基于STL格式數據快速提取與數控同步控制研究*

王材樺，楊 帆

（1.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安710049；2.中國航空制造技術研究院，北京100024）

電子束熔絲成形是在真空環境下以電子束為熱源，按照一定的路徑熔化金屬絲材，實現三維零件成形。因為電子束能量密度高，束斑直徑小，形成獨特的“釘形”熔池形貌，可對多層沉積體進行重熔，消除或減少內部孔洞等缺陷[1-3]。同時熱影響區較窄，容易獲得細小的晶粒。被廣泛應用于航空航天等重要國防領域。目前有關工藝參數研究的大多數把重心放在充分熔化金屬絲材以期獲得致密度接近100%的制件上，但對于成形機理以及偶爾出現的翹曲、變形、裂紋等缺陷的原理還無法完全解讀?，F有的研究主要集中在探討成形層的性能，卻忽略了復雜的層間相互作用引起的額外誤差與應力調控的研究。實際生產過程中，若工藝參數選擇不合理，就無法得到連續、界面結合良好的焊縫，更無法得到比較理想的堆焊層[4-5]。

齊海波等[6]研究了掃描路徑對成形件溫度分布的影響，發現長邊、短邊及分區掃描下起始邊起點和終點均存在較大的溫度梯度，通過掃描路徑的反向規劃降低了成形件溫度分布不均勻的程度，避免了成形過程中成形件的翹曲變形，改善了成形件1的表面形態。上海交通大學陳云霞[7]研究了電子束掃描控制系統如何從CAD系統讀取模型切片數據，解決了建模軟件與掃描控制系統之間的數據傳遞，在綜合考慮各種掃描方法優缺點的基礎上，開發基于輪廓偏置和分區掃描相結合的復合掃描填充算法。張業成[8]研制了基于FPGA的電子束快速偏轉掃描控制系統，通過掃描線起止坐標表示填充信息，實現了從STL三維數據處理到偏轉掃描控制信號生成的完整過程，可精確控制電子束的偏轉掃描過程。香港科技大學Longwei Cheng等[9]通過高斯過程生成三維模型切片輪廓的原始預測點，使用內核平滑方法來改進原始預測以導出最終預測。在此預測過程的基礎上，采用補償方法導出修正的輸入形狀，消除了大部分形狀偏差，這種方案可以預測和補償復雜和不規則的形狀偏差輪廓。吳艷花等[10]在HMI開發環境下通過VB進行人機界面設計，利用VC建立語言動態鏈接庫，實現了外部加工程序的導入與伺服運動控制。在此基礎上金陵等[11]采用UNICODE編程，通過OPC協議開發了脫離于西門子HMI Programming Package開發框架的標準Windows界面。Lumex Advance-25在一臺3軸銑床內集成了銑削與激光燒結兩種功能，通過調整分層制造與機械加工的順序，解決工具的可訪問性問題[12]。Wei Du等[13]對激光與數控銑復合制造工藝進行了研究，發現復合加工下工件的顯微硬度明顯高于單一的制造手段，而且微觀結構沿不同方向略有差異。

1 二維輪廓快速提取

在電子束熔絲成形過程中，模型數據處理過程中的累積高度通常為固定值，通過獲取模型在不同高度下的二維輪廓對其進行實體填充。隨著成形過程的進行，切片位置平穩增加。而實際成形過程中，熔絲狀態、成形工藝參數、熱累積及不同模型的結構特征等在每層實體填充的過程中都會對模型高度產生影響，由此產生的累積誤差會影響實際成形件在Z方向的精度。為了提高成形件的形位精度，提出給予視頻監控的閉環數據處理策略。在成形過程中實時捕捉前一層的成形狀態，結合模型特征對層厚、工藝參數和路徑規劃方式等參數進行優化。

1.1 三角面片數據讀取

電子束熔絲工藝以STL文件作為模型數據，通過逐層逼近的方式獲得原始零件的緊密毛坯件。STL文件以三角面片離散原始模型，并將三角形的頂點坐標與法向量存儲在二進制文件中，數據格式如圖1所示。由于三角面片的存儲順序雜亂無序，因此在提取二維輪廓之前需要對其進行排序。

圖1 二進制STL數據格式

1.2 模型剖切與輪廓提取

根據式（1）分別求得三角面片的各邊與切平面的交點如圖2所示。通過邏輯表達式篩選后輸出雜亂的二維輪廓序列。

根據計算所得的二維數據輪廓構建一個無向圖，首先以一個未被訪問過的頂點為起始頂點，沿當前頂點的邊走到未訪問過的頂點：當沒有未訪問的頂點時，則回到上一個頂點，繼續試探訪問別的頂點，直到所有的頂點都被訪問過。顯然，深度優先遍歷是沿著圖的某一條分支遍歷直到末端，然后回溯，再沿著另一條進行同樣的遍歷，直到所有的頂點都被訪問過為止（見圖2）。

