微喷射粘结成形3D打印系统设计与研究
这是一篇关于微喷射粘结成形,增材制造,STM32,Qt,切片算法的论文, 主要内容为微喷射粘结成形3D打印技术具有材料种类多样、环境要求宽松、成形速度快、成形精度高等优点,在快速成形领域发挥了重要作用。工业喷头造价昂贵,配套软件研究滞后,成为阻碍此项技术在国内进一步发展的重要因素。针对上述问题,本课题结合商用喷墨打印机的字车组件及其驱动主板研发了一套微喷射粘结成形3D打印设备,并基于Qt平台针对此设备开发了配套的上位机软件。根据微喷射粘结成形技术的特点和要求,将系统划分为驱动板工作模式及控制时序分析、控制单元硬件电路设计、控制单元软件设计和上位机算法研究及功能实现四个部分依次进行开发。(1)通过自研的多通道逻辑分析仪软件和STM32开发板对商用驱动板的控制及反馈信号进行捕获和解析,分析驱动板的工作模式及控制时序,从而将驱动板移植至本系统。(2)基于STM32F103ZET6核心板设计底层硬件电路,将底层控制所需的外围电路以及接口集成到底板上,并与核心板共同组成控制单元。(3)基于控制单元进行软件设计,实现对各个电机的运动控制和打印启停控制,并且根据规定的串口通信协议与上位机软件进行通信。(4)对上位机软件的相关算法进行研究,实现以下具体功能:解析STL文件,通过Open GL实现STL文件的三维显示功能;对STL文件中的三角面片分层并求取交点;结合射线法和深度优先搜索算法解决奇异情况下轮廓相交的问题,得到轮廓最外层顶点;采用多重深度优先搜索算法,根据交点形成的线段的连通性,对轮廓顶点进行排序;使用奇偶填充算法对切片轮廓进行填充,并进行抗锯齿渲染,生成需要打印的切面图片;实现打印机驱动的调用,将切面图片发送给商用驱动板;利用串口实现与控制单元的通信。对自研的微喷射粘结成形3D打印系统进行实验验证。实验结果表明:各个硬件接口可以正常工作;上位机软件能较好的解决切片过程中轮廓相交的奇异问题,并且对于包含多个闭合孔洞的复杂STL模型也能很好的完成切片工作,切片效率较高,填充后的切片图形边缘光滑且清晰;系统打印成形的样品与模型原尺寸之间误差较小,平面打印误差保持在0.2mm以内,垂直层降误差率仅为0.05%,达到预期效果。
面向电弧增材制造过程的数据采集与管理系统的设计与实现
这是一篇关于增材制造,数据采集,传感器的论文, 主要内容为电弧增材制造是一种利用金属堆积,逐层打印的制造方法。与传统多道工序制造方法相比,其拥有成形快速、流程短、绿色、个性化定制等优点,已经在航空航天、船舶等领域有了相应的应用。电弧增材制造被认为是能够推动下一次工业革命的技术。但是在增材成形过程中,制件容易出现裂纹、气孔、未熔合、异常堆积等内部或形貌缺陷,导致成品率和良品率较低。对增材成形过程中缺陷的识别是增材制造技术迈向成熟的瓶颈问题之一,而制造过程信息的高效采集与有效管理,是实现缺陷识别的基础。本文面向电弧增材制造过程监测的需求,设计并实现了一套基于.NET Framework框架、Redis数据库、Vue框架和Spring框架等技术,面向电弧增材制造过程的数据采集和管理系统。主要包括对增材过程数据进行采集的子系统、实现过程数据持久化的子系统、对采集的数据进行管理和整体监控的子系统等三个子系统。面向电弧增材制造过程数据采集的需求,数据采集子系统主要采集的数据包含三类。一类是机床信息包括制造过程中的机械坐标、绝对坐标等信息;第二类是实时变化的过程数据如电流、电压、送丝速度等;第三类是熔池相机数据。数据采集子系统构建基于.NET Framework框架,采用Windows窗体程序进行实现。数据存储子系统对上述信息进行存储,采用Redis内存数据库对数据进行存储,搭建了高可用、可扩展的数据库集群,满足数据存储的速度要求。数据管理子系统包含对采集的数据进行持久化备份、对服务器和数据库进行监控和预警等功能。前端和后端解耦分离,前端使用Vue技术,后端使用Spring技术。本系统采集的数据也将为数字孪生系统提供数据支撑,将软件工程思想和技术应用于增材制造的信息化建设中。经过测试表明,系统各个子模块运行稳定,没有明显错误,系统总体设计、技术选型和实现方法较为可行。在经过实验室相关人员的使用后收到了良好的反馈。
