基于体积偏差的焊接熔敷成形分层方向的优化

殷凤良，朱 胜，柳 建，梁媛媛，赵立志

(1.装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京100072;2.沈阳远大环境工程有限公司，辽宁沈阳110161)

焊接熔敷成形分层方向一般是指分层过程中分层切平面的法线方向，也即决定了随后的成形方向。分层方向的选择是快速成形中过程规划的一个重要步骤。针对各种不同的快速成形方法，分层方向影响快速成形的成形精度、支撑结构的使用、成形时间、成形成本等。在业已商业应用的快速成形软件中，分层方向一般是使用者根据经验来确定;但对于形状复杂的零件来说，仅凭经验难以确定最佳分层方向。笔者在基于模型分解的分层算法基础上，从进一步提高成形尺寸精度方面考虑，根据分层方向对熔敷成形零件与零件CAD模型之间的体积偏差大小的影响，在UG(Unigraphics)环境下开发了一种分层方向优化选择算法。

1 研究进展

分层方向的优化选择一直是快速成形领域的一个研究热点，国内外研究者也进行了大量的研究工作。分层方法根据实施对象的不同一般分为对STL(Stereo Lithography)三角面片的间接分层与对STEP等数据格式或造型软件环境下的直接分层。目前，大多数分层方向的优化都是针对间接分层算法展开的。例如:Thompson［1］试验验证了成形方向(也即分层方向)对给定载荷方向下成形件的强度、成形表面质量、成形时间等都有一定影响;Hur等人［2］通过综合考虑光固化成形过程中的成形精度、成形时间和支持结构的使用量等因素来优化成形方向，成形精度通过计算某一截面中的“台阶”面积大小来确定，最短的成形时间对应于使分层层数最少的分层方向，而所需支撑结构的数量由成形零件模型在成形方向上的投影面积来反映;Ahn等人［3］研究了成形后所需的后加工量与成形方向之间的关系，并据此来优化成形方向;Hu等人［4］研究了熔敷/铣削混合成形系统中的成形方向优化问题，将加工工具的可达性、熔敷/铣削时间、支撑结构等加权处理为最终的成形成本，对给定待选的几个成形方向，选择成本最少的成形方向为最优成形方向。对于任意一种快速成形工艺，零件最终成形后，其体积与CAD模型体积之间必定存在一定的偏差，偏差的大小反映了成形精度的高低。Rattanawong等人［5］计算了圆锥零件的理论成形体积与零件CAD模型体积之间的偏差，并以此选择成形方向，体积偏差相比较于“台阶”面积能更好地反映出成形精度，但其仅给出了圆锥等规则形状零件体积偏差的计算方法，还不能求解任意形状零件的体积偏差。国内学者开展了遗传算法在分层方向优化选择中的应用研究［6-9］。

2 体积偏差的产生

焊接熔敷成形的主要问题在于其成形精度不高，因此在影响分层方向选择的因素中，笔者主要从提高成形精度的角度来优化分层方向。用焊接熔敷成形零件与零件CAD模型之间的体积偏差(以下简称体积偏差)来表示成形精度。此体积偏差的产生是由焊接熔敷成形工艺特点决定的，焊接熔敷成形首先对零件的CAD模型分层处理，然后在得到的二维层片轮廓上进行焊枪行走路径规划，逐道熔敷成形出零件。造成此体积偏差的因素主要有2个:一是由于路径规划方式造成的二维轮廓内的“台阶”效应;二是由于分层切片时在分层方向高度上的“台阶”效应。例如:对一个圆锥体分层切片、路径规划、熔敷成形后，成形体与CAD模型间存在如图1中所示的体积偏差。由图1可知:在分层方向相同时，由于路径填充方式的不同，得到的体积偏差也不相同，而分层方向主要影响到分层高度方向上的“台阶”造成的体积偏差。当成形表面法线方向不与分层方向相同或垂直时，熔敷成形时就会产生分层高度方向上的“台阶”，也就造成了体积偏差。

