快速原型即快速成型ＲＰ（ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）掘而，指根據(jù)ＣＡＤ模型（電子模型）逐層完成實(shí)體原型的制造技術(shù)。它發(fā)展自20世紀(jì)80年代后期鹏漆，是機(jī)械工程巩梢、ＣＡＤ、數(shù)控技術(shù)艺玲、激光技術(shù)及材料科學(xué)的技術(shù)集成括蝠，它可以自動而迅速地直接由ＣＡＤ模型制作三維實(shí)體鞠抑，而不需要機(jī)械加工和任何模具。具體來說快速原型技術(shù)是把在ＣＡＤ系統(tǒng)上建立的三維實(shí)體模型離散化忌警，在實(shí)體模型的高度方向上按幾何形狀變化分成不同厚度的薄層搁拙，用這些不同高度的層面信息來控制成型設(shè)備進(jìn)行層面加工。將這些薄層堆積起來法绵，便得到加工所需的三維造型箕速。

        1、基于直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)分析　　

        目前快速成型制造技術(shù)的具體工藝不下30余種熏萎，最為成熟的有4種［1］茵箩，即熔融沉積造型ＦＤＭ（ｆｕｓｅｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇ），立體印刷成型ＳＬＡ（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｐｐａｒａｔｕｓ）吃会，層合實(shí)體制造ＬＯＭ（ｌａｍｉｎａｔｅｄｏｂｊｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）脾询，選域激光燒結(jié)ＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等。近年來所開發(fā)各種快速原型機(jī)炊办，雖然所用工藝不同斧枚，但是其機(jī)械機(jī)構(gòu)部分和分層軟件原理卻是大致相同。普通直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)在加工圓環(huán)薄壁零件時何哎，存在著一些缺點(diǎn)海拾。首先從直角坐標(biāo)機(jī)械機(jī)構(gòu)看。拿我校所購買的美國Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司生產(chǎn)的雙噴頭ＦＤＭ為例填阅，其運(yùn)動由ＸＹＺ3個方向3個坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)眉脖。Ｚ方向?qū)崿F(xiàn)零件的層面轉(zhuǎn)換，依次加工零件各層茶壹。而在平面直角坐標(biāo)下噴頭的Ｘ和Ｙ向的移動而實(shí)現(xiàn)截面加工头趴。利用直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)加工旋轉(zhuǎn)體零件，在填充截面內(nèi)部時咆蒿，噴頭的圓弧運(yùn)動軌跡常用直線段代替东抹。如圖1所示，噴頭的原始位置在Ｏ點(diǎn)沃测，沿圖中所示的軌跡運(yùn)動缭黔，經(jīng)Ａ點(diǎn)到Ｂ點(diǎn)開始吐料，然后沿ＢＣ—ＣＤ—ＤＥ—ＥＦ蒂破，直至加工完成整個截面馏谨。圓弧段ＢＣ在加工過程中是由直線段ＢＣ代替的，而且附迷，圖中看到的斜線段ＣＤ和ＥＦ實(shí)際上是垂直于Ｘ軸的惧互。所以，這便帶來零件輪廓的失真現(xiàn)象喇伯。尤其是薄壁零件喊儡，其截面一般是圓環(huán)拨与，而且內(nèi)圓和外圓的半徑相差不大。要想得到較為精確的零件艾猜，對快速原型設(shè)備的精度要求就很高买喧。理論上講，只要圓皇酌啊ＢＣ和垂線段ＣＤ足夠短榔屈，也就是說，讓噴頭的直徑足夠小突仆，控制Ｘ和Ｙ向運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)足夠精確（主要是控制噴嘴在Ｘ和Ｙ向同時運(yùn)動）蔫横，就可以還原出零件的真實(shí)輪廓桐赠。但是穆垦，這不僅對技術(shù)上提出了較高的要求，而且成本較高涌粱，價(jià)格昂貴辱郑。從根本上講，噴頭的直徑還是存在的侵选，所加工工件的輪廓依然是近似出來的糟糊。所以，在加工截面為圓環(huán)（內(nèi)外圓半徑相差不大）的薄壁零件時盐儿，采用ＸＹ直角坐標(biāo)無法從根本上解決這一問題讳臣。

