开题报告cw快速原型.docx

1、开题报告cw快速原型一、 立论依据（所选课题的科学意义和应用前景，国内外研究现状分析）1. 课题的科学意义和应用前景本项目开发的仿真系统属于基于快速原型技术的面向制造工艺和装备的仿真。其主要目的是使设计人员用计算机设计出实体模型后能够直接模拟加工过程，以及时了解具体的加工过程，发现设计缺陷，了解加工所需时间、费用等。快速成形技术(快速原型技术，RP技术)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术等的集成，在CAD/CAM技术支持下，将复杂的三维加工变成平面加工，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段，有选择地固化液体或粘结

2、固体材料，可迅速将设计出的产品CAD模型转换为具有一定结构和功能的原型或直接制造成零件。利用该技术，产品从设计到实物仅需若干个小时，加工过程全自动，产品结构形状不受限制，从而缩短了产品开发时间，降低成本。由于这种加工是不断把材料按需要添加到未完成的工件上，不需用工装和锻、压、拉、铸以及刀具切削，所以又叫生长型制造。它由数据处理、激光成型器、材料配制三部分组成。流程如图1所示：图1 流程图20世纪90年代开始，随着冷战时代的结束，市场环境发生了巨大的变化。面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。

3、为此，这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造工业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。1998年RP的直接收入(销售RP系统和进行原型制造及原型后续加工收入)估计达10亿美元。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品创意、研究开发、设计、工艺设计、加工准备、制造工艺、装备、装配、质量保证、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，产生了一批新的制造技

4、术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成形技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展。快速成形技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。概括起来，快速成形技术有以下特点： (1) 制造原型所用材料较为广泛，各种金属和非金属材料均可以使用； (2) 原型的复制性、互换性高； (3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越； (4) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上； (5) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化；正是快速

5、成型制造技术有上述诸多优势，使得它对新产品的研发过程启动巨大的促进作用：(1) 大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间；可使模型或模具的制造时间缩短数倍或数十倍；(2) 可以及时发现产品设计的错误，避免更改后续工序所造成的大量损失，提高新产品的一次成功率；(3) 支持同步（并行）工程的实施，使设计、交流、评估更加形象化；使新产品设计、样品制造、市场订货、生产准备等工作能并行进行；(4) 支持技术创新，改进新产品外观设计；(5) 降低开模风险和新产品研发成本；(6) 提高制造复杂零件的能力；(7) 快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场；国内家电行业在

6、快速成形系统的应用上，走在了国内前列。如广东美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。目前，国内由政府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构7。本课题要重点研究的是选择性激光烧结法SLS(Selective Laser Sintering)计算机仿真系统的研究与开发。该项目被列入河北省教委2002年科研计划。SLS造型法是用一系列的等高线去切割CAD模型，得到高度方向的等高截面，用得到的截面数据确定轮廓截面的数据，层层叠加最终得到零件实体。它所用的材料是粉末材料。粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合

7、物的粉体、覆膜砂等。是目前RP机器中能直接产生金属件最成熟的方法。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(Selective Laser Sintering)应用较多。如图2所示。图2选择性激光烧结原理图SLS技术造型速度快（一般制品，仅需12天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达0.09mm,并具有自动激光补偿功能）、原

8、型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa,尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。由于SLS技术所用材料、设备较为昂贵，许多企业无力购买它们。但计算机互联网络的迅速发展，使得人们可以方便地用SLS设备进行加工。设计人员可以在某地通过计算机和CAD软件创建三维实体模型，然后通过互联网将模型传送到有RP设备的地方加工。通常情况下，在用SLS设备实际加工前，需要用计算机模拟加工过程，以发现模型设计是否有缺陷；对实体模型的分层处理是否正确；实际加工过程是否会出现问题；以及掌握加工所用的时间、费用、所消耗材料量等。但由于模型设计人员可能无法到达加工