体积偏差的大小反映出了成形精度的高低，体积偏差越小表明成形精度越高，反之，成形精度越低。

3 体积偏差计算

为了反映分层方向对体积偏差的影响，需要计算不同分层方向下的体积偏差。由于分层方向主要影响分层切片时产生的台阶造成的体积偏差，因此只需计算此体积偏差。计算体积偏差的关键在于确定熔敷成形层的体积，这需要将实际熔敷成形层理想化地处理为CAD环境下的几何模型，其方法是将熔敷成形层等同于分层切片得到的截面沿分层方向作分层高度的拉伸形成的拉伸体，而这忽略了路径规划方式对体积偏差的影响。在一个分层高度内，拉伸体与相对应的CAD模型切片层作求差布尔操作，所得部分即是一个分层高度内的体积偏差。

用UG的OPEN GRIP二次开发工具实现下面的算法即可得到体积偏差。

输入:分层方向buildorien(3)，分层高度layht

输出:体积偏差值voludiff

$$ 生成切平面组pl(i)

pl(i)=PLANE/PARLEL，plstart，THRU，pts(i)

$$ 对CAD模型分层切片，得到二维轮廓线组seggr(i)

seggr(i)=SECT/soobj，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 生成熔敷成形层块体

lavolume(i)=SOLEXT/seggr(i，1..num)，HEIGHT，layht，AXIS，buildorien(1)，buildorien(2)，buildorien(3)

$$ 切割CAD模型，求得标准CAD模型块体

splvolume(i)=SPLIT/soobj2，WITH，pl(i)，CNT，c

$$ 熔敷成形层块体与标准CAD模型块体求差，获得体积偏差

subvolume=SUBTRA/lavolume(i)，WITH，splvolume(i+1)，CNT，c

$$ 求体积偏差数值

ANLSIS/SOLID，TOLER，0.001，subvolume，GCM，retrn(1..42)

voludiff=retrn(2)

4 分层方向的选择

为减少支撑结构的使用，笔者提出了一种基于特征的模型分解方法［10］。即:将零件模型分解为不同的特征体，每个特征体可以选择不同的分层方向。从成形精度方面来考虑，不同特征体的最佳分层方向应具有最小的体积偏差。以文献［10］中的一个分解后特征体(图2所示)为例，根据如前所述的体积偏差计算方法，计算该特征体在初始熔敷成形面确定的情况下不同分层方向得到的体积偏差。图3为该特征体分别沿2个不同分层方向得到的体积偏差，表1是沿不同方向分层后得到的体积偏差。对于给定的 5个分层方向，沿方向［-0.902 6，0.422 6，0］分层并熔敷成形后得到的体积偏差最小，为0.32 cm3，也就是说沿此方向成形时的成形精度最高。因此，从成形精度角度来考虑，应当选择此方向作为分层、熔敷成形方向。

图2 待分层的分解后的特征体

图3 不同分层方向下的体积偏差

表1 沿不同方向分层时得到的体积偏差

［1］ Thompson D C.The Optimization of Part Orientation for Solid Freeform Manufacture［D］.Austin:The University of Texas，1995.

［2］ Hur J，Lee K.The Development of A CAD Environment to Determine The Preferred Build-up Direction for Layered Manufacturing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1998，14:247-254.

［3］ Ahn D，Kim H，Lee S.Fabrication Direction Optimization to Minimize Post-machining in Layered Manufacturing［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007，47:593-606.

［4］ Hu Z，Lee K，Hur J.Determination of Optimal Build Orientation for Hybrid Rapid-prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，130-131:378-383.

［5］ Rattanawong W，Masood S H，Iovenitti P.A Volumetric Approach to Part-build Orientations in Rapid Prototyping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，119:248-353.

［6］ 彭安华，张剑峰，王其兵.基于层次分析法的快速成型技术中分层方向决策［J］.工程设计学报，2008，15(2):124-127.

［7］ 朱丽，侯丽雅，董涛.叠层制造中基于混合遗传算法的分层方向优化［J］.中国机械工程，2003，14(19):1642-1645.

［8］ 张立强，罗逸苇，王斌修.基于遗传算法的RP分层方向优化设计［J］.电加工与模具，2003(6):35-38.

［9］ 张立强，向道辉，陈明，等.基于遗传算法的快速成型分层方向优化设计［J］.南京航天航空大学学报，2005，37(增11):134-136.

［10］ 朱胜，殷凤良，王启伟，等.基于模型分解的机器人GMAW焊接熔敷成形方法研究［J］.机械，2011，38(12):54-58.