其次，從普通快速原型機(jī)的分層軟件來看稠鼻，快速原型制造軟件技術(shù)的原理都是采用分層累加法冈止，即用ＣＡＤ造型，生成ＳＴＬ文件候齿，分層切片等步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理熙暴，借助計(jì)算機(jī)控制成型機(jī)完成材料的形體制造。大部分的分層軟件都是在ＳＴＬ文件格式的基礎(chǔ)上進(jìn)行的慌盯，因此周霉，要對模型進(jìn)行表面網(wǎng)絡(luò)化處理，用三角形平面片來近似原來的曲面或平面亚皂。此種文件格式進(jìn)行分層俱箱，所得到的曲線是由若干小的線段連接而成。所以灭必，在加工圓環(huán)薄壁零件時匠楚，經(jīng)過分層所得到的層片邊界是多邊形而非圓形。以此作為加工跡線必然得不到截面真實(shí)形狀厂财。

        為了解決上述兩種現(xiàn)象芋簿，文中提出了利用極坐標(biāo)原理而設(shè)計(jì)快速原型機(jī)的思想修鲤，并且在此基礎(chǔ)上提出了其分層軟件的技術(shù)解決方案。

        2扎瞧、基于極坐標(biāo)快速原型機(jī)的基本機(jī)構(gòu)

        采用極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)基本機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示乓记。電機(jī)1控制工作臺的升降（ｚ向），由此而實(shí)現(xiàn)零件的逐層加工草颤。由電機(jī)2控制噴嘴部分的旋轉(zhuǎn)（控制轉(zhuǎn)角θ）锌筝，由電機(jī)3來控制噴嘴部分的徑向運(yùn)動（ｒ向）。

        和普通的直角坐標(biāo)系的快速原型機(jī)相比捏表，采用此種機(jī)構(gòu)的快速成型機(jī)在加工旋轉(zhuǎn)體薄壁零件的優(yōu)勢是顯而易見的法铝，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
    ａ．噴頭運(yùn)動軌跡是真實(shí)的圓，而不再是近似的多邊形镊迟。
    ｂ．加工時零件截面輪廓一次完成级案，從而縮短加工周期。
    ｃ．控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)只有所得截面的半徑和旋轉(zhuǎn)的角度箭溜，因而控制設(shè)計(jì)較為簡單溉贞。
    ｄ．采用此種機(jī)構(gòu)研制開發(fā)簡單，是一種經(jīng)濟(jì)型的小型快速原型機(jī)桦陨，適合教學(xué)研究使用咒循。

         3、基于極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)快速原型機(jī)的分層軟件解決方案　　

        從ＣＡＤ到ＲＰ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法有2種绞愚，一種是對ＳＴＬ文件進(jìn)行分層處理叙甸。基于這種文件格式位衩，要對模型進(jìn)行表面網(wǎng)絡(luò)化處理裆蒸，用三角形平面片來近似原來的曲面或平面。ＳＴＬ文件記錄每個三角形平面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量蚂四。由這兩點(diǎn)可以看出光戈，使用ＳＴＬ文件不僅數(shù)據(jù)量大，而且曲面的網(wǎng)格化近似降低了模型的精度遂赠。雖然目前ＳＴＬ格式文件已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)久妆，但由于它的上述缺點(diǎn)，尋求何種合適的數(shù)據(jù)格式（如ＩＧＥＳ跷睦，ＳＴＥＰ筷弦，ＣＦＬ等）作為ＣＡＤ和ＲＰ的接口是近年來研究的熱點(diǎn)［2］。另一種是在ＣＡＤ模型的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行分層處理［3］抑诸，不但可以避免表面網(wǎng)格化所帶來的誤差友移，也無需借助中介的文件轉(zhuǎn)換格式。但若是基于直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)玷仗，這種直接對ＣＡＤ模型分層的方式需要更為復(fù)雜的算法洽灿。而在極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上撒肉，采用直接分層卻大大簡化，不需要復(fù)雜的算法盆述。

