MDT环境下RP数据处理与设备驱动程序的研发
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摘要
作为一种新兴的综合性制造技术，快速成形(Rapid Prototyping)技术以计算机辅助设计(CAD)和数控(NC)等多项使能技术为基础，并随着这些技术的发展而不断向前发展。目前，几乎所有的快速成形系统均采用STL文件作为数据交换接口。STL文件是CAD模型表面的三角化表示，无疑会造成精度损失。另外，现有快速成形系统的CAD模块、数据处理模块、监控加工模块三者彼此独立，使得快速成形的前处理过程相当繁琐。针对以上问题，本文基于MDT软件环境，在深入研究RP自适应分层方法的基础上，开发了RP数据处理及设备驱动程序，为实现CAD／CAPP／RP一体化奠定了基础。论文所做的主要工作如下：
(1) 在综合考虑各种分层算法的基础上，提出了法线与面积综合判定法来确定分层厚度的CAD模型直接自适应分层算法：并针对同一模型对自适应分层和等厚分层进行了比较，结果发现：自适应分层在精度方面虽然与等厚分层基本相当，但是其层数可以显著减少，所以采用自适应分层可使成形效率显著提高。
(2) 研究了MDT软件平台下CAD模型数据的内部表达方法，运用Autodesk公司提供的MDT二次开发工具ObjectARX和MDT API，实现了MDT模型的几何信息和拓扑信息提取，使自适应分层算法得以实现。
(3) 通过对直接分层轮廓进行处理，实现了层片轮廓数据的提取、层片轮廓的重建、激光光斑的补偿，以及层片轮廓的填充和扫描路径的优化。
(4) 从激光选择性烧结机理出发，建立了激光扫描功率与扫描速度之间的匹配规则，以实现在不同扫描速度下激光功率的自动匹配。
(5) 针对SLS工艺，从理论上推导了振镜式扫描系统中振镜转角与X、Y坐标之间的关系，为CLI格式文件向PMAC运动程序的数据转化提供了理论依据。
(6) 考虑SLS工艺特点，根据PMAC指令规则，实现了从标准CLI格式文件到PMAC运动程序的自动转化。同时，针对SLS工艺，设计了基于PMAC的控制系统方案。
(7) 基于Windows操作系统，应用VC++6.0和ObjectARX对MDT6.0进行了二次开发，并对各模块进行了集成，形成了功能比较完善的基于MDT环境的RP应用软件。
本课题的研究，对于提高RP制件精度、提高成形效率、实现CAD／CAPP／RP一体化具有重要的理论意义和实用价值。
As a kind of rising integrated technologies, Rapid Prototyping (RP) technology is rapidly developing with the development of various enabling technologies, such as Computer Aided Design (CAD) and Numerical Control (NC) etc. Nowadays, nearly all types of rapid prototyping systems commonly adopt STL file as their data exchange interface. The STL file is a triangularization representation of CAD model surface. Using it to represent CAD model will reduce the part precision. The existing RP-related software include a CAD module, a data processing module, and a monitoring and controlling module, which are independent of one another. Thus, the preprocessing procedure of RP is rather complicated. Aiming at the issues above, this thesis deals with the direct and adaptive slicing methods of CAD model, and develops the data processing and device driven system based on the Mechanical Desktop (MDT) software. The work of this thesis lays a solid foundation for the integration of CAD, CAPP and RP. The main work may be summ
arized as follows:
(1)After discussing all kinds of existing algorithms, this thesis presents a new kind of adaptive slicing algorithm that determines the slicing thickness by comprehensively considering the surface normal and the cross-sectional area. And for the same part, a comparison between the adaptive slicing and the equal-thickness slicing methods is performed. The results show that the adaptive slicing method can greatly improve the manufacturing efficiency in the equivalent precision. The adaptive slicing gains advantage over the equal-thickness slicing.
(2)Based on a close research of the interior representation of CAD model in MDT, this thesis picks-up the interior topological and geometrical information of model expressed in the boundary representation (B-Rep) using the development tools of ObjectARX and MDT API offered by Autodesk Inc. The picking-up information makes it successful to implement the adaptive slicing method.
