第２Ｏ卷第４期 工程 光学精密 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ＿２Ｏ ＮＯ．４ Ａｐｒ．２０１２ ２０１２年４月 文章编号１００４—９２４Ｘ（２０１２）０４—０６９９－０ ７ 多零件选区激光熔化成型效率的优化 刘 杰 杨永强，苏旭彬，肖冬明 ，（华南理工大学 机械工程学院，广东广州５１０６４０） 摘要：对多零件选区激光熔化的成型效率进行了优化。首先，分析了多零件选区激光熔化成型过程的时问消耗，并以减 少时间消耗为目标建立了３维零件在３维成型空间中的２．５维排料优化规则。然后，研究了２．５维自动排料，提出利用 ３维零件模型在２维平面区域的投影将『７－５维排料转化为２维排料的简化方法和一种利用切片数据进行投影生成的算 法。最后，为验证所述方法的有效性，以手术模板模型为例，在虚拟选区激光熔化系统ＶＤｅｍｅｔａ１２８０上进行了优化实验。 与优化前相比，优化后的成型次数从４次降为３次，在扫描速度为６００ ｍｍ／ｓ、切片层厚为０．０３５ ｒｌｌｍ、扫描间距为０．０８ ｉｎｒｌｌ的工艺参数下，总铺粉次数从３ ８９２次降为２ ２３１次，预计加工时间从约９１ ２ ７６ Ｓ降为６９ ９１８ Ｓ，时间消耗有明显减 少。 关键词：激光技术；选区激光熔化；多零件；成型效率；２．５维排料 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１２２００４．０６９９ 中图分类号：ＴＧ６６５ ＥｔＴｉｃｉｅｎｃｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ。ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—ｐａｒｔｓ ＬＩＵ Ｊｉｅ ，ＹＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｑｉａｎｇ，ＳＵ Ｘｕ—ｂｉｎ，ＸＩＡＯ Ｄｏｎｇ—ｍｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｅ．１ｉｕ．ｓｃｕｔ＠ｇｍａｉｌ．ＣＯＤ１ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉ ｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ～ｐａｒｔｓ．Ｆｉｔｓｔ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＳＬＭ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ２．５Ｄ ｎｅｓｔｉｎｇ ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａ ｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ２．５Ｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎｅｓｔｉｎｇ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ３Ｄ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔ ｔｈｅ ２．５Ｄ ｎｅｓｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ２Ｄ ｎｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｌｉｃｅ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ、Ｖａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ＳＬＭ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ＯｐｅｎＧＬ ａｎｄ ＶＣ＋＋ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｏ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅｓ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ４ ｔｏ ３．ｔｈｅ ｒｅｃｏａｔｉｎｇ ｔｉｍｅｓ ａｒｅ ｆｒｏｍ：３ ８９２ ｔｏ ２ ２３ １ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ：ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｒｏｍ ９１ ２７６ Ｓ ｔｏ ６９ ９１８ Ｓ ａｔ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ６００ ｍｍ／ｓ，ｓｌｉｃｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ０．