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1、合肥工业大学 硕士学位论文 快速成型（RP）制件精度控制体系与误差补偿研究 姓名：谢超 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：韩江 2011-04 4 快速成型（RP）制件精度控制体系与误差补偿研究 摘 要 快速成型（RP）制件精度控制体系与误差补偿研究 摘 要 快速成型技术(Rapid Prototyping technology，RP)是上世纪 80 年代末期发 展起来的一项先进制造技术，是制造技术领域的一项突破性进展。它是在计算 机控制与管理下，根据零件的 CAD 模型，采用材料精确堆积的方法制造原型或 零件的技术，是一种基于离散/堆积成型原理的新型制造方法。 近年来，
2、快速成型技术由于其诸多优点而倍受学术界和制造业关注。但是， 目前 RP 制件的精度还不能令人满意，这将严重阻碍该技术的推广和应用。RP 制件的精度问题已经成为快速成型领域里的研究热点之一。 本文针对快速成型技术目前存在的制件精度问题，主要从以下几个方面进 行了研究和探讨。 首先，从系统的角度分析了 RP 制件精度的影响因素，并提出了建构 RP 制 件精度控制体系。 其次，通过对 RP 制件表面不同部位精度要求的差异性分析，提出了关键部 位精度补偿的思想和实现方法，在满足 STL 模型整体精度要求的前提下，减少 了 STL 模型数据量，节省了一定的磁盘空间，提高了 RP 系统数据处理速度。 第三
3、，为了合理简化 STL 模型，提出通过过滤部分钝角三角形简化 STL 模 型的方法，对于进一步缩小 STL 文件的尺寸收到了较好的效果。 最后，分析了成型方向与 RP 制件表面台阶误差的关系。以发动机盖外板为 例，介绍局部误差补偿方法的应用，讨论了三角形平面在成型方向上的倾斜程 度对于制件表面粗糙度的影响，评价了成型方向对阶梯误差的影响。 关键词：关键词：快速成型；STL 模型；切片；精度分析；误差补偿 5 Rapid prototyping (RP) workpieces accuracy control system and error compensation study ABSTRAC
4、T Rapid Prototyping is an advanced manufacturing technology that appeared in late 1980s, which is a breakthrough in the manufacturing field. Its working principle is that, controlled and managed by computer, piling up special materials accurately to form a prototype or part according to parts CAD mo
5、del. It is a new manufacturing method that based on disperse-pile principle. Because of its superiorities to the other forming technology, RP is being highly appreciated by more and more researchers and manufacturers in recent years. But the precision of RP work pieces sometime can not meet the dema
6、nd, which is the obstacle to the popularization and applications of it. The precision of RP work pieces has become a heat topic in RP field. In order to solve the problems in the RP field, this dissertation has done some research and acquirement from the following aspects. Firstly, the paper has ana
7、lyzed the factors which affect the precision of RP work pieces, and put forward to build a system for controlling the precision of RP work-piece. Secondly, through analyzing the precision of RP work-piece surface，a method was put forward to compensate part precision, it helped ensure the overall pre
8、cision and reduce the size of STL file at the same time ,saving enough space for disk. Thirdly, in order to further reasonably simplify the STL model and reduce the file size, the dissertation brought up a method to eliminate certain obtuse triangular facets from the file; it can help to shorten tim
9、e spent on working out the outline, gained useful effect at last. Finally, the paper has analyzed the relationship between building direction and stair error on the RP work-piece. The effect of triangular facets slope on surface roughness of the work was discussed; the influence of building directio
10、n to stair error was evaluated in the end. KEYWORDS: Rapid Prototyping, STL model, slicing，precision analysis, error compensation 9 插图清单插图清单 图 1.1 RP 基本工作原理.2 图 1.2 RP 技术的基本原理2 图 1.3 SLA 成型机理 .3 图 1.4 SLS 工艺成型机理4 图 1.5 LOM 工艺成型机理5 图 1.6 FDM 成型机理6 图 2.1 快速成型技术系统的工作流程12 图 2.2 RP 制件的影响因素13 图 2.3 切片原理误差
11、14 图 2.4 切片阶梯误差14 图 2.5 过固化对制作精度的影响15 图 2.6 光斑对制件精度的影响15 图 2.7 对制件表面往复扫描示意图16 图 2.8 工艺路线图18 图 2.9 CAE 中工艺路线图.19 图 2.10 CAD 模型到产品的工艺路线图.19 图 2.11 多回路误差控制及反馈系统19 图 2.12 三维非线性闭环控制系统结构20 图 3.1 STL 文件的导出24 图 3.2 程序结果显示 STL 没有包含错误.26 图 3.3 查找出 STL 模型出现孤立的边.26 图 3.4 STL 模型简化示意图27 图 3.5 STL 简化程序流程图28 图3.6 简
12、化前的STL模型29 图3.7 cos=0.82的模型.29 图3.8 cos=0.8的模型29 图3.9 cos=0.6的模型29 图 3.10 不同控制条件下的简化效果29 图 3.11 平面逼近曲面示意图.29 图 3.12 弦高与三角形数目、表面积误差和体积误差的关系31 图 3.13 STL 模型各局部精度损失情况32 图 3.14 新四面体生成效果图33 图 3.15 四面体生成示意图34 图 3.16 补偿后 STL 的逼近误差评价.38 图 4.1 成型方向对阶梯误差的影响41 10 图 4.2 阶梯效应示意图41 图 4.3 三角面片的倾斜度41 图 4.4 支座 CAD 模
13、型图41 图 4.5 成型方向 Z1.41 图 4.6 成型方向 Z2.41 图 4.7 成型方向 Z3.41 图 5.1 某轿车发动机盖外板45 图 5.2 某车型发动机盖外板 CAD 模型46 图 5.3 发动机盖外板的 STL 模型.46 图 5.4 弦高值改变时三角形数目和 STL 文件尺寸变化情况.47 图 5.5 最大控制内角改变时三角形数目变化情况47 图 5.6 最大控制内角改变时 STL 文件尺寸变化情况.48 图 5.7 直接生成的模型（ch=1.5）.48 图 5.8 外侧补偿后的模型.48 图 5.9 内侧补偿后的模型48 11 表格清单表格清单 表 2.1 制件尺寸数
14、据.12 表 4.1 不同成型方向对应的 H 值 44 表 5.1 发动机盖外板 STL 模型误差补偿前后数据对比 .49 3 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：谢超 签字日期 2011-6-9 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全
15、了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文者签名：谢超 导师签名：韩江 签字日期:2011 年 06 月 09 日 签字日期： 2011 年 06 月 09 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高
16、性能、低成本、高 科技的方向发展， 一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、 个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制 造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的 产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观 从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的 转移，也就是各国致力于 CIMS（Computer Integrated Manufacture System） 、 并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因1。 快速成型(Rapid Prototyping)技术正是在这种时代的需求下应运而生的， 是在现代 CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术等基 础上集成发展起来的一项先进制造技术，对促进企业产品创新、缩短开发
