本文摘要：
3D打印技術(shù)是近幾年的研究熱點，更是國家“工業(yè)4.0”中提到的研究方向，五軸聯(lián)動加工平臺更開拓了3D打印的加工維度[43]，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)無支撐結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。而增減材混合加工可以在無支撐打印的基礎(chǔ)上，不僅能更加節(jié)省材料還能進一步提高打印零件的精度和強度?；诖耍疚难芯繉崿F(xiàn)了增減材混合加工的算法，具體工作如下：
（1）STL文件前處理過程。作為3D打印中使用最為廣泛的模型文件，處理STL文件是增減材混合加工算法中最基礎(chǔ)的部分。針對STL文件的兩種格式，ASCII格式和二進制格式，本文分別編寫了相應(yīng)格式下的STL文件讀取算法。由于STL文件存在大量數(shù)據(jù)冗余，根據(jù)冗余產(chǎn)生的原因，構(gòu)建了三角形點、線、面之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除去了STL文件中的冗余點。針對零件模型內(nèi)的三角面片數(shù)無法更改的問題，在不破壞三角形間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)了三角形網(wǎng)格Loop細(xì)化算法，提高了后續(xù)算法的準(zhǔn)確度。為了方便觀察STL文件模型，使用OpenGL圖形庫實現(xiàn)了STL文件模型的可視化。
（2）建立增減材混合加工刀具可達(dá)性模型。分層算法是3D打印的基礎(chǔ)算法，計算切平面與零件STL模型相交生成的零散的交線段，將交線段首尾連接得到該層的截面輪廓，也就是分層算法所需的每層的輪廓。得到每層輪廓線之后，計算得到每層輪廓線的形心，將每層形心首尾相連可以得到零件的形心軸。為了建立刀具簡化模型，研究了刀具簡化的三個必要條件：刀具連續(xù)性問題、免支撐條件下刀具可行范圍和簡化后刀具接觸點，根據(jù)簡化后刀具接觸點和零件形心軸的切線方向確定了刀具簡化模型方程。采用刀具簡化模型方程與零件STL模型求交，在滿足刀具連續(xù)性的前提下，可以得到刀具在零件任意一點上的刀具可達(dá)性。最后針對刀具與零件求交速度緩慢的問題，采用包圍盒包圍模型中三角面片，并建立二叉樹結(jié)構(gòu)加速刀具與模型求交的過程，使得大量計算刀具與模型求交成為可能。
（3）增減材混合加工序列規(guī)劃。根據(jù)增減材混合加工序列規(guī)劃問題的目標(biāo)和約束，建立增減材混合加工序列規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型。得到增減材混合加工刀具可達(dá)性模型之后，對于零件每層輪廓線計算刀具垂直與輪廓面的刀具可達(dá)性，將零件粗分解為不同子部件，得到初始混合加工序列。最后使用貪心算法優(yōu)化增減材混合加工序列。
（4）增減材混合加工模擬仿真。利用VisualStudio平臺使用C++語言，OpenGL圖形庫實現(xiàn)了STL模型的可視化、刀具碰撞干涉的可視化和增減材混合加工過程中刀具軌跡的模擬仿真，并利用Qt開發(fā)相關(guān)GUI界面，最后對這些軟件功能進行展示。
創(chuàng)新點
（1）針對增減材混合加工過程中的刀具碰撞干涉問題，提出了刀具簡化模型并且利用該模型與零件模型求交，得到增減材混合加工刀具可達(dá)性模型。在此基礎(chǔ)上利用包圍盒包圍三角面片，建立二叉樹結(jié)構(gòu)加速刀具與零件求交，加快刀具可達(dá)性計算，提高后續(xù)算法效率。
（2）研究增減材混合加工序列規(guī)劃問題的優(yōu)化目標(biāo)和約束，建立增減材混合加工序列規(guī)劃問題數(shù)學(xué)模型，基于迭代法將零件粗分解，得到初始混合加工序列。在此基礎(chǔ)上利用貪心算法將零件繼續(xù)分解，以優(yōu)化增減材混合加工序列。
未來工作展望
（1）目前增減材混合加工刀具可達(dá)性模型只討論了由柱狀結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜零件，而非柱狀結(jié)構(gòu)組成的零件需要支撐結(jié)構(gòu)，會增加刀具碰撞干涉問題出現(xiàn)的概率，使刀具可達(dá)性更難計算。本文提出的刀具可達(dá)性模型后續(xù)還需考慮支撐結(jié)構(gòu)。
（2）本文提出的增減材混合加工刀具可達(dá)性模型和序列規(guī)劃算法目前并未通過物理實驗驗證，只通過計算機仿真驗證了理論可行性，后續(xù)需要進一步結(jié)合實際加工系統(tǒng)驗證方法的可行性。
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