D0:10.13374.issn1001-053x.2011.11.006 第33卷第11期 北京科技大学学报 Vol.33 No.11 2011年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2011 功能梯度材料零件层片路径扫描算法 王素四王彦 高 峰 北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100191 ☒通信作者，E-mail:wangsu.2000@buaa.c山.cn 摘要提出了一种用于加工功能梯度材料零件的路径扫描算法.首先将功能梯度材料零件进行分层处理，把每一层片内连 续分布的材料离散为若干个材料均匀分布的子区域，再对每个子区域分别加工从而实现一定精度要求下功能梯度材料零件 的加工制造.给出了路径规划实例，验证了路径扫描算法的正确性 关键词功能梯度材料：快速原型制造：数据格式：路径扫描 分类号TP391.7 Algorithm of slice path planning for functionally gradient material objects WANG Su,WANG Yan,GAO Feng School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China Corresponding author,E-mail:wangsu2000@buaa.edu.cn ABSTRACT A path-scanning algorithm was proposed for processing functionally gradient materials (FGM).The algorithm first slices the functionally gradient materials and disperses each continuous material distribution layer to numbers of sub-regions with a uni- form distribution material.After processing each sub-region separately,the process of FGM objects meeting the accuracy requirements was obtained.An actual example of path planning was presented and the algorithm's validity was verified. KEY WORDS functionally graded materials;rapid prototyping manufacturing:data format:path scanning 功能梯度材料作为一种新型的非均质材料，其 的不同实时更新材料配比.国内外的研究对于均质 内部由连续变化的两种或两种以上材料构成，故拥 零件层片路径扫描算法己较为成熟完善6-)，而对 有单质材料所不具备的特殊性能，同时也克服了传 于非均质零件的层片加工还没有具体完善的解决办 统复合材料由于不同相之间的材料突变引起的应力 法.FGM零件路径扫描算法与FGM零件几何信息、 集中和性能不稳定等缺陷.这一优势使其在航 材料信息的表述方法即建模方法戚戚相关.有学者 空航天高性能产品设计与制造中拥有广泛的应用. 基于FGM零件体素模型，提取材料成分等值面为加 由于功能梯度材料(functionally gradient materi-- 工曲面，提出按照曲面分层方法制造FGM零件，而 ls,FGM)零件内部材料分布的不均匀性和复杂性， 曲面分层也必然造成加工的困难.对于较复杂的情 传统的零件制造技术已不能满足要求.快速原型制 况，如一张曲面被另一张材料值不同的曲面完全封 造技术使直接制造FGM零件成为可能B.路径扫 闭时，被封闭曲面使用快速原型(rapid prototype, 描任务是快速原型制造过程中关键步骤，在对零件 P)设备将难以进行加工圆.本文以平面分层为出 分层处理后用以确定每一层片的激光光斑或喷头的 发点，平面分层剔除了材料分布复杂造成的负面影 扫描路径，也就是指合理的安排加工设备工作头的 响，对以材料分布任意复杂的对象都划分为一系列 个数以及它们各自在每个切层中的轮廓扫描以及运 相互独立无交叉的切片层.同时基于有限元的FGM 动路线等.目前的快速原型设备还无法实现连续变 零件建模方法回，在获取精确层片信息的基础上， 化的材料层片加工，设备无法根据层片上材料成分 提出一种新型的路径扫描算法.通过用户指定的材 收稿日期：2010-12-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60773154)第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 功能梯度材料零件层片路径扫描算法 王 素 王 彦 高 峰 北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191 通信作者，E-mail: wangsu2000@ buaa． edu． cn 摘 要 提出了一种用于加工功能梯度材料零件的路径扫描算法． 首先将功能梯度材料零件进行分层处理，把每一层片内连 续分布的材料离散为若干个材料均匀分布的子区域，再对每个子区域分别加工从而实现一定精度要求下功能梯度材料零件 的加工制造． 给出了路径规划实例，验证了路径扫描算法的正确性． 关键词 功能梯度材料; 快速原型制造; 数据格式; 路径扫描 分类号 TP391. 7 Algorithm of slice path planning for functionally gradient material objects WANG Su ，WANG Yan，GAO Feng School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China Corresponding author，E-mail: wangsu2000@ buaa． edu． cn ABSTRACT A path-scanning algorithm was proposed for processing functionally gradient materials ( FGM) ． The algorithm first slices the functionally gradient materials and disperses each continuous material distribution layer to numbers of sub-regions with a uni￾form distribution material． After processing each sub-region separately，the process of FGM objects meeting the accuracy requirements was obtained． An actual example of path planning was presented and the algorithm’s validity was verified． KEY WORDS functionally graded materials; rapid prototyping manufacturing; data format; path scanning 收稿日期: 2010--12--24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 60773154) 功能梯度材料作为一种新型的非均质材料，其 内部由连续变化的两种或两种以上材料构成，故拥 有单质材料所不具备的特殊性能，同时也克服了传 统复合材料由于不同相之间的材料突变引起的应力 集中和性能不稳定等缺陷［1--2］． 这一优势使其在航 空航天高性能产品设计与制造中拥有广泛的应用． 由于功能梯度材料( functionally gradient materi￾als，FGM) 零件内部材料分布的不均匀性和复杂性， 传统的零件制造技术已不能满足要求． 快速原型制 造技术使直接制造 FGM 零件成为可能［3--5］． 路径扫 描任务是快速原型制造过程中关键步骤，在对零件 分层处理后用以确定每一层片的激光光斑或喷头的 扫描路径，也就是指合理的安排加工设备工作头的 个数以及它们各自在每个切层中的轮廓扫描以及运 动路线等． 目前的快速原型设备还无法实现连续变 化的材料层片加工，设备无法根据层片上材料成分 的不同实时更新材料配比． 国内外的研究对于均质 零件层片路径扫描算法已较为成熟完善［6--7］，而对 于非均质零件的层片加工还没有具体完善的解决办 法． FGM 零件路径扫描算法与 FGM 零件几何信息、 材料信息的表述方法即建模方法戚戚相关． 有学者 基于 FGM 零件体素模型，提取材料成分等值面为加 工曲面，提出按照曲面分层方法制造 FGM 零件，而 曲面分层也必然造成加工的困难． 对于较复杂的情 况，如一张曲面被另一张材料值不同的曲面完全封 闭时，被封闭曲面使用快速原型( rapid prototype， RP) 设备将难以进行加工［8］． 本文以平面分层为出 发点，平面分层剔除了材料分布复杂造成的负面影 响，对以材料分布任意复杂的对象都划分为一系列 相互独立无交叉的切片层． 同时基于有限元的 FGM 零件建模方法［9］，在获取精确层片信息的基础上， 提出一种新型的路径扫描算法． 通过用户指定的材 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.11.006