增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划研究进展

增材制造技术基于“离散–堆积”原理,通过对三维数字化模型进行数据预处理、切片与路径规划,并生成增材系统可识别的执行代码,驱动增材设备实现零件的快速制造,近年来,该技术在航空航天、汽车、船舶、医疗、建筑等行业得到了广泛应用。切片与路径规划是增材制造三维数字化模型数据处理的核心步骤,决定着制造过程的工艺变量、零件形状精度和性能。首先综述了目前增材制造中基于CAD模型、点云模型、STL模型、体素模型等多种数字化模型切片方法研究进展,并从各模型生成精度、切片算法原理、算法效率等方面展开了评述;其次,对平面与非平面的等厚度、变厚度、变方向及分区组合等多种切片算法,以及平面单区域、多区域、局部特征及非平面等多种路径规划算法进行了综述,初步分析和梳理了切片及路径规划算法的设计要点;最后,总结了目前增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。     

增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。     

金属增材制造数据处理与工艺规划研究综述

金属增材制造数据处理与工艺规划是金属增材制造软件系统的核心,涵盖了金属支撑结构设计、模型切片以及路径规划等内容,决定着最终金属零部件的产品性能.从金属增材制造模型前处理出发,较为全面地概述了与之相关的多类型支撑设计和新型支撑优化等数据处理内容,针对金属增材制造数据处理中模型切片这一关键环节,分别从平面切片、自适应切片和...     

大型自由曲面光学器件的超精密抛光方法

旨在提高大尺寸自由曲面光学器件精密抛光技术的精度与效率.通过构建一个机器人抛光中心作为抛光平台,并在包括单位圆域、单位正方形域及自由边界域在内的平面映射域内求解旅行商问题,通过投影计算圆形度数值,进行映射区域的分类,并将所获得的平面轨迹映射到曲面上获得用于大尺寸自由度超精密光学器件的抛光路径.本文算法综合考虑到计算效率...     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

金属离子液束流增材制造研究现状及其发展

金属离子液束流增材制造技术结合了电化学沉积和增材制造的特点,具有常温金属成形和液束形式加工特征,受到广泛关注。简要回顾了金属离子液束流增材制造技术的发展溯源,针对其定域性差、加工效率低的问题,提出了基于喷射电沉积的金属离子液束流增材制造技术,并讨论了当前国内研究热点及面向特殊异形件、大型结构件、微细零部件和多功能复合结构的金属离子液束流增材制造发展趋势。     

喷嘴壳体激光增材/切削减材组合制造工艺技术

在分析归纳喷嘴壳体组件制造难点的基础上,进行喷嘴壳体典型结构的性能提升和减重拓扑优化设计,并提出原始模型的增材制造优化设计原则,合理规划激光增材及切削减材组合制造的工艺次序及加工内容,极大压缩了加工工序及零件数量,有效减少了组合加工和焊接环节,提高了组件的结构强度及加工质量,降低了组件的结构复杂性、制造复杂性,可满足高...     

打印方向对SLM增材制造点阵结构力学性能的影响分析

为研究激光选区熔化（SLM）增材制造技术的制造方向对点阵结构力学性能的影响,基于不同的打印角度,制备了4组不同相对密度的Ti–6Al–4V面心立方（PC）点阵试样,并开展了力学性能数值仿真、试样微观形貌观测及单轴压缩试验。结果表明,不同打印方向引起的制造缺陷会造成点阵结构等效杨氏模量及失效模式的改变,低密度点阵结构呈现出无特定规律的“逐层坍塌”破坏,高密度点阵结构为整体“剪切”破坏;点阵结构支杆缺陷随打印方向与支杆夹角增大而增大,同时引起点阵结构等效杨式模量的各向异性,低密度点阵结构的制造缺陷对打印方向更敏感,在相对密度为0.1138时,不同打印方向的等效杨氏模量最大差异达14.6%;由于增材制造的内部缺陷,导致基于均质化理论的仿真结果相较试验值偏高。     

基于5+1轴的增减材混合加工验证平台设计与研制

叶轮、整体叶盘等航空发动机结构件的外形复杂、精度要求高,对传统加工方法提出了很大的挑战。增减材混合加工融合增材加工和减材加工的优势,是解决复杂结构零件加工的一种有效手段。为了验证混合加工工艺规划算法的可行性,搭建了基于5+1轴的增减材混合加工算法验证平台,以小型雕刻机为基体,以X、Y、Z为3个平动轴,以B、C摇篮摆为转动轴,实现五轴联动,附加一轴控制挤出机喷嘴送料,设计了机械装置。使用导轨机构将3D打印挤出机与雕刻机加工主轴集成为一体,减少了混合加工增减材加工操作切换时间,提高了混合加工效率,并使用Mach3六轴数控系统控制各轴运动,可完成增减材混合加工过程,实现了对混合加工工艺规划算法的验证。     

基于有限元法功能梯度材料零件自适应切片算法

 快速原型制造技术采用分层和材料逐点或逐线堆积加工零件,适合加工每层内或每层间材料有变化的非均质材料零件。分层切片是快速原型制造中非常重要的组成部分,尤其自适应切片是保证零件成型质量和提高快速原型制造效率的有效手段。综合考虑几何信息和材料分布信息,针对基于有限元法的功能梯度材料零件模型几何和材料表达特点,以零件表面外法线,材料变化梯度及材料分辨率为计算层片厚度的依据,对功能梯度材料零件快速原型制造中的自适应切片算法进行了研究。最后给出了分层实例,验证算法的正确性。     