(3)The direct slicing data are processed in order to accurately extract and reconstruct the data information of the 2D contours. Based on it, the radius compensation of laser beam spot, the filling contours and the optimization of the scanning paths are all implemented.
(4)Based on the mechanism of SLS (Selected Laser Sintering), a matching rule between scanning velocity and laser power is established so as to realize the laser power matching in different scanning velocities.
(5)Aiming at the SLS technology, the relationship between the rotation angle of mirror and X, Y coordinates of scanning point are derived theoretically, according to which the CLI file can be translated into PMAC instructors.
(6)Considering the SLS technological characteristics and according to the PMAC instructor rules, the automatic conversion of the CLI file into the PMAC movement program is accomplished. In the meantime, a NC system scheme for rapid prototyping machine is designed for the SLS technology based on PMAC.
(7)Based on the Windows operating system, all the functional modules above are developed and integrated with Visual C++ and ObjectARX in DMT 6.0 environment. This may be relatively good integration software for RP.
The work of this thesis will be theoretically and practically beneficial to improving the part quality, boosting the forming efficiency and realizing the integration of CAD, CAPP and RP.
(1) 在综合考虑各种分层算法的基础上，提出了法线与面积综合判定法来确定分层厚度的CAD模型直接自适应分层算法：并针对同一模型对自适应分层和等厚分层进行了比较，结果发现：自适应分层在精度方面虽然与等厚分层基本相当，但是其层数可以显著减少，所以采用自适应分层可使成形效率显著提高。
(2) 研究了MDT软件平台下CAD模型数据的内部表达方法，运用Autodesk公司提供的MDT二次开发工具ObjectARX和MDT API，实现了MDT模型的几何信息和拓扑信息提取，使自适应分层算法得以实现。
(3) 通过对直接分层轮廓进行处理，实现了层片轮廓数据的提取、层片轮廓的重建、激光光斑的补偿，以及层片轮廓的填充和扫描路径的优化。
(4) 从激光选择性烧结机理出发，建立了激光扫描功率与扫描速度之间的匹配规则，以实现在不同扫描速度下激光功率的自动匹配。
(5) 针对SLS工艺，从理论上推导了振镜式扫描系统中振镜转角与X、Y坐标之间的关系，为CLI格式文件向PMAC运动程序的数据转化提供了理论依据。
(6) 考虑SLS工艺特点，根据PMAC指令规则，实现了从标准CLI格式文件到PMAC运动程序的自动转化。同时，针对SLS工艺，设计了基于PMAC的控制系统方案。
(7) 基于Windows操作系统，应用VC++6.0和ObjectARX对MDT6.0进行了二次开发，并对各模块进行了集成，形成了功能比较完善的基于MDT环境的RP应用软件。
本课题的研究，对于提高RP制件精度、提高成形效率、实现CAD／CAPP／RP一体化具有重要的理论意义和实用价值。
As a kind of rising integrated technologies, Rapid Prototyping (RP) technology is rapidly developing with the development of various enabling technologies, such as Computer Aided Design (CAD) and Numerical Control (NC) etc. Nowadays, nearly all types of rapid prototyping systems commonly adopt STL file as their data exchange interface. The STL file is a triangularization representation of CAD model surface. Using it to represent CAD model will reduce the part precision. The existing RP-related software include a CAD module, a data processing module, and a monitoring and controlling module, which are independent of one another. Thus, the preprocessing procedure of RP is rather complicated. Aiming at the issues above, this thesis deals with the direct and adaptive slicing methods of CAD model, and develops the data processing and device driven system based on the Mechanical Desktop (MDT) software. The work of this thesis lays a solid foundation for the integration of CAD, CAPP and RP. The main work may be summ
arized as follows:
(1)After discussing all kinds of existing algorithms, this thesis presents a new kind of adaptive slicing algorithm that determines the slicing thickness by comprehensively considering the surface normal and the cross-sectional area. And for the same part, a comparison between the adaptive slicing and the equal-thickness slicing methods is performed. The results show that the adaptive slicing method can greatly improve the manufacturing efficiency in the equivalent precision. The adaptive slicing gains advantage over the equal-thickness slicing.
