果春焕等：增减材混合制造的研究进展 545· 使成型零件的几何精度降低，导致工件无法满足 计算出最佳切片方向，然后检查刀具可访问性 公差要求.另外，冷却过程中，过大的温度梯度和 Ruan等B即通过引入非均匀层构建进一步推进了 工件不同位置的冷速差异也会导致成形部件中残 这项工作，每一点的层厚度都随位置变化.他们将 余应力过大，可能会导致零件变形甚至断裂.因 构建过程分为两个阶段（如图5所示），沉积具有 此，根据零件形状和材料选择合理的工艺参数，是 恒定厚度的均匀层（等厚层），然后切削掉多余材 保证零件性能和几何、尺寸精度的关键 料形成非均匀层，该层顶面垂直于算法计算出的 另外，零件修复与新零件制造在工艺规划方 下一层的优选构建方向 面有不同的侧重点：零件修复过程需要首先对破 损部位进行三维扫描，测量尺寸并特征化零件结 构，逆向工程生成模型，随后在修复的过程中根据 监测结果进行工艺参数与增减材操作的实时调 整，确保修复部分的尺寸、形状与性能接近原部 Machining tool 件.此过程中，最重要的步骤是建立准确损坏部分 模型.新零件制造更加强调切片策略，将复杂零件 (c) 分解成层片或子部件，确定子部件的建造方向，建 图5非均匀层构建策略示意图(a)非均匀层：(b)等厚层：(c)加工 立并优化增减材操作的序列.此过程中，关键步骤 成等厚层 是合理的切片策略与操作序列的优化，要兼顾避 Fig.5 Schematic of non-uniform-layer construction strategy(a)non- 免刀具与特征碰撞、可加工性、特征支撑、节约时 uniform thickness layer;(b)uniform thickness layer,(c)machining process to form uniform thickness layer 间与材料等关键问题.本节将以切片策略、扫描 建模与实时监测、效能评估为侧重点介绍增减材 Kerbrat等提出了用于部件划分的混合和模 混合制造工艺规划的研究进展. 块化方法，以提高现有模型的可制造性；并基于 为了优化制造资源、节省时间并最小化几何 CAD模型的八叉树分解开发了可制造性指数计算 复杂性，增减材混合制造有必要开发部件分解算 软件，以比较原始模型和修改后模型的制造难度 法，采取最佳工艺规划和决策.以修复操作为例， Chang等)通过识别增材构建中的底切、非底切 Eiamsa-Ard等2设计了以混合工艺修复零件的 和非单调表面来分解零件，然后使用图论来识别 4个主要工艺规划步骤：(1)确定磨损损坏的结 最小构建序列.此外，他们在设计序列时还考虑到 构：(2)生成移除损坏/磨损结构的加工刀具路径； 了避免切削刀具与现有零件结构之间的干涉 (3)生成修复磨损/损坏的过程的沉积刀具路径； Joshi和Anandt33开发出增减材零件分割算法和工 (4)将刀具路径后处理成加工代码 艺决策方法，由算法生成的工艺计划大幅减少了 Le等I基于以上思路提出一种新的成形策 几何复杂性，优化了制造资源.此外，定义了一种 略，将输入的3D模型与损坏工件部件特征细分为 称为复杂性得分的新指标，还开发了基于制造设 增材特征与机加工特征，然后合理规划增材、减 计(DFM)规则的参数量化零件几何复杂度的方 材、检查三种操作的序列，最终实现零件的维修与 法.他们提出的方法有助于在实际制造产品之前 再制造.Kulkarni9使用零件STL文件的等间距 检测潜在的制造困难，并确定制造的最佳制造工 平面切片来识别逐层过程计划和刀具路径的方法 艺.Ren等B开发了一种工艺规划方法，能够分解零 被称为“零阶”边缘近似.为了减小阶梯效应，算法 件并为CNC加工和激光沉积生成不均匀的层厚 将原始厚切片进一步分解成精细切片，以将部件 度和刀具路径. 几何形状表示为适当的精度.Karunakuran)也使 Manogharan等B开发出了一种名为AIMS的 用零阶边缘近似来计算切片厚度和零件设计的分 混合制造系统，结合数字减影技术对沉积层的尺 层，在每一层中沿Z字形或螺旋方向构建材料.对 寸偏差实时检测，并同步调整增减材操作的刀具 每个沉积层进行面铣，以统一沉积层的高度并去 路径以修正沉积层的几何形状.Newman等IB和 除表面缺陷 Zhu等iB7开发出名为iAtractive的工艺规划系统， 等间距切片策略经过优化后诞生了自适应切 包括在单一平台上集成增材、减材工艺和监测手 片策略.Zhang和Liou0l改变了切片的方向，以减 段，该系统用于现有零件再利用和再制造.回收和 少悬垂几何形状对支撑结构的依赖性.该算法先 遗留的零件也能被重新制作成新零件，且其新功使成型零件的几何精度降低，导致工件无法满足 公差要求. 另外，冷却过程中，过大的温度梯度和 工件不同位置的冷速差异也会导致成形部件中残 余应力过大，可能会导致零件变形甚至断裂. 