基于隨形技術(shù)的快速制模工藝優(yōu)化軟件研究

快速制模是一種基于快速成形(RP)技術(shù)快速模具制造方法。它可分為在RP系統(tǒng)上直接制模和利用RP原型件間接制模2種方法，間接制模可制作硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等。優(yōu)質(zhì)硅橡膠和環(huán)氧樹脂目前都是相當(dāng)昂貴的材料，在此提出了一種可以顯著降低間接制模材料消耗，并提高分層實(shí)體制造(LOM)加工原型件速度的優(yōu)化方法。

隨形技術(shù)思想

用LOM原型件制作硅橡膠軟模時，傳統(tǒng)的制模方法是將LOM原型件直接放在較為規(guī)則的型腔中，在這兩者的中間部分填充制模材料。對于外形不規(guī)則的原型件和薄殼原型件，采用這種制模方法會造成充型材料的極大浪費(fèi)。如果型腔是根據(jù)RP原型件的外圍形狀定制而成的，那么最終所用到的充型材料就會減少，充型成本將大幅度降低。由此提出一種思路:在使用RP設(shè)備加工RP原型件的同時，制造出一個與之相配套的型腔，空型腔與RP原型之間有著一定的間隙以便填充制模材料，對于薄殼件或者原型件中存在大孔洞的情況，則在制作LOM原型件的時候，在原型件空腔部分做一個縮小的隨形填充塊，填充塊不與原型件接觸，且有一定的間隙，在充型時將填充塊放入對應(yīng)的孔洞中。這樣充型材料將大幅度減少，可以節(jié)省昂貴的硅橡膠，并且由于添加的隨形外框與填充塊是與原型件作為一個整體在LOM設(shè)備上同時加工的，不僅不會增加額外的制造成本，反而會由于外框和填充塊不需要劃分網(wǎng)格，能顯著減少LOM中劃分網(wǎng)格的時間，提高了加工速度，并且減少了激光器的損耗。

將截面上的截面輪廓環(huán)做出適當(dāng)?shù)钠茫瑑?nèi)環(huán)內(nèi)偏，外環(huán)外偏并將偏置環(huán)添加到截面輪廓中，然后除去自交環(huán)從而得到隨形外框和隨形填充塊，是分層實(shí)體制造的一種隨形方法，這種方法可以全自動生成隨形外框，但若制件形狀稍微復(fù)雜一點(diǎn)，自動生成的隨形外框輪廓將非常復(fù)雜，影響加工速度，并且LOM原型件將非常難以取出來。因此采用一種交互式CAD技術(shù)設(shè)計隨形外框和填充塊的方法來解決這個問題。

隨形CAD軟件關(guān)鍵技術(shù)

HRPCAD是華中科技大學(xué)推出的HRP系列快速成形軟件中的隨形外框與填充塊設(shè)計專用軟件，它輸入STL實(shí)體模型，然后使用人機(jī)交互的方式針對這個模型的形狀選擇最優(yōu)的加工方向，然后再由操作人員根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗用鼠標(biāo)輸入最合適的隨形外框及填充塊的大致輪廓，再由計算機(jī)軟件自動將其擬合光順，并輸出整合外框與填充塊的最終STL模型。HRPCAD使用VisualC++平臺開發(fā)，3D圖形界面(包括三維模型顯示及點(diǎn)線面的拾取等操作)采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)，人機(jī)交互過程主要使用職責(zé)鏈模式和命令模式實(shí)現(xiàn)。

隨形外框生成

外框的生成過程是首先確定外框的各個參數(shù)(外框的拔模型斜度，倒角半徑等)，確定加工方向并進(jìn)行模型變換，然后輸入外框的形狀，最后進(jìn)行三角劃分生成外框模型。在定義一個外框的時候，首先確定原型的生長方向，即零件在LOM成形時的生長方向，然后在此方向上填充外框。HRPCAD采用的方法是首先在實(shí)體模型上選擇3點(diǎn)來確定一個平面，并以此平面的法向矢量作為生長方向。

為方便用戶定義隨形外框內(nèi)輪廓，HRPCAD首先使用容錯切片算法獲得實(shí)體模型的切片輪廓，并自動提取出其外圍輪廓，再使用激光光斑半徑補(bǔ)償算法對其進(jìn)行外偏置并光順化，從而獲得參考的隨形輪廓。用戶可在其基礎(chǔ)上通過拉動特征點(diǎn)的方式進(jìn)行修改，也可根據(jù)經(jīng)驗自行重新設(shè)計外框內(nèi)輪廓。再按照指定參數(shù)將該輪廓環(huán)向內(nèi)偏置一定的距離后形成下表面的內(nèi)輪廓環(huán)。最后將端面與側(cè)面進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分后就形成了隨形外框。