圖2 二分法三角面片遍歷

2 路徑填充和輪廓切分

電子束熔絲成形過程是軟件與硬件相互結合的綜合體現，在數據處理軟件部分包含模型的提取、外輪廓識別、填充軌跡生成等功能，通過模型的不同特征，將填充數據依據實際加工生成智能成形軌跡，對外輪廓及其表面特性進行提取，優化填充方式。將切片數據繞坐標原點旋轉，計算輪廓區域包絡矩形的面積S（S=△x·△y），以S取得最小值處的包絡矩形作為最小包絡，按照最小包絡矩形的長寬比和工藝參數要求選擇適當的矩形劃分個數。

2.1 薄壁輪廓識別

根據切片輪廓的最小外接矩形短邊長度初始化填充形狀分布位置可以極大減少計算數量。切片輪廓繞原點O旋轉180°，當最小包絡矩形的長邊和短邊比大于20，認為該輪廓為薄壁輪廓，否則為非薄壁輪廓，如圖3所示。設某輪廓數據的初始包絡為{[x0_min，y0_min]，[x0_max，y0_max]}，則式（2）取得最小值的一組坐標點為該輪廓的最小包絡矩形。

圖3 薄壁區域識別

2.2 可成形策略

通過圖形裁剪算法對非掃描填充區域單元進行裁剪刪除，最后對狹小區域和相鄰區域的輪廓圖形進行合并；考慮到各個待填充區域間的過渡問題，填充時區域的邊緣預留半個掃描間距。若直接對分區后的區域進行掃描，相鄰分區間的熱量累積就會變大，因此通過跨區域和有序的掃描方式降低溫度梯度分布，減小零件變形，對各分區塊位置進行標定，以距離最遠的原則尋找后續掃描區。填充策略包括x向填充方式和y向填充方式兩種，分區策略包括三角形分區，矩形分區和六邊形分區三種，如圖4所示。分區策略可以和填充策略或分區策略本身進行無限組合，演變出多種分區填充形式。通過多次排序刪減，可快速鎖定與指定高度完全相交的面片序列，為下一階段的層厚動態調整提供支撐條件。在掃描線填充算法中，用多邊形輪廓外一條直線與多邊形求交，對于一個封閉的多邊形來說，交點數一定是偶數，且第1個點和第2個點之間一定是實體，而第2個點和第3個點之間一定是非實體部分，以此類推，可求得這條線上的實體與非實體部分。掃描線填充方法只需對這一條直線進行分析即可，不需要對輪廓包含的區域進行實體與非實體的判定，這樣填充過程穩定可靠得多。

圖4 分區填充策略

各類不同的填充算法為后期進行智能決策奠定一定的基礎，運用設備進行大量實驗研究，建立一定的工藝數據庫，為成形較好的工藝性能，匹配較好的成形工藝參數，依據每層不同的形貌智能選取填充方式，生成成形軌跡。

3 數據庫搭建與上位機通信

數據庫建立包括兩部分：前處理階段和熔積成形階段兩部分。前處理階段根據模型的包圍盒特征將輪廓分為薄壁輪廓和實體輪廓兩種類型。在熔積成形階段根據層厚的實際反饋信息，更改下一成形層的切片位置，同時調整對應的工藝參數。通過對用戶擴展接口、232通信和OPC UA通信進行研究，發現用戶擴展接口方式只能實現簡單的界面更改以及變量監控，無法實現和外界進行數據通信，執行上位機傳達的指令。最終選擇OPC UA方式作為切片軟件與數控系統通信的數據傳輸方式。

西門子系統中的OPC UA服務器通過設置管理以及密碼激活，服務器地址為：192.168.1.20:4840。連接服務器后即可通過上位機讀寫西門子封裝的數組和客戶端函數。

840D SL最大可以同時監控200個變量，支持的變量類型包括：

/Axis：軸變量

/Bag：方式組變量

/Channel：通道變量

/DriveVisa：驅動變量

/Hmi:Hmi變量

/Methods：通過方法讀入變量表中不包含的變量

/Nck:Nck變量

/Tool：刀具變量

/Random:Plc變量

通過連接840D SL數控系統自帶的OPC服務器，對點擊轉速，加減速度和啟停狀態進行控制，實現啟停控制。成形過程中每次傳送一整層的加工數據，通過主程序調用實現連續加工與切片數據的動態調整傳輸。

4 結論

采用快速排斥實驗快速尋找剖切線段之間的相交關系，通過深度圖搜索算法建立交點之間的相鄰關系形成封閉有向輪廓；建立動態分層處理算法機制，可根據機器視覺識別系統對成形厚度的反饋信息，調整下一層的剖切位置與掃描填充方式，實現成形過程的實時穩定控制。采用過變形裁剪算法，通過六邊形、矩形等基本輪廓對二維輪廓進行區域分割與掃描線填充。