基于超弹性TPU的变密度蜂窝结构设计与增材制造
这是一篇关于蜂窝结构,轻量化,拓扑优化,增材制造,热塑性聚氨酯的论文, 主要内容为由于航天器、飞行器、汽车等产品的能源消耗、运行效率与它们的重量密切相关,轻量化技术常常被用于这些产品的部件上,被视为航空航天与交通运输领域的重要技术。蜂窝结构由于重量轻,强度高,长期被用于各种产品的轻量化。在蜂窝结构已有轻量化能力的基础上,本文进一步探究针对它的结构优化方法,将拓扑优化技术、CAD建模技术与增材制造技术融合在一起,开发了一种针对复杂结构的参数化建模方法,提出了一种用于高效的高性能蜂窝结构的设计与制造方法,并最终设计和制造了一种基于超弹性TPU材料的变密度蜂窝结构,这种蜂窝结构具有比刚度大、回弹率高和回弹模量大的特点,在抵抗变形上能发挥巨大的作用。本文所做的主要工作如下:(1)蜂窝结构的面内力学性能分析。通过有限元仿真与多项式拟合,修正了基于Euler-Bernoulli梁理论的均匀蜂窝结构等效弹性模量模型,改善了原模型只能在较低的相对密度下适用的缺点。在此基础上,创造性地在蜂窝结构力学性能分析中引入结点,提出了一种新的适用于非均匀蜂窝结构的等效弹性模量模型,用于优化设计。(2)蜂窝结构的拓扑优化设计方案。以最大化刚度为目标,单元相对密度为设计变量,给出了蜂窝结构优化设计的流程与变密度法的实现方案。分析了蜂窝结构与设计空间的几何关系,以此为基础提出一种用同心圆近似地描述胞元包络的方法,将变密度法的优化结果转化变密度蜂窝结构。(3)面向变密度蜂窝的模型构建方法与增材制造。对UG做二次开发,实现蜂窝结构快速、自动的参数化建模,解决变密度蜂窝结构建模复杂的问题。用TPU材料替代普通工程塑料以增强变密度蜂窝结构的回弹性能,研究FDM设备制造TPU产品的最佳工艺参数,解决拉丝与翘曲问题,制造用于力学实验的蜂窝试样。(4)变密度蜂窝结构的面内力学性能仿真与实验评估。通过有限元仿真与力学实验,与均匀蜂窝结构作对比,分别研究了变密度蜂窝结构的压缩性能、弯曲性能与回弹性能。结果显示,拓扑优化设计使蜂窝结构的平压比刚度与弯曲比刚度分别提升47.05%与64.33%以上,回弹模量分别提升41.37%与69.88%,TPU材料使两种蜂窝结构都达到89.50%以上的回弹率,验证了设计与制造的蜂窝结构具有较好的抵抗变形能力。
增材制造软件框架的研究与设计
这是一篇关于增材制造,软件框架,面向服务,QML,JSON,OpenGL的论文, 主要内容为不同工艺类型的增材制造技术对软件实现要求存在较大差异,不同细分市场用户对于同类型增材制造软件的需求也各不相同。传统增材制造软件以面向具体加工设备的方式进行开发,具有代码模块紧耦合以及难于复用和扩展的特点。针对此问题,本文研究并设计了一个提供自动化界面构建服务、图形渲染服务、数据处理模块扩展服务和网络服务的面向多种工艺的增材制造软件框架,为不同类型的增材制造软件开发提供通用的服务,以便快速构造满足不同需求的增材制造软件。为了保证软件框架的可复用性,本文基于面向服务的架构对增材制造软件框架进行了设计。为了实现模块之间的松耦合和便于功能模块的扩展,设计了基于JSON数据格式的模块交互机制。为了实现界面程序与后台程序逻辑的分离,提出了以声明式编程语言QML编写界面程序,使用C++开发数据处理模块、控制模块等功能模块的技术方案。