9、现场，无法及时了解这些实际情况，因此会出现由于模型设计缺陷等原因而引起的返工；或被加工方索要较高加工费用等一系列问题。采用本仿真系统后，可使企业减小由于模型数据错误等原因造成的材料以及时间浪费，因此会产生较高的间接经济效益。目前我国还没有本项目将要开发的独立仿真系统，而SLS技术可应用于机械、航天、建筑、医疗以及教学等多个领域。单以可采用SLS技术直接形成铸造用型(芯)的熔模铸造为例，全国就有近2000家厂家，可见SLS技术在我国具有广阔的应用前景，而本仿真系统也必将有较大的应用市场。更为重要的是，这将是由我国开发的具有自主版权的软件。在知识产权愈来愈受到重视的今天，该制造仿真系统的成功开发及

10、应用必将提高我省在RP这一先进制造领域的知名度，将会产生重大的社会效益。2. 国内外研究现状分析快速原型技术概念即RP(Rapid Prototyping Technology)概念的提出可追溯到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，该设想提出后，由丸谷洋二于1984年继续研究，并于1987年进行产品试制。1988年，美国3D Systems公司率先推出快速原型实用装置激光立体造型即SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus),并以年销售增长率为30%40%的增幅在世界市场出售。近年来，随着扫描振镜性

11、能的提高，以及材料科学和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并于1994年正式进入推广普及阶段。1989年，美国得克萨斯大学毕业生Carl Deckard申请了选择性激光烧结法SLS （Selective Laser Sintering）的专利权，并由DTM公司将其推向市场。在粉末方面，有DTM公司的Selective Laser Sintering、MIT大学发展的3D Printing、德国EOS公司开发的EOS/P与EOS/M系列。SLS是目前最被看好的技术，因为它可以直接制作金属件；利用这种特性可将它应用在快速模具(Rapid Tooling)上，制作大量生产用的产品，延伸了RP

12、的应用领域。国内RP研究起步在1991年左右，北京隆源自动成形系统有限公司、清华大学、西安交通大学、南京航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等在成型理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的RP系统。例如北京隆源公司开发的AFS300激光快速成形机(选择性激光烧结系统)、华中理工大学研制的以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的HRP系统、清华大学研制的多功能快速造型系统MRPMS和基于FDM的熔融挤出成形系统(MEM250)等。在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅

13、助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具；隆源公司的RP服务中心也为企业制作了多种精密铸模；华中理工大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。迄今为止，国内外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：纸层叠法薄形材料选择性切割(LOM法)、激光立体制模法液态光敏树脂选择性固化(SLA法)、烧结法粉末材料选择性激光烧结(SLS法)、熔融造型法(FDM法)等。几种快速成形方法的特点及常用材料如表1示。表1 几种快速成形方法的特点及常用材料成形方法SLALOMSLSFDM成形速度较快快较慢较慢原型精度较高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度中等

14、简单或中等复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料热固性光敏树脂等纸、金属箔、塑料薄膜等石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等根据Rapid Prototyping Report对其读者的调查，目前RP领域的问题主要集中在：材料的物理性能不太理想，不能很好的满足功能性、半功能性零件的要求；设备昂贵，一般在数万美元到数十万美元之间；成型精度和表面质量还不尽如人意；另外在直接金属成型、CAD模型错误、成型速度和STL文件错误等方面也存在问题。针对上述问题，目前RP技术的研究热点有：(1) 利用已有的RP工艺开发新型复合成型材料。如SLA工艺使用含有增强纤维的光固化树脂

15、成型零件，FDM工艺使用陶瓷或金属粉末为主粉，高聚合物材料为固态粘结剂的复合模料，LOM工艺使用塑料或金属薄层材料等。(2) 开发桌面型设备，用于制作概念模型（Concept Modelers）和早期的设计检验，使其成为产品设计过程的重要组成部分。(3) 针对工业界的实际要求（尤其是汽车工业），开发能够直接制造大尺度零件的成型机。(4) 改进工艺和设备，开发能制造较高精度和性能零件的工业型机器和工艺技术，以满足快速零件/模具制造的需要。(5) 转换技术研究，利用RP原型获得高性能金属零件的成套工艺，如QuickCast、RapidCast技术等。(6) 改进RP与CAD造型软件的数据转换标准，