一种凸多边形区域的无人机覆盖航迹规划算法

 覆盖航迹规划技术对于提高无人机的侦察能力和目标搜索能力具有重要的意义。首先从能量、路程、时间角度,理论上证明了转弯过程比直线平飞过程的效率低。其次给出了凸多边形跨度和宽度的定义,并把凸多边形区域的覆盖航迹规划问题转化为求凸多边形宽度的问题。最后证明了凸多边形区域的宽度只可能出现于“点边式”跨度之中,并给出了一种高效的“点边式”宽度算法。无人机只需要沿着宽度出现时的支撑平线方向飞行,即可以取得最少的转弯次数。通过仿真分析,证明了所提出的算法能够有效解决无人机在凸多边形区域中的覆盖航迹规划问题。     

多无人机协同搜索区域划分与路径规划

针对多无人机广域协同搜索问题，研究无人机工作区间划分和全区域覆盖搜索路径规划2个子问题。采用按无人机来向均衡划分的方法和凹点凸分解的方法，开展了凸多边形和非凸多边形的区域划分研究，将多机协同搜索问题转化为子区域上的单机搜索问题；在此基础上采用"Z"型路径覆盖方法以及Dubins转弯路径，对各个无人机开展覆盖其子区域的搜索路径规划，从而建立了一个区域划分和路径规划的整体调用框架，能够对目标区域快速进行划分并生成飞行路线。最后，对凸多边形和非凸多边形区域搜索开展仿真计算，验证了该方法的有效性。     

考虑运动学约束的不规则目标遗传避碰规划算法

 针对复杂环境下不规则目标的路径规划问题,提出了一种带有运动学约束的遗传避碰规划算法。以舰载机在航母甲板上的路径规划问题作为研究对象,并且该算法可推广至其他具有此类约束的路径规划问题中,它较好地解决了目标形状复杂、障碍环境复杂、目标运动时带有回转半径约束等特殊问题。在传统遗传路径规划算法的基础上,针对性地设计了三维位置和姿态混合编码、三段法路径解码、轨迹包围盒的碰撞检测及距离计算等方法,并在遗传操作中引入惩罚项和修补策略来辅助算法寻优。最后,为得出复杂环境下的最优路径,基于VC++平台对算法进行了仿真验证。结果表明,在复杂障碍环境下,本文提出的算法可求得最优避碰路径,并满足预先设定的目标回转半径约束,能够有效地解决此类目标的避碰路径规划问题。     

直纹面叶轮刀具轨迹规划的研究(英文)

At present, most commercial computer-aided manufacturing （CAM） systems are deficient in efficiency and performances on generating tool path during machining impellers. To solve the problem, this article develops a special software to plan cutting path for ruled surface impellers. An approximation algorithm to generate cutting path for machining integral ruled surface impellers is proposed. By fitting sampling data points of an impeller blade into a curve, a model of ruled surface blade of an impeller is built up. Furthermore, by calculating the points where the cutter axis vector intersects the free-form hub surface of an impeller, problems about, for instance, the ambiguity in calculation and machining the wide blade surface with a short flute cutter are solved. Finally, an integral impeller cutting path is planned by way of an integrated cutter location control algorithm. Simulation and machining tests with an impeller are performed on a 5-axis computer numerically controlled （CNC） mill machine, which shows the feasibility of the proposed algorithm.     

一种改进的快速航路规划方法

通过改进启发式A*算法流程及数据结构,结合航迹规划多约束条件的实际,提出了一种快速可行的航迹规划方法.该方法考虑了飞机机动性能约束和终端进人方向角约束,建立专家知识库,缩小了搜索空间.将A*算法中的OPEN表映射到CLOSED表中,采用嵌套二叉树管理OPEN表和CLOSED表,提高了算法的搜索和执行效率.最后提出循环插...     

多机布阵航路规划问题研究

针对多机布阵航路规划问题,提出了一种新的策略。首先,建立了多机航路规划模型;然后,采用聚类分析的方法将浮标点分类,并给出了任务分配的原则,从而将多机航路规划问题转化为单机航路规划问题;最后,利用模拟退火算法分别求解,并在此基础之上采用平均路径长度的方法给出了优化算法。     

基于改进鲸鱼优化算法的无人机航路规划

针对复杂地形环境下的无人机航路规划问题，提出一种基于改进的鲸鱼优化算法的航路规划算法。首先，根据起始点和目标点等信息，通过坐标系旋转将二维航路规划问题转化为D维空间下的寻优问题；然后，将灰狼优化算法中的等级制度和微分进化算法中的贪婪策略引入鲸鱼优化算法提出改进的鲸鱼优化算法。在保证算法收敛速度的同时，所提的改进鲸鱼优化算法有效地提高了开发能力和搜索能力。最后，将提出的改进算法应用于无人机的航路问题求解。仿真结果表明，所提的改进鲸鱼优化算法能够有效的获得一条代价最优的、有效的航路结果，其性能优于传统的优化算法。     

基于遗传算法的凸多边形区域航迹规划

提出了基于遗传算法的凸多边形区域航迹规划方法,针对飞行器转弯角和边界限制的航迹约束条件,改进了航迹编码方式,采用了基于方向编码的回溯方法生成航迹;同时改进了遗传算法的交叉算子和变异算子。仿真结果表明,该方法能快速有效地完成飞行器航迹规划任务,获得符合适应度要求的优化航迹。