因 此，根据零件形状和材料选择合理的工艺参数，是 保证零件性能和几何、尺寸精度的关键. 另外，零件修复与新零件制造在工艺规划方 面有不同的侧重点：零件修复过程需要首先对破 损部位进行三维扫描，测量尺寸并特征化零件结 构，逆向工程生成模型，随后在修复的过程中根据 监测结果进行工艺参数与增减材操作的实时调 整，确保修复部分的尺寸、形状与性能接近原部 件. 此过程中，最重要的步骤是建立准确损坏部分 模型. 新零件制造更加强调切片策略，将复杂零件 分解成层片或子部件，确定子部件的建造方向，建 立并优化增减材操作的序列. 此过程中，关键步骤 是合理的切片策略与操作序列的优化，要兼顾避 免刀具与特征碰撞、可加工性、特征支撑、节约时 间与材料等关键问题. 本节将以切片策略、扫描 建模与实时监测、效能评估为侧重点介绍增减材 混合制造工艺规划的研究进展. 为了优化制造资源、节省时间并最小化几何 复杂性，增减材混合制造有必要开发部件分解算 法，采取最佳工艺规划和决策. 以修复操作为例， Eiamsa-Ard 等[27] 设计了以混合工艺修复零件的 4 个主要工艺规划步骤：（1）确定磨损/损坏的结 构；（2）生成移除损坏/磨损结构的加工刀具路径； （3）生成修复磨损/损坏的过程的沉积刀具路径； （4）将刀具路径后处理成加工代码. Le 等[28] 基于以上思路提出一种新的成形策 略，将输入的 3D 模型与损坏工件部件特征细分为 增材特征与机加工特征，然后合理规划增材、减 材、检查三种操作的序列，最终实现零件的维修与 再制造. Kulkarni[29] 使用零件 STL 文件的等间距 平面切片来识别逐层过程计划和刀具路径的方法 被称为“零阶”边缘近似. 为了减小阶梯效应，算法 将原始厚切片进一步分解成精细切片，以将部件 几何形状表示为适当的精度. Karunakuran[7] 也使 用零阶边缘近似来计算切片厚度和零件设计的分 层，在每一层中沿 Z 字形或螺旋方向构建材料. 对 每个沉积层进行面铣，以统一沉积层的高度并去 除表面缺陷. 等间距切片策略经过优化后诞生了自适应切 片策略. Zhang 和 Liou[30] 改变了切片的方向，以减 少悬垂几何形状对支撑结构的依赖性. 该算法先 计算出最佳切片方向，然后检查刀具可访问性. Ruan 等[31] 通过引入非均匀层构建进一步推进了 这项工作，每一点的层厚度都随位置变化. 他们将 构建过程分为两个阶段（如图 5 所示），沉积具有 恒定厚度的均匀层（等厚层），然后切削掉多余材 料形成非均匀层，该层顶面垂直于算法计算出的 下一层的优选构建方向. Kerbrat 等[32] 提出了用于部件划分的混合和模 块化方法，以提高现有模型的可制造性；并基于 CAD 模型的八叉树分解开发了可制造性指数计算 软件，以比较原始模型和修改后模型的制造难度. Chang 等[3] 通过识别增材构建中的底切、非底切 和非单调表面来分解零件，然后使用图论来识别 最小构建序列. 此外，他们在设计序列时还考虑到 了避免切削刀具与现有零件结构之间的干涉. Joshi 和 Anand[33] 开发出增减材零件分割算法和工 艺决策方法，由算法生成的工艺计划大幅减少了 几何复杂性，优化了制造资源. 此外，定义了一种 称为复杂性得分的新指标，还开发了基于制造设 计 （DFM）规则的参数量化零件几何复杂度的方 法. 他们提出的方法有助于在实际制造产品之前， 检测潜在的制造困难，并确定制造的最佳制造工 艺. Ren 等[34] 开发了一种工艺规划方法，能够分解零 件并为 CNC 加工和激光沉积生成不均匀的层厚 度和刀具路径. Manogharan 等[35] 开发出了一种名为 AIMS 的 混合制造系统，结合数字减影技术对沉积层的尺 寸偏差实时检测，并同步调整增减材操作的刀具 路径以修正沉积层的几何形状. Newman 等[36] 和 Zhu 等[37] 开发出名为 iAtractive 的工艺规划系统， 包括在单一平台上集成增材、减材工艺和监测手 段，该系统用于现有零件再利用和再制造. 回收和 遗留的零件也能被重新制作成新零件，且其新功 (a) (b) Machining tool (c) 图 5    非均匀层构建策略示意图[31] . （a）非均匀层；（b）等厚层；（c）加工 成等厚层 Fig.5    Schematic of non-uniform-layer construction strategy[31] : (a) non￾uniform  thickness  layer;  (b)  uniform  thickness  layer;  (c)  machining process to form uniform thickness layer 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 545 ·