陳云霞，王小京

（1.河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 前言

電子束快速成型是電子束加工與快速制造技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)，不僅可以充分利用電子束真空加工環(huán)境、高能量密度、掃描速度快、精密控制等優(yōu)點，而且能夠發(fā)揮快速制造無需工模具、開發(fā)周期短及制造成本低等優(yōu)勢，預(yù)計將在汽車、航空航天及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。

但是，所有的快速成型制造方法都需要用CAD數(shù)字模型來直接驅(qū)動，而來源于CAD的數(shù)字模型都必須處理成快速成型系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式，即在快速成型加工前需要對三維CAD實體模型進(jìn)行疊層方向的離散化處理，通常稱作分層處理[4]。分層處理就是用一系列平行于xy坐標(biāo)面的平面截取三維實體數(shù)據(jù)模型進(jìn)而獲取各層幾何信息，通過數(shù)據(jù)分層處理便可將三維加工問題轉(zhuǎn)化為二維加工問題，使加工工藝簡化，同時完全解決了加工中的幾何干涉問題，可以說獲取零件模型切平面的二維輪廓數(shù)據(jù)是進(jìn)行電子束快速成型制造的第一步，分層處理所獲得的二維輪廓數(shù)據(jù)的質(zhì)量在一定程度上決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到是否能實現(xiàn)“快速制造”的根本目標(biāo)。

1 快速成型中的主要切片方式

從三維模型獲得二維層片信息的方法有三種：一是將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL模型，然后對STL模型進(jìn)行切片處理；二是直接對CAD模型進(jìn)行切片，獲得層片數(shù)據(jù)；三是在反求工程中，通過測量實體獲得層片數(shù)據(jù)[5]。其中第一種方法應(yīng)用最為廣泛，但由于STL數(shù)據(jù)格式本身固有的缺陷，使得RP&M研究者花費大量的時間和精力用在檢驗STL數(shù)據(jù)格式的正確性或修正其錯誤。第三種方法利用反求的二維層片數(shù)據(jù)可以避開CAD建模，但僅適用于特定的需求。本研究采用第二種方法，即為電子束快速成型系統(tǒng)單獨開發(fā)一套直接切片的軟件接口。

2 CAD直接切片的數(shù)據(jù)描述格式

三維CAD模型經(jīng)過直接切片以后，處于二維的輪廓環(huán)描述狀態(tài)，這類數(shù)據(jù)可以在快速成型、無模具成型等分層加工工藝和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。目前，由于研究人員開發(fā)平臺的差別，直接切片數(shù)據(jù)存在多種描述格式，主要有CLI、STEP、STL、IGES、DWG、DXF、BMP 等[6-7]。其中，比較著名的有CLI(Conmon layer Interface)、SLC(Stereo Lithography Contour)、DXF等格式，它們都采用線性近似方法來描述實體輪廓。

BMP是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式，它是Windows環(huán)境中交換與圖有關(guān)的數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)，因此在Windows環(huán)境中運行的圖形圖像軟件都支持BMP圖像格式。

BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù)四部分組成。其中，位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖的每一個像素值，記錄順序是在掃描行內(nèi)從左到右，掃描行之間從下到上，兩個字節(jié)表示一個像素，陣列中的第一個字節(jié)表示位圖左下角的像素，而最后一個字節(jié)表示位圖右上角的像素。位圖的一個像素值所占的字節(jié)數(shù)：當(dāng)biBitCount=1時，8個像素占1個字節(jié)；當(dāng)biBitCount=4時，2個像素占1個字節(jié)；當(dāng)biBitCount=8時，1個像素占1個字節(jié)；當(dāng)biBitCount=24時，1個像素占3個字節(jié)。

Windows規(guī)定一個掃描行所占的字節(jié)數(shù)必須是4的倍數(shù)(即以long為單位)，不足的以0填充。

它采用位映射存儲格式，圖像深度可以用1 bit、4 bit、8 bit及 24 bit來描述，圖 1 為一個直接切片BMP文件的位圖數(shù)據(jù)例子。

圖1 Backing block模型直接切片的BMP圖形及位圖數(shù)據(jù)Fig.1 BMP graphics and bitmap data of the backing block model direct slicing

BMP數(shù)據(jù)格式采用像素來描述實體輪廓，在精度上比CLI、SLC、DXF等數(shù)據(jù)格式都有所提高，比較適合于直接切片的技術(shù)要求。

AutoCAD自身可以輸出包括DXF（圖形交換格式）、EPS、ACIS、WMF、BMP、STL、DXX 等類型格式的文件?？紤]到直觀性和LabVIEW軟件的兼容性，在此選取BMP文件作為切片存儲圖形的數(shù)據(jù)格式。

3 AutoCAD直接切片方案

電子束三維掃描控制軟件依托于AutoCAD系統(tǒng)的BMP特征，直接從3D模型上通過二次開發(fā)的AutoSlice軟件預(yù)先得到一系列二維切片的BMP文件，再由LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)的三維掃描電子束控制軟件讀入BMP文件，進(jìn)行輪廓識別和數(shù)據(jù)填充處理，發(fā)出控制信息，完成加工過程，加工示意如圖2所示。

圖2 AutoCAD直接切片研究的總體方案Fig.2 Illusion of AutoCAD direct slicing process

由圖2可知，整個直接切片軟件由AutoSlice宏文件和三維掃描電子束軟件兩部分組成，以BMP文件作為中間文件接口。因此，直接切片應(yīng)用的整個工作過程可以描述為：利用AutoSlice宏文件獲取目標(biāo)模型的二維截面數(shù)據(jù)，儲存于BMP文件中；利用三維掃描電子束軟件對BMP文件進(jìn)行詮釋，應(yīng)用于電子束快速成型系統(tǒng)中。