          在諸多ＣＡＤ軟件中实腹，ＡｕｔｏＣＡＤ可以滿足三維造型到截面幾何數(shù)據(jù)獲取的要求［4］。由于ＡｕｔｏＣＡＤ的ＵＣＳ功能和獲取截面命令霜铸，可以很方便的得到三維實(shí)體的任意截面幾何數(shù)據(jù)滥诀。

        3．1　圓環(huán)截面加工跡線生成方法

對于薄壁旋轉(zhuǎn)體零件，在它的高度方向上的任意橫截面均為圓環(huán)形灌大。由于快速原型制造中使用的是相應(yīng)的圓環(huán)截面的掃描線作為加工跡線婴可，。因此在得到了截面信息后死唇，可以用ＡｕｔｏＣＡＤ的繪制圓的命令Ｃｉｒｃｌｅ在圓環(huán)截面內(nèi)部繪制圓蠕祟，以此作為加工跡線，稱為同心圓法莱衩。這些圓的半徑應(yīng)在圓環(huán)的內(nèi)外圓半徑之間爵嗅。所繪制的最大圓的半徑應(yīng)該為圓環(huán)截面外圓半徑減去噴嘴的直徑娇澎。而最小圓的半徑應(yīng)為圓環(huán)截面內(nèi)圓半徑加上噴嘴直徑笨蚁。例如，某一圓環(huán)截面的外圓半徑為Ｒ趟庄，內(nèi)圓半徑ｒ括细，噴頭的半徑Ｒｊ，則所繪制的最大圓半徑Ｒｍａｘ和最小圓半徑Ｒｍｉｎ用以下公式確定：
    Ｒｍａｘ=Ｒ-Ｒｊ（1）
    Ｒｍｉｎ=ｒ+Ｒｊ（2）

         而所繪同心圓的個數(shù)則根據(jù)所繪制的最大圓半徑Ｒｍａｘ和最小圓半徑Ｒｍｉｎ以及工件的質(zhì)量要求決定戚啥。設(shè)兩相鄰?fù)膱A半徑之差為Ｕ奋单，Ｕ的大小反映了工件的質(zhì)量。Ｕ越小猫十，工件密度高览濒，強(qiáng)度較好。但是Ｕ不能小于噴頭直徑拖云，否則產(chǎn)生干涉贷笛。同心圓的個數(shù)Ｍ可由以下公式確定：
    Ｍ=（Ｒｍａｘ-Ｒｍｉｎ）／Ｕ+1（3）

各同心圓半徑依次為：
    Ｒｉ=Ｒｍｉｎ+ｉＵ或Ｒｉ=Ｒｍａｘ-ｉＵ，ｉ=0～5（4）

         由于用ＡｕｔｏＣＡＤ繪制圓的順序便決定了加工順序宙项，所以石被，為方便加工，繪制同心圓時從靠近內(nèi)圓的部分開始繪制定岳。只要通過連續(xù)的調(diào)用ＣＡＤ模型高度方向上各個截面幾何數(shù)據(jù)低吠，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制同心圓池膜，然后提取同心圓的數(shù)據(jù)信息非淹，即可方便的轉(zhuǎn)換成可控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的代碼箭基，完成分層的要求。具體的分層軟件其運(yùn)行流程如圖3所示周讯。