16、研究能较好替代STL文件格式的通用数据交换标准。(7) 开发新工艺。“仿真”一词译自英语单词Simulation，有时也译作“模拟”，是“模仿真实世界”的意思。在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统。计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。先进制造技术的应用和发展，为计算机仿真的应用提供新的舞台，提出更高的要求。从发展的

17、历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识，已经发展成为一门新兴的高科技技术。仿真新技术如分布交互（Distribute Interactive Simulation-DIS）、虚拟技术（Virtual Reality-VR）、人工智能(Artificial Int

18、elligence-AI)、仿真培训(Simulation Training)等正受到普遍的关注。在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终，如表2所示。表2 计算机仿真在整个产品生命周期中的应用 阶 段计算机仿真的应用概念设计产品动力学分析（如：应力分析、强度分析）产品运动学仿真（如：机构之间的连接与碰撞）详细设计刀位轨迹仿真加工过程的仿真（检查NC代码）装配仿真加工制造制造车间设计（布局、设备选择）生产计划及作业调度制定各级控制器设计故障处理测试测试用仿真器培训/维护训练用仿真器销售供应链仿真器而本项目就是在产品的详细设计阶段对其加工过程进行仿真，达到及时发现

19、模型设计缺陷、及时得到加工时间、加工成本，为加工用户提供较高的间接经济效益。由于我国RP设备十分缺乏，例如河北省SLS加工设备只有一台，因此开发基于微机的独立仿真系统十分必要。目前国内加工仿真软件多是基于数控机床加工，用来起到检查NC代码正确性的作用。而真正用于RP系统仿真的软件很少，目前已知的软件只有华中科技大学开发的HRP2001软件。而且该软件只提供基于该校开发HRP系列薄材叠层(LOM)快速成形系统的仿真功能。而如本项目可提供多种SLS设备、多种加工参数的仿真软件目前还没有。目前，国内从事RP研究的各高校已经注意到这一点，并开始开发类似软件。本项目现阶段与他们处于同等水平。二、研究内容

20、，预期目标或成果（具体说明课题研究内容，要重点解决的关键问题和本课题所要达到的目标或要取得的成果） 1 本课题研究内容和重点解决的关键问题(1) 研究内容SLS技术虽然有诸多优势，但其设备昂贵，一般在数万美元到数十万美元之间，加工成本高加工费用一般数百美元/小时，因此用仿真软件模拟加工可以提高一次成功率减少成本，因此就显得尤为重要了。因此本项目主要的研究内容是：a) 建立合理的数学模型。通过分析研究SLS的工作机理，确定各工作参数对SLS工作过程的影响规律，得到系统的简化数学模型。b) 建立主流SLS设备工作参数数据库。建立与不同加工材料对应的工作参数许用范围数据库。c) 动态模拟SLS的加工

21、过程。按照SLS设备的实际工况，可分别快速和按正常工作速度分层动态模拟SLS的加工过程，从而可验证对模型进行数据分层处理的正确性、模型设计的正确性，并能够模拟实际加工过程。d) 能够分析各主要工作参数对加工过程的影响。工作参数的不同设置对加工质量有很大的影响。(2) 关键问题a) 所加工零件形状以及设备的不同，激光扫描时的扫描路径亦不同。重点之一是解决以不同扫描路径模拟时对非凸截面轮廓的正确识别问题。b) 使系统在不同工作参数设置下模拟激光扫描后，要能够动态观察到烧结截面轮廓以及已通过烧结得到的实体零件。c) STL实体造型文件的导入根据文件中数据的排列规则，利用Visual C+文件类中的打

