基于随形技术的快速制模工艺优化软件研究

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引言

    快速制模是一种基于快速成形(RP)技术快速模具制造方法。它可分为在RP系统上直接制模和利用RP原型件间接制模2种方法，间接制模可制作硅橡胶模、环氧树脂模等。优质硅橡胶和环氧树脂目前都是相当昂贵的材料，在此提出了一种可以显著降低间接制模材料消耗，并提高分层实体制造(LOM)加工原型件速度的优化方法。

    随形技术思想

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    用LOM原型件制作硅橡胶软模时，传统的制模方法是将LOM原型件直接放在较为规则的型腔中，在这两者的中间部分填充制模材料。对于外形不规则的原型件和薄壳原型件，采用这种制模方法会造成充型材料的极大浪费。如果型腔是根据RP原型件的外围形状定制而成的，那么最终所用到的充型材料就会减少，充型成本将大幅度降低。由此提出一种思路:在使用RP设备加工RP原型件的同时，制造出一个与之相配套的型腔，空型腔与RP原型之间有着一定的间隙以便填充制模材料，对于薄壳件或者原型件中存在大孔洞的情况，则在制作LOM原型件的时候，在原型件空腔部分做一个缩小的随形填充块，填充块不与原型件接触，且有一定的间隙，在充型时将填充块放入对应的孔洞中。这样充型材料将大幅度减少，可以节省昂贵的硅橡胶，并且由于添加的随形外框与填充块是与原型件作为一个整体在LOM设备上同时加工的，不仅不会增加额外的制造成本，反而会由于外框和填充块不需要划分网格，能显著减少LOM中划分网格的时间，提高了加工速度，并且减少了激光器的损耗。

    将截面上的截面轮廓环做出适当的偏置，内环内偏，外环外偏并将偏置环添加到截面轮廓中，然后除去自交环从而得到随形外框和随形填充块，是分层实体制造的一种随形方法，这种方法可以全自动生成随形外框，但若制件形状稍微复杂一点，自动生成的随形外框轮廓将非常复杂，影响加工速度，并且LOM原型件将非常难以取出来。因此采用一种交互式CAD技术设计随形外框和填充块的方法来解决这个问题。

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    随形CAD软件关键技术

    HRPCAD是华中科技大学推出的HRP系列快速成形软件中的随形外框与填充块设计专用软件，它输入STL实体模型，然后使用人机交互的方式针对这个模型的形状选择最优的加工方向，然后再由操作人员根据自己的知识和经验用鼠标输入最合适的随形外框及填充块的大致轮廓，再由计算机软件自动将其拟合光顺，并输出整合外框与填充块的最终STL模型。HRPCAD使用VisualC++平台开发，3D图形界面(包括三维模型显示及点线面的拾取等操作)采用OpenGL技术实现，人机交互过程主要使用职责链模式和命令模式实现。

    随形外框生成

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    外框的生成过程是首先确定外框的各个参数(外框的拔模型斜度，倒角半径等)，确定加工方向并进行模型变换，然后输入外框的形状，最后进行三角划分生成外框模型。在定义一个外框的时候，首先确定原型的生长方向，即零件在LOM成形时的生长方向，然后在此方向上填充外框。HRPCAD采用的方法是首先在实体模型上选择3点来确定一个平面，并以此平面的法向矢量作为生长方向。

    为方便用户定义随形外框内轮廓，HRPCAD首先使用容错切片算法获得实体模型的切片轮廓，并自动提取出其外围轮廓，再使用激光光斑半径补偿算法对其进行外偏置并光顺化，从而获得参考的随形轮廓。用户可在其基础上通过拉动特征点的方式进行修改，也可根据经验自行重新设计外框内轮廓。再按照指定参数将该轮廓环向内偏置一定的距离后形成下表面的内轮廓环。最后将端面与侧面进行三角网格划分后就形成了随形外框。

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    三角网格划分

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    三角划分的基本过程是首先判断绘制的轮廓环的方向，如果是顺时针就不变，否则将其变为顺时针，将外环与内环距离最近的点K1和K2相连构成双向边Edge(K1，K2)和Edge(K2，K1)使其成为一个外环，然后将这个外环进行三角网格划分即可。

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    平面三角网格化的形成算法有多种，较好的一种是采用平面上的有界区域的Delaunay三角剖分法形成三角形网格。Delaunay三角剖分法算法能对凸域和凹域自动地进行三角形网格化，具有三角形结果惟一、程序简单和运行稳定可靠的优点，能有效地对给定的有界区域进行三角形网格化。在实际应用中，也可采用基于转角法的三角形网格化算法:从轮廓上一点Ti出发，以前后2点Ti-1，Ti+1形成边矢量TiTi+1及TiTi-1，计算并找到前后2条边夹角小于180°的顶点，并将前、后2点与该点组成三角形，判断是否∠PiPi-1Pi+1≥PiPi-1Pi-2或∠Pi-1Pi+1Pi≥Pi+2Pi+1Pi，若不是，则输出三角形并删掉该顶点，再找到下一个满足前后2条边夹角小于180°的顶点;若是，则节点下移。重复上述过程，直到顶点处理完毕。

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    由于随形外框的内侧面需要有一定的斜度，上表面的内轮廓环与下表面的轮廓环有一定的偏移值，这2个轮廓环虽然很相似，但上下表面中的内环上点的个数不一样多，所以不能直接把对应的点用三角形连接起来。HRPCAD采用最短对角线法来三角化侧面，首先选择上轮廓环上具有最大夹角的点作为连接起点，并在下轮廓环找到与该点最近的点作为起始边，然后按照三角形最短的法则找到下一个点将它们组成三角形。

    自定义填充块生成

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    随形填充块主要是填充原型件中有孔洞的地方，所以要求生成LOM原型件后填充块能很容易取出来，而且要尽可能地节省硅橡胶，以上2条是相互制约的。要容易取出，则需随形的填充块要尽量外大内小，生成的块尽量简单。要尽可能地省硅橡胶，则生成的自定义体尽量靠近零件并与零件空腔形状一致。在一般的CAD软件中有旋转和放样造型的功能，旋转方法生成的填充块不一定能满足有些斜孔的情况，放样的方法生成的填充块不能保证外大内小。HRPCAD系统结合这2种造型方法来生成填充块，用户需使用交互式的方法确定填充块的基平面，主轮廓环、母线和中心轴线等信息，然后由软件进行三角网格划分生成填充块模型。

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    对如图a所示不规则模型，使用HRPCAD软件可在5min内设计出如图b所示的随形外框和自定义填充块，然后就可生成STL模型文件交付给HRP系统软件进行加工。

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(a)不规则的STL模型 (b)随形外模框与填充块
图  HRP-CAD示例

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    结束语

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    使用该优化技术不仅大幅度降低了昂贵的硅橡胶的消耗，并且由于随形外框和自定义填充块减少了LOM网格的划分，实际加工速度可以提高10%左右，此外它简化了LOM废料的剥离工作，随形外框和填充块可以很方便地一次性取出，如图1a所示的模型按照常规方式加工，废料一般需要2h才能完成剥离工作，而采用本软件优化制造后，剥离时间可缩短在1h以内。

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