如圖4所示的唆，此時噴頭的運(yùn)動軌跡從Ｏ點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)Ａ點(diǎn)后噴頭開始吐料浅仑，并沿圓1運(yùn)動一周（應(yīng)該略小于360°）求瞎，然后自Ａ點(diǎn)沿直線段ＡＢ運(yùn)動至Ｂ點(diǎn)，最后沿圓2運(yùn)動一周屿扮，以此類推睦作，直至完成加工要求。對于剖切所得到的各個截面叹放，在繪制完同心圓之后饰恕，截面信息包括圓環(huán)截面的輪廓和所繪制的填充圓環(huán)內(nèi)部的同心圓。而實(shí)際的控制噴嘴運(yùn)動的加工跡線是那些同心圓井仰，因此應(yīng)該把同心圓畫在和圓環(huán)輪廓不同的圖層上埋嵌，通過ｄｘｆｏｕｔ命令以ＤＸＦ文件格式保存，為生成電機(jī)控制指令作準(zhǔn)備俱恶。由于所得到的加工跡線均為圓形雹嗦，所以，采用極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)合是，決定控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)只要有半徑就可以得到了罪。

         根據(jù)上述思想，該分層軟件是在Ｗｉｎｄｏｗｓ2000下聪全，通過ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ對ＡｕｔｏＣＡＤ2002進(jìn)行二次開發(fā)泊藕，編程語言使用ＶＣ++6．0。ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ是Ａｕ ｔｏｄｅｓｋ公司針對ＡｕｔｏＣＡＤ（13．0或以上版本）平臺上的二次開發(fā)而推出的一個開發(fā)軟件包难礼，它支持面向?qū)ο缶幊蹋?］娃圆。

         3．2　壁厚較厚的薄壁零件分層方法

         由于快速原型技術(shù)是基于離散／堆積的分層制造思想，所以層與層間的粘合的好壞直接影響到制品的質(zhì)量涂颠」塘常快速原型技術(shù)是以截面的掃描跡線作為加工軌跡的，對于直坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)扑认，為了提高層與層間的粘合度逻事，層與層間的掃描方向應(yīng)是互相垂直的，這樣可以使加工不同層時犯舆，噴頭運(yùn)動軌跡交織進(jìn)行畜溺，因而粘合強(qiáng)度較好。而極坐標(biāo)加工時加工跡線均是圓形，這無疑使相鄰層間的粘合強(qiáng)度降低理章。薄壁零件的壁厚較薄時欺枚，此種加工方法仍是可取的。而對壁厚較厚的薄壁零件分層加工軌跡厂均，可以用另外一種方法來實(shí)現(xiàn)竖习。

        在獲得某一截面圖形后，可以做出如圖5所示的軌跡線碱茁。假設(shè)所得到截面的外圓直徑為2Ｒ裸卫，內(nèi)圓直徑為2ｒ。噴頭半徑為Ｒｊ纽竣，可以看出噴頭的運(yùn)動軌跡從Ｏ點(diǎn)出發(fā)墓贿，自Ａ點(diǎn)開始吐料，經(jīng)過直線段ＡＢ蜓氨，再經(jīng)由圓涣ＢＣ到達(dá)Ｃ點(diǎn)，隨后沿直線段ＣＤ到Ｄ點(diǎn)穴吹，接下來再經(jīng)圓挥睦铡ＤＥ到Ｅ點(diǎn)，依次進(jìn)行下去港令，最終回到Ａ點(diǎn)啥容。直線段ＡＢ和ＣＤ均沿半徑方向指向圓心。其中圓徊琛ＢＣ的半徑為Ｒｍａｘ干毅，可由式（1）確定宜猜，而圓黄梅怠ＤＥ的半徑為Ｒｍｉｎ，由式（2）確定寇杆。該種填充截面掃描線的方法稱為圓弧半徑法沥卦。與該層相鄰的上下兩個截面，則仍可以以同心圓法得出噴頭運(yùn)動軌跡构演。兩種方法交替進(jìn)行辩钢，即可得到整個三維造型的各個截面掃描線。在進(jìn)行截面數(shù)據(jù)處理時允由，也應(yīng)把填充的直線段ＡＢ—圓慌嫒ＢＣ—直線段ＣＤ—圓弧ＤＥ谒只，直至回到Ａ點(diǎn)的軌跡畫在和內(nèi)外圓截面不同的圖層上墩衍，單獨(dú)以ＤＸＦ文件存儲，為進(jìn)一步生成驅(qū)動指令做準(zhǔn)備。

