2b。 以上分析可归纳为表4所示。
表4 快速成形技术数据处理过程零件分割可行性分析
数据形式 能否分割 分割后边界处
能否保持原貌
CAD实体模型 能 否
STL文件 否 否
CLI文件 能 否
填充后CLI文件 能 能
NC代码文件 否 否
3.2 多套扫描装置并行工作的实现
多套扫描加工装置的并行工作是分区并行加工技术的又一关键问题。为解决此问题可以 采用分布式控制系统(见图3)。用2套控制器分别控制2套扫描装置，该控制器具有足 够的内存，并具有单独的CPU，可以自主独立地修理数控代码文件。这样在扫描加工时，工 控机向各控制器一次传输一层的加工代码，各控制器后台工作，2套扫描装置并行加工。
图3 双扫描装置分布式控制系统框图
4 小批量原型的一次同时加工
采用分区并行加工技术的大型原型制造系统，不仅可以制造大尺寸原型，而且可以采用零件 的排样技术一次同时加工多个尺寸较小的零件。一方面可以最大限度地提高原材料的利用率 ，另一方面可以提高快速成形系统的制造效率。其数据处理过程见图4。首先将经CAD造型 ，并将表面离散化的多个STL文件进行合理的排样，合并为一个STL文件；将该文件进行分层 填充操作得到填充后的CLI文件，将该CLI文件进行分割，并行加工
图4 小批量零件的一次同时加工
5 结论
(1)大型原型是许多快速成形技术应用领域新的重要要求，开发可以制造大型原型的快速原 型制造系统具有良好的市场前景。
(2)开发大型原型快速制造系统的主要困难是如何提高制造系统的加工效率，采用分层实体 制造工艺（LOM）及分区并行加工技术是大幅度提高加工效率的有效途径。
(3)分区并行加工技术的2个关键技术，即零件几何数据的分割与多套扫描装置的并行工作都 是可行的。
(4)采用并行加工技术不仅可以制造大型原型，而且可以一次同时加工多个零件，既可以提 高原材料的利用率，又可以提高加工效率。
(end)
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(5/19/2004) |
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