三角網(wǎng)格劃分

三角劃分的基本過程是首先判斷繪制的輪廓環(huán)的方向，如果是順時針就不變，否則將其變?yōu)轫槙r針，將外環(huán)與內(nèi)環(huán)距離最近的點(diǎn)K1和K2相連構(gòu)成雙向邊Edge(K1，K2)和Edge(K2，K1)使其成為一個外環(huán)，然后將這個外環(huán)進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分即可。

平面三角網(wǎng)格化的形成算法有多種，較好的一種是采用平面上的有界區(qū)域的Delaunay三角剖分法形成三角形網(wǎng)格。Delaunay三角剖分法算法能對凸域和凹域自動地進(jìn)行三角形網(wǎng)格化，具有三角形結(jié)果惟一、程序簡單和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，能有效地對給定的有界區(qū)域進(jìn)行三角形網(wǎng)格化。在實(shí)際應(yīng)用中，也可采用基于轉(zhuǎn)角法的三角形網(wǎng)格化算法:從輪廓上一點(diǎn)Ti出發(fā)，以前后2點(diǎn)Ti-1，Ti+1形成邊矢量TiTi+1及TiTi-1，計算并找到前后2條邊夾角小于180°的頂點(diǎn)，并將前、后2點(diǎn)與該點(diǎn)組成三角形，判斷是否∠PiPi-1Pi+1≥PiPi-1Pi-2或∠Pi-1Pi+1Pi≥Pi+2Pi+1Pi，若不是，則輸出三角形并刪掉該頂點(diǎn)，再找到下一個滿足前后2條邊夾角小于180°的頂點(diǎn);若是，則節(jié)點(diǎn)下移。重復(fù)上述過程，直到頂點(diǎn)處理完畢。

由于隨形外框的內(nèi)側(cè)面需要有一定的斜度，上表面的內(nèi)輪廓環(huán)與下表面的輪廓環(huán)有一定的偏移值，這2個輪廓環(huán)雖然很相似，但上下表面中的內(nèi)環(huán)上點(diǎn)的個數(shù)不一樣多，所以不能直接把對應(yīng)的點(diǎn)用三角形連接起來。HRPCAD采用最短對角線法來三角化側(cè)面，首先選擇上輪廓環(huán)上具有最大夾角的點(diǎn)作為連接起點(diǎn)，并在下輪廓環(huán)找到與該點(diǎn)最近的點(diǎn)作為起始邊，然后按照三角形最短的法則找到下一個點(diǎn)將它們組成三角形。

自定義填充塊生成

隨形填充塊主要是填充原型件中有孔洞的地方，所以要求生成LOM原型件后填充塊能很容易取出來，而且要盡可能地節(jié)省硅橡膠，以上2條是相互制約的。要容易取出，則需隨形的填充塊要盡量外大內(nèi)小，生成的塊盡量簡單。要盡可能地省硅橡膠，則生成的自定義體盡量靠近零件并與零件空腔形狀一致。在一般的CAD軟件中有旋轉(zhuǎn)和放樣造型的功能，旋轉(zhuǎn)方法生成的填充塊不一定能滿足有些斜孔的情況，放樣的方法生成的填充塊不能保證外大內(nèi)小。HRPCAD系統(tǒng)結(jié)合這2種造型方法來生成填充塊，用戶需使用交互式的方法確定填充塊的基平面，主輪廓環(huán)、母線和中心軸線等信息，然后由軟件進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分生成填充塊模型。

對如圖a所示不規(guī)則模型，使用HRPCAD軟件可在5min內(nèi)設(shè)計出如圖b所示的隨形外框和自定義填充塊，然后就可生成STL模型文件交付給HRP系統(tǒng)軟件進(jìn)行加工。

(a)不規(guī)則的STL模型 (b)隨形外?？蚺c填充塊
圖 HRP-CAD示例

結(jié)束語

使用該優(yōu)化技術(shù)不僅大幅度降低了昂貴的硅橡膠的消耗，并且由于隨形外框和自定義填充塊減少了LOM網(wǎng)格的劃分，實(shí)際加工速度可以提高10%左右，此外它簡化了LOM廢料的剝離工作，隨形外框和填充塊可以很方便地一次性取出，如圖1a所示的模型按照常規(guī)方式加工，廢料一般需要2h才能完成剝離工作，而采用本軟件優(yōu)化制造后，剝離時間可縮短在1h以內(nèi)。