        使用此種方法谢市，可以看到各層之間加工交織進(jìn)行沼币，這無疑提高了層與層間的粘合強(qiáng)度。而此種方法與直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)相比寞奸，其優(yōu)勢依然存在：不僅運(yùn)動軌跡簡單呛谜，而且還保證了內(nèi)部截面輪廓的圓弧特性。但是枪萄，這種圓弧半徑填充截面軌跡的方法較為煩瑣隐岛，這便使得程序的編制較為復(fù)雜。另外瓷翻，由圖中也可以看出礼仗，直線段ＡＢ和ＣＤ都是指向圓心，靠近圓心的地方比較密集逻悠，所以當(dāng)零件厚度較厚時元践，噴頭容易出現(xiàn)干涉問題，而且會出現(xiàn)靠近外圓部分物料較稀疏童谒，靠近中心部分物料較密集的密度不均現(xiàn)象单旁。但是，在加工薄壁零件時饥伊，這種情況時可以忽略不計(jì)象浑，是可行的。

        4陈谜、應(yīng)用實(shí)例

        對設(shè)計(jì)出來的茶杯三維造型進(jìn)行分層處理庸尚，如圖6ａ所示。運(yùn)用我校所購美國Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司生產(chǎn)的雙噴頭ＦＤＭ隨機(jī)所帶的分層軟件直接對茶杯的ＳＴＬ文件進(jìn)行分層牍系，所得的某一截面的加工軌跡（噴頭的運(yùn)動軌跡）如圖6ｂ所示换乙。由于茶杯壁較薄，圖中可以明顯看到所生成的鋸齒形加工軌跡存在不連續(xù)和不均勻的現(xiàn)象户寺。這就會造成茶杯的薄壁厚度不均勻膀娱。另一方面，采用直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)抢督，由于驅(qū)動機(jī)構(gòu)精度有限稼注，最終影響成品的質(zhì)量。

而通過極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)快速成型設(shè)備喧雹，用前述的方法編程軟件運(yùn)行栓堕，對茶杯的三維圖形進(jìn)行直接分層，可得其某一截面的加工軌跡如圖6ｃ所示越名。由于杯壁較薄裤爆，此時的噴頭運(yùn)動軌跡均為圓，通過極坐標(biāo)機(jī)構(gòu)也可方便實(shí)現(xiàn)，所以可有效防止上述情況的發(fā)生糕伐，進(jìn)而提高了成品質(zhì)量砰琢。

        5、結(jié)束語
         ａ．利用柱坐標(biāo)機(jī)械機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)可以有效的解決在加工旋轉(zhuǎn)體薄壁零件的輪廓失真現(xiàn)象良瞧，即在加工截面輪廓是圓環(huán)型的零件陪汽，柱坐標(biāo)機(jī)械機(jī)構(gòu)可以真實(shí)的加工出其輪廓。
         ｂ．采用柱坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的快速原型機(jī)不僅成本較低褥蚯，而且控制系統(tǒng)簡單挚冤，分層軟件方案解決較為簡便，可以方便的對ＣＡＤ模型直接分層赞庶，避免ＳＴＬ文件近似造成的誤差训挡。
         ｃ．它的分層軟件可以基于ＡｕｔｏＣＡＤ軟件開發(fā)完成，所以便于廣泛應(yīng)用歧强，是快速原型機(jī)一種經(jīng)濟(jì)型的解決方案澜薄，便于研制與開發(fā)，可以很好的解決薄壁零件的加工問題摊册。
         ｄ．對于壁厚較厚的零件加工截面軌跡肤京，文中提出了一種簡單的解決方法，即結(jié)合同心圓法和圓弧半徑法來填充截面掃描線找骏，但是還存在著一定的缺點(diǎn)腿逞，有待于完善。

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