(2)Based on a close research of the interior representation of CAD model in MDT, this thesis picks-up the interior topological and geometrical information of model expressed in the boundary representation (B-Rep) using the development tools of ObjectARX and MDT API offered by Autodesk Inc. The picking-up information makes it successful to implement the adaptive slicing method.
(3)The direct slicing data are processed in order to accurately extract and reconstruct the data information of the 2D contours. Based on it, the radius compensation of laser beam spot, the filling contours and the optimization of the scanning paths are all implemented.
(4)Based on the mechanism of SLS (Selected Laser Sintering), a matching rule between scanning velocity and laser power is established so as to realize the laser power matching in different scanning velocities.
(5)Aiming at the SLS technology, the relationship between the rotation angle of mirror and X, Y coordinates of scanning point are derived theoretically, according to which the CLI file can be translated into PMAC instructors.
(6)Considering the SLS technological characteristics and according to the PMAC instructor rules, the automatic conversion of the CLI file into the PMAC movement program is accomplished. In the meantime, a NC system scheme for rapid prototyping machine is designed for the SLS technology based on PMAC.
(7)Based on the Windows operating system, all the functional modules above are developed and integrated with Visual C++ and ObjectARX in DMT 6.0 environment. This may be relatively good integration software for RP.
The work of this thesis will be theoretically and practically beneficial to improving the part quality, boosting the forming efficiency and realizing the integration of CAD, CAPP and RP.
引文
[1] Paul F. Jacobs. Rapid Prototyping& Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography. First edition, SME, 1992
[2] 史廷春，颜永年，张人佶，等．RPM—快速原型制造．机械制造，2000，38(11)：20-22
[3] 王万龙．激光分层实体制造技术的研究[博士论文]．北京：清华大学，1996
[4] 李晓蓓，安桂华，李敏贤．快速原型制造(RPM)技术的发展及在制造业中的应用．机电产品开发与创新，1998，(4)：34-35，38
[5] 赖华清，李怀君，徐翔．快速成形技术及其在铸造用摸制造方面的应用．铸造设备研究，2001，(6)：42-44，47
[6] Wohers. Rapid Prototyping &. Tooling State of the Industry: 2002 Worldwide Progress Report.
[7] T Gill, Bare.quet, Yuval Kaplan. A data front-end for layered manufacturing. Computer-Aided Design, 1998, 30(4): 231-243
[8] 李占利，胡德州．三维模型的直接分层软件研究与开发．西安科技学院学报，2002，22(2)：189-193
[9] 蒋玮，徐志祥，赵福令．快速成形制造系统中的数据格式．中国机械工程，2000，11(增刊)：44-46
[10] 冯伟，段广洪，王万龙．快速成形制造中数据处理与转换技术．中国机械工程，1996，7(3)：41-43
[11] 陈绪兵，莫建华，叶献方，等．CAD模型的直接切片在快速成形系统中的应用．中国机械工程，2000，11(10)：1098-1100
[12] Ron Jamieson, Herbert Hacker. Direct Slicing of CAD Models for Rapid Prototyping. Rapid Prototyping Journal, 1995, 1(2): 4-12
[13] Details of this software can be obtained from CENIT GmbH, Schulze-Delitzsch-Strasse50, 70565 Stuttgart, Germany
[14] Y. C. Nee, J. Y. H Fuh, T. Miyazawa. On the Improvement of the Stereolithography(SL) process. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113: 262-268