22、开fopen ()、关闭fclose( )，文件的随机读写fseek( )等函数可以读取相关数据，以供程序使用。另外，当读取STL文件时，只需要读取STL文件中表示向量和三角形顶点的相关数据，不需要读取文件中的其它信息。d) 分层算法从STL文件中读入的三角形数据并不能直接由系统利用。根据成型系统的工作特点，应按照给定的层厚，用不同高度的截面去切割模型，即将模型分层，以找到各层的轮廓点，从而得到各截面的相关信息。e) 缺陷修复由于STL文件格式本身的缺陷以及在转换过程中造成的问题，因此产生的STL文件难免存在一些错误，类型大致可分为以下几类：法向错误、三角形的一个顶点落在另一三角形的边上、同法

23、向面片重叠、反法向面片重叠。因此，缺陷修复包含以下工作： 裂缝及其修补； 重叠及其处理； 悬面的处理。f) 利用OpenGL实现 CSG (构造实体造型技术)造型问题对虚拟制造仿真而言，最复杂的是对加工工件的几何建模。与虚拟机床不同，后者在仿真中只是局部对象发生位置、姿态上的变化，而前者发生的是几何形状上的变化。因此要动态的建立工件随时间变化的几何模型必须利用OpenGL实现 CSG (构造实体造型技术)造型。所谓CSG就是指利用OpenGL图形库的20多个基本实体库如立方体、棱柱、锥、球等像搭积木一样搭建更高一层的实体。而要完成这个任务就要用到OpenGL对CSG实体进行布尔运算。目前以有不

24、少介绍利用OpenGL实现GSG造型的优秀文章，如文献41，应用这些成果可以在相当程度上提高CSG模型的生成速度。另外，受硬件设备的限制，几何模型的精细程度和程序的执行效率永远是一对矛盾。对于本仿真系统来说，最关心的问题是使得仿真过程更加清晰、直观、逼真。所以应优先考虑程序的执行效率。2 预期目标1) 允许用户对主流SLS设备与加工材料进行选择。设备及加工材料不同，加工时的参数设置亦不同。2) 允许用户根据实体模型以及要同时加工的零件数量设置零件排列方式。3) 既允许直接对模型进行数据分层处理，也可以用已有分层软件对模型做分层处理，并能够对分层处理后的模型显示各界面轮廓，以验证分层处理的正确性

25、。4) 允许用户根据对应的加工材料设置设备工作参数，如激光功率、预热温度、分层厚度、滚筒铺料速度等。5) 在已设工作参数下能够逐层动态模拟激光扫描过程，直至加工完全部零件为止。6) 验证实体模型设计的正确性。7) 得到零件的加工时间、耗费材料量，以及所需加工费用。对于同一种材料，可以在不同参数设置下进行上述模拟过程。3 创新点目前只有SLS设备的制造商才为其设备提供配套的加工模拟软件。SLS（选择性激光烧结）计算机仿真系统的创新之处是开发出基于微机的独立仿真系统，以适应需要用SLS设备加工但又无力购买这样的设备的企业、院校以及研究机构；从而可避免不必要的时间浪费或经济损失。本系统属先进制造领域

26、中的制造仿真，具有先进性与很强的实用价值。三、拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1. 研究方法本课题拟采用Microsoft公司的Microsoft Visual C+ 6.0结合SGI公司推出的OpenGL(Open Graphics Library)技术开发。用Microsoft Access开发所需数据库。C+是当今功能最强大、最完善的计算机语言，Visual C+是Microsoft公司推出的目前使用极为广泛的基于Windows平台的可视化编程环境。最新版本Visual C+ 6.0是在以往版本不断更新的基础上形成的，由于其功能强大、灵活性好、完全可扩展，以及强有力的In

27、ternet支持，在各种C+语言开发工具中脱颖而出，成为目前最为流行的C+语言集成开发环境。VC的优越性主要表现在4个方面：1) 开发分布式应用。VC经常用于开发需要广泛发布的应用程序，如Microsoft Word和Lotus Notes。2) 开发的应用运行效率高、具有健壮性。在开发支持成百上千并发用户的服务器程序方面，使用VC具有明显优势。3) 能缩短软件升级周期。C+类的重用特性以及它对函数库、DLL库的支持能使程序更好地模块化，并缩短软件维护和升级时间。4) VC能够生成多线程应用，而多线程应用对于增加并发响应有实际意义。OpenGL是一个性能优越的图形应用程序设计界面（API），适