3.1 開發(fā)工具Visual LISP語言

Visual LISP是 Autodesk公司在 1997年的AutoCADR14版本中推出的，它是為加速AutoLISP程序開發(fā)而設(shè)計的軟件開發(fā)工具，是一個完整的集成開發(fā)環(huán)境。Visual LISP包括文本編輯器、格式編排器、語法檢查器、源代碼調(diào)試器、檢驗和監(jiān)視工具、文件編譯器、工程管理系統(tǒng)、上下文相關(guān)幫助與自動匹配功能和智能化控制臺等。Visual LISP的用戶界面良好，用過Microsoft軟件的用戶只需很短的時間即可掌握[8]。

3.2 AutoSlice宏開發(fā)

AutoSlice宏主要完成CAD模型直接切片的功能，并將切片結(jié)果表示為像素描述的BMP格式，存儲于指定路徑的BMP文件可供三維掃描電子束快速成型數(shù)據(jù)處理調(diào)用。任何在CAD中造型得到的三維模型均可以直接進(jìn)行切片。

利用系統(tǒng)功能將加工方向調(diào)整為世界坐標(biāo)系中的方向，連續(xù)運行AutoSlice宏，即可自動進(jìn)行切片。在AutoSlice宏運行中會出現(xiàn)切片參數(shù)對話框，如圖3所示，操作者根據(jù)CAD模型輸入x、y、z三個方向的長度，選擇切片方向和切片厚度值，切片厚度一般可輸入0.1～0.5 mm，最后設(shè)置切片文件的存儲路徑。完成后，在指定存儲路徑中會自動出現(xiàn)一系列以層序為前綴、bmp為后綴的切片文件，如5.bmp表示第五層切片的輪廓。

以z向切片為例，整個切片算法的實施步驟為：

（1）讀入CAD模型文件并獲取模型z坐標(biāo)的最大值和最小值。

（2）確定切片厚度。

（3）計算切片層數(shù)。

（4）用平行xy平面剖切CAD模型獲得當(dāng)前層。

（5）選擇切片生成曲線。

（6）儲存入BMP文件中。

（7）將切平面移至下一個分層面，并判斷該切平面是否超出模型的最大高度，如果未超出則轉(zhuǎn)至步驟（4），如果超出則進(jìn)入步驟（8）。

（8）結(jié)束分層處理。

需要強調(diào)的是，本軟件采用等厚度離線切片工作方式，在切片開始時將切片高度偏置了一個層厚，也就是說第一次切片時不是在零件底部、而是在離底部一個層厚的位置開始的，以后每層都擱一個層厚切片，這主要是考慮到零件制作的第一層在電子束燒結(jié)后實際上形成了具有一定厚度的薄片，而電子束是在這個薄片的頂部進(jìn)行燒結(jié)，電子束燒結(jié)的輪廓相對于制作底部有一個層厚的高度，采用這種方法，可以使模型制作更加準(zhǔn)確。

圖3 切片參數(shù)設(shè)定對話框Fig.3 Dialog of slice parameters setting

3.3 直接切片應(yīng)用實例

圖4是一個梅花齒輪分層實例模型。首先通過三維造型軟件CAD構(gòu)造出齒輪零件的三維模型，z向高度 4.5 mm，切片厚度 0.3 mm，運行 AutoSlice宏直接切片，切片輸出為BMP格式。該零件含有15個BMP文件，后續(xù)采用基于LabVIEW IMAQ vision圖像處理軟件來獲取全部的切片輪廓數(shù)據(jù)。至此，實現(xiàn)了三維模型向二維圖形轉(zhuǎn)換，完成了分層功能并得到了相應(yīng)平面的輪廓圖形，以備后續(xù)處理。

圖4 直接切片實例Fig.4 Examples of direct slicing

在Windows操作系統(tǒng)下，電子束快速成型控制系統(tǒng)控制軟件采用LabVIEW8.0程序設(shè)計語言。其他工藝參數(shù)設(shè)置如下：真空室初始工作真空度4.5 Pa，電子槍初始工作真空度2.8×10-4Pa，加速電壓60 kV；電子束工作距離300 mm，聚焦電流573 mA；試驗所用的材料為還原鐵粉，鋪粉厚度3 mm，鐵粉粒徑96～344 μm，采用小束流掃描鐵粉，使用數(shù)碼相機從真空室觀察窗拍攝電子束平面掃描軌跡。電子束掃描軌跡如圖4e所示，圖4f為實際成型件。

由圖4f可知，當(dāng)截面輪廓采取復(fù)合掃描填充算法，分區(qū)合理，每一小區(qū)可以單獨進(jìn)行填充，整個成型表面比較平整，成型效果較好。

3 結(jié)論

分層處理是進(jìn)行三維掃描電子束快速成型制造的第一道環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)之一。詳細(xì)研究了現(xiàn)有的快速成型切片方式，分析各個切片方法的優(yōu)缺點，指出AutoCAD直接切片的可行性。在AutoCAD造型軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了直接切片數(shù)據(jù)格式研究，利用AutoCAD宏開發(fā)了AutoSlice軟件，從任意復(fù)雜的CAD模型中直接提取截面輪廓信息，輪廓信息存儲于BMP格式文件中，并給出了齒輪模型的直接切片實例。

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[6]馬錦華，盧 章.AutoCAD環(huán)境下直接適應(yīng)性切片方法及實現(xiàn)機械設(shè)計與制造[J].機械設(shè)計與制造，2007（7）：100-102.

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[8]李學(xué)志.Visual LISP程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.