[15] Lee K H, Yoo L S. An Extended Slicing Method for Rapid Prototyping. International Conference on Manufacturing Automation(ICMA'97), Hong Kong, 1997
[16] R. L. Hope, R. N. Roth, P. A. Jacobs. Adaptive slicing with sloping layer surface. Rapid Prototyping Journal, 1997, 3(3): 89-98
[17] E. Sabourin, S. A. Hourser, J. H. B hn. Accurate Exterior, Fast Interior Layered Manufacturing. Rapid Prototyping Journal, 1997, 3(2): 44-52
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[19] Weiyin Ma, Peiren He. An Adaptive Slicing and Selective Hatching Strategy for Layered Manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 89:191-197
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[24] 郝永平．张健，谭琴琴，等．基丁AutoCAD的快速原型建模方法．沈阳工业大学学报，1997，16(4)：30-34
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[29] R. E. Barnhill, S. N. Kersey. A marching method for parametric surface/surface intersection. Computer Aided Geometric Design, 1990, (7): 257-280
[30] 刘斌，肖跃加，韩明等．快速制造技术中的线宽自动补偿技术．中国机械工程，1996，7(6)：43-44
[31] Nikeolay Tolochko, Sregei Mozzharov, Tahar Laoui and Ludo Froyen, Slective laser sintering of singleand two-component metal powders, Rapid Prototyping Journal, 2003, 9(2): 68-78
[32] G.B. Przbhu, et al, Supersolidus Liquid Phase Selective Laser Sintering of Prealloyed Bronze Powder, Symposium Proc.of SFF, 1993
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[36] 李小林，朱力群，黄因慧．快速成形中的振镜扫描系统，电加工，1998，(3)：36-37
[37] 许亚平，陶霞虹．振镜结构对精度和速度的影响．应用激光，1998，18(4)：169-170
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[39] 肖本贤，陈荣保，李斌，等．步进电机微步驱动技术研究．自动化与仪表，1997，12(5)：47-49
[40] 袁亚平．矢量方式Nd-YGA激光打印系统及工艺研究．航空工艺技术，1999，(增)：11-16
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[42] 金烨，习俊通，马登哲，等．快速成形中CAD模型的数据处理技术．中国机械工程，2000，11(增刊)：51-55
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[44] 王启伦，吴玉光，邢西哲．AutoCAD三维实体模型信息获取方法．河海大学常州分校学报，2000，14(3)：21-25
[45] 张吉堂，李雅青．基于Solid words 98三维模型切片软件研究与开发．湖北工学院学报，1997，21(2)：156-158
[46] 任偲．王正兵，刘晋，等．开放式数控系统专题讲座．制造技术与机床，2002
[47] 黎凌霄，吕强中．一种开放式结构的基于PC的可编程多轴控制器(PMAC)．机电一体化，2002，(1)：41-44
[48] 孟璇，邢玉生，王春．基于PMAC的并行双CPU开放使数控系统的研究．组合机床与自动化加工技术，2002，(10)：28-30，37
[49] 张建宏，裴仁清，李亚静，等．基于PMAC的开放使数控裁剪机．机电一体化，2002，(2)：48-49
[50] 秦勇，王霖，张建华，等．基于PMAC的电火花成形加工机床控制系统研究．制造技术与机床，2002，(12)：39-40
[51] 章声．基于PMAC的数控火焰切割机数控系统开发．机电工程，2002，19(2)：38-40
[52] 任向阳，张相臣，史晓娟，等．基于PMAC运动器的数控系统在三坐标激光加工中的应用．机床与液压，2002，(2)：72-73
[53] 王宇晗，康亮，吴祖育．面向用户的可配置开放式数控系统的研究．机床与液压，2000，(5)：24-26
[54] 陈青果，徐安平，刘玉山，等．MDT环境下一种高效的RP自适应分层算法．机械设计，2003，20(增)：151-152，167
[55] 冯伟．快速成形工艺集成软件系统的研究与实现[博士论文] ．北京：清华大学．1996
[56] 张小波．选择性激光烧结分形扫描及激光功率的控制实验研究[博士论文] ．武汉：华中科技大学．2001
[57] 刘华群．基于Windows的开放式数控系统的研究与开发[硕士论文]．山东：山东大学．1998
[58] 王运赣．快速成形技术．武汉：华中理工大学出版社．1999
[59] 卢清萍主编．快速原型制造技术．北京：高等教育出版社．2001
[60] 孙家广，杨长贵．计算机图形学．北京：清华大学出版社，1996
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[62] 廖效果主编．数控技术．武汉：湖北科技出版社，2000
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[49] 张建宏，裴仁清，李亚静，等．基于PMAC的开放使数控裁剪机．机电一体化，2002，(2)：48-49
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[51] 章声．基于PMAC的数控火焰切割机数控系统开发．机电工程，2002，19(2)：38-40
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