28、用于广泛的计算机软硬件环境。它以高性能的交互式三维图形建模能力和易于编程开发，得到了Microsoft、IBM、DEC、SUN、HP等大公司的认同。OpenGL主要特点：1) 图形质量高，性能好。2) 标准化，OpenGL是唯一真正开放、独立于供应商的跨平台的图形标准。3) 稳定性强，可很好的向前兼容。4) 具有可靠性和可移植性。因而，OpenGL已经成为一种三维图形开发工业标准，被人们广泛应用于科学可视化、实体造型、CAD/CAM、模拟仿真、三维游戏等诸多领域，是从事三维图形开发工作的必要工具。2. 技术路线本项目涉及需求定义、需求分析、方案设计、软件开发、程序测试及软件运行等多个阶段。1)

29、 首先要确定软件开发的目标和总体要求，制订开发计划。在需求分析阶段，将明确确定出软件的功能要求和设计约束。2) 方案设计阶段将涉及软件结构、模块划分、功能分配以及处理流程等多项内容，最终要使方案细化、具体化。3) 在程序编写阶段，将编制出正确、可读性好、满足功能要求的程序，并进行认真调试。4) 在程序测试阶段，将对系统进行总装测试和确认测试，以发现问题、纠正错误，使软件达到预定要求。5) 在软件运行与维护阶段，将根据新提出的需要和运行中发现的问题进行必要且可能的扩充与修改。3. 总体方案本系统主要分四大部分：数据处理模块、三维实体操作模块、加工仿真模块、数据库管理模块。如图3所示。图3 软件系

30、统体系结构图系统内部信息的流向如图4所示图4 SLS计算机仿真系统功能模型图图中双点划线框表示软件系统，虚线框为各功能模块，箭头表明了模块间数据信息的传递情况。用户向软件输入STL文件、选择加工的设备型号、加工参数，系统最终给出加工时间、材料消耗量、加工成本并动态模拟加工过程。各模块具体实现的功能如下：（1）数据处理a 输入CAD三维造型软件生成的STL格式文件；b 打开STL格式文件，顺序读取文件中的相关数据并存储；c 对数据进行判断，自动修复数据错误；d 对数据进行分层处理，输出截面轮廓；e 对截面轮廓数据进行再处理，找轮廓的扫描点；（2）三维体操作模块对被加工的零件进行移动、旋转和缩放操

31、作，从而使用户可以全面、直观的了解零件的设计情况，为最终加工作准备。能以顶点、线框和实体三种模式显示零件。能以响应鼠标消息的模式进行人机交互。（3）加工过程仿真采用OPENGL技术实现加工过程的实时仿真、超时实时仿真。众所周知，系统动态模型的时间标尺可以和实际系统的时间标尺不同，前者受仿真时钟控制，而后者受实际时钟控制。所谓实时仿真，即仿真时钟与实际时钟是完全一致的。而超实时仿真，则是仿真时钟比实际时钟快。本系统中实时仿真主要用于验证加工时工件每一层的正确性，而超实时仿真则用来计算加工时间、原料消耗和成本。该模块可显示实体以检验STL文件的正确性，实现动态加工模拟来检查任意时刻任意截面的状态。从加工参数库中提取加工设备、加工参数为用户计算加工时间以计算加工费用从而找到最优加工方案。（4）数据库管理系统包含两个数据库：实体数据存储库和加工参数库。其中实体数据存储库用来存放数据处理模块输出的轮廓扫描点的坐标值，这样以后用到时可随时调用。优点是节省内存空间，利于复杂零件的操作。加工参数库则用来存放不同SLS加工设备生产商的设备数据、加工参数数据、材料数据。用户可以在菜单中“设备定参”一项中进行设置。（5）界面设计a 包括启动画面，系统主界面、以及各个界面之间的相互关系的设计。b 有关SLS系统的原理、设备、材料和