基于QML和JSON设计了自动化界面生成引擎,使用户界面变得更加灵活、更具有可扩展性。基于JSON设计了一种界面描述语言,以配合该引擎的使用,使得程序开发人员可以通过少量简洁代码实现复杂的交互界面。为了满足增材制造软件处理大数据量三维模型的需求,基于QML和Open GL的混合编程,实现了支持GB级别文件大小的三维模型渲染的图形引擎。基于有限状态机模型,建立了增材制造加工状态机,基于HTTP协议设计了三维建模、三维扫描、切片处理和加工制造的REST风格网络接口,为增材制造软件提供远程监控的服务。为验证本文增材制造软件框架的可用性,在两种工艺的应用场景下,分别使用软件框架进行软件开发。对于机器人丝材增材制造软件,通过自动化界面引擎构建了包含丰富可视化元素的用户界面,对图形渲染引擎进行复用和扩展,实现了对六自由度机器人以及变位机模型的实时渲染。对于彩色3DP工艺软件,通过界面引擎构建了简洁的界面,实现了渲染彩色体素模型的窗口以及显示彩色模型切片结果的窗口。基于上述研究,研发了面向多种工艺的增材制造软件框架,通过使用该软件框架可以快速构造出满足不同需求的增材制造软件。
可重构3D打印机索驱动支撑系统的控制仿真与实验研究
这是一篇关于3D打印,增材制造,可重构,索驱动并联机器人,轨迹跟踪的论文, 主要内容为在当今工业4.0时代,3D打印逐渐成为各行各业一种常见的装备制造方法,广泛应用于建筑、医疗和生产制造等行业。柔索驱动并联机器人在增材制造技术的应用有利于提升3D打印头的工作范围和工作效率,促进了 3D打印技术向大规模方向的发展和应用。本文结合大规模3D打印技术的应用需求,开发了一种用于大规模3D打印的可重构柔索驱动并联机器人(Reconfigurable Cable-driven Parallel Robt,RCDPR)样机,主要研究其力学模型的构建和控制系统的设计与开发,使机构获得更大的工作空间和良好的控制性能,在大规模3D打印技术的推广与应用上具有重要的理论和实践意义。构建了可重构索驱动3D打印支撑系统的运动学和动力学仿真模型。首先利用SolidWorks设计了索驱动支撑系统的三维模型,完成了机构零部件的刚体建模及整体装配,该八索机构由平面驱动系统与空间重构系统组成,两个系统分别由4根柔索进行动力传输;其次基于ADAMS的Cable模块插件,对柔索滑轮部分进行建模,完成了索驱动支撑系统动力学仿真模型的构建,并对其进行运动学与动力学分析。为保证索力的连续性与有界性,提出了一种封闭式索力优化算法,并采用Simulink/ADAMS联合仿真方式验证了数学模型与索力优化算法的准确性。设计并验证了可重构索驱动并联机器人的力/位置混合控制策略。利用Simulink/ADAMS联合仿真方式搭建力/位置混合控制系统,仿真结果表明,所设计的力/位置混合控制系统能有效降低索力能耗比、降低系统振荡,动平台的轨迹误差均小于0.8mm,进一步验证了索驱动支撑系统的力/位置混合控制策略的可靠性。建立并实现了可重构索驱动3D打印支撑系统的软硬件系统控制。硬件上,完成了对控制器、伺服驱动器及伺服电机的选型,并完成其接线与系统调试工作,实现上下位机通讯。软件上,基于CODESYS软件开发平台,完成了运动控制程序的设计,开发出可重构索驱动并联机器人的专属人机交互界面,为后续轨迹追踪实验做好实验准备。构建了 RCDPR的轨迹追踪实验平台,结合实验平台对其软件控制参数进行校核,通过电机反馈的位置信息设计了基于代数方程组的正向运动学算法,并分别完成了机构的斜线与空间圆弧轨迹追踪实验。实验结果表明所设计的软硬件控制系统具有良好的控制效果,利用正解算法分析可知其轨迹跟踪误差均小于0.5mm,基本满足大规模增材制造的精度要求。
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