０３５ ｍｍ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｓｐａｃｅ ｏｆ ０．０８ ｍｍ．Ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ｈａ ｓ ｂｅｅｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｂｅｆｏｒｅ ｏｐｔｉｍｉ— ｚａｔｊｏｎ． 收稿Ｅｔ期：２０１１－０９—３０：修订日期：２０１１－１２—１５． 基金项目：２０１０年广东省教育部产学研结合重点项目（Ｎｏ．２０１０Ａ０９０２０００７２）；华南理工大学优秀博士学位论文创新 基金资助项目 ７ＯＯ 光学精密工程 第２Ｏ卷 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）；ｍｕｌｔｉ—ｐａｒｔｓ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；２．５Ｄ ｎｅｓｔｉｎｇ 引 言 选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ， ＳＬＭ）是２０世纪９ｏ年代由德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ激光 技术研究所提出的一种能够直接成型金属零件的 快速成型技术，理论上可获得高密度（接近 １００ ）与高尺寸精度（＜Ｏ。ｌ ｒａｍ）的金属零件，并 且能够成型任意复杂几何形状的零件，在复杂曲 面零件成型、小批量生产零件方面具有很大的优 势ｌ１ ］。国内外学者针对该技术的工艺和应用做 了大量研究。在工艺方面，Ｙａｄｒｏｉｔｓｅｖ等口 通过 实验获得壁厚１４０ ｒｎ的薄壁件；ｗｕ等Ⅲ直接成 型出高致密度的铜基合金成型件；王迪等嘲采用 光纤激光器，通过正交实验优化了３１６Ｌ不锈钢 的成型工艺并获得高致密度零件。在应用方面， 国外的ＥＯＳ等公司采用ＳＬＭ直接成型了冷却镶 嵌件、个性化亚冠、齿轮等零件 ；国内的华南理 工大学直接成型了手术模板并成功应用于临 床 蜘，并研究了免装配机构 和金属浮雕的直接 成型 。 随着ＳＬＭ技术的日趋成熟，其应用范围会 越来越广。而在实际生产中，多零件的ＳＬＭ成 型效率是一个关键问题。为此，本文以优化多零 件的ＳＬＭ成型效率为目的，分析了多零件ＳＩ Ｍ 成型过程的时间消耗，建立了优化规则，并提出了 一种优化方法。最后实验验证了优化方法的有效 性。 ２ 多零件ＳＬＭ成型过程的时间消耗 在ＳＬＭ成型生产过程中，多零件的成型往 往需要划分成多个成型任务，如图１所示。单个 成型任务所消耗的时间由零件成型时间和成型准 备时间组成。零件成型时间包括：单层实体成型 时间的总和、单层铺粉时问的总和。成型准备时 间主要是成型前系统的准备以及成型完成后将零 件取下等工作所消耗的时间。 忽略成型过程中激光扫描路径问的空跳转， 第ｉ个成型任务所消耗的时间Ｔ，可由如下公式 成型准备时间 ｝ 成型任务 Ｉ Ｉ 成型任务 系统准备时间ｌ零件成型时间ｌ成型完成后的工作时间 成型任务 ｌ ｌ实体成型时间总和ｌ单层铺粉时间总和Ｉ 图１ 多零件选区激光溶化成型时间消耗 Ｆｉｇ．１ Ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ｏｆ ＳＩ Ｍ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—ｐａｒｔｓ 表 ： Ｔ ｒ—Ｔ ＋Ｔ ＋Ｔ。． （１） 丁 表示第ｉ个成型任务中所有零件的单层 实体激光扫描时间总和，仅与零件单层切片的实 体面积有关； 表示第ｉ个成型任务中铺粉时间 总和；Ｔ。表示成型准备时间，假设为定值。其中： Ｔ 一Ｎ ×Ｔ ， （２） Ｎ 表示第ｉ个成型任务中零件的最大切片层数； Ｔ 表示单层铺粉时间，为定值。 设某批零件，需要划分为２／？个成型任务，则 所消耗时间Ｔ，如下所示： Ｔ，一∑Ｔ 一∑丁 十∑丁 ＋∑Ｔ 一 ｉ二１ ｉ一１ —Ｉ ＝Ｉ Ｔ。×∑Ｎ ＋Ｔ ＋．２７×Ｔ （３） —ｌ 丁 表示所有零件的单层实体激光扫描时间 总和，只与零件模型有关，为定值。 从公式（３）可以看出，影响零件成型时间的因 素为总铺粉时问Ｔ ×∑Ｎ 和总成型准备时间 ＝ －ｚ× 。这两个时间与成型次数和每次成型任务 所选零件的最大切片层数之和’ Ｎ 有关。而影 —ｆ 响∑Ｎ 的因素为成型次数ｚ和第ｉ个成型任务 一１ 中零件的最大切片层数Ｎ 。显然，优先选择未选 零件中具有最大切片层的零件放入同次任务进行 成型，能有效减小未选零件中的最大切片层数。结 合减少成型次数 ，能有效减小每次成型所选零 件的最大切片层数之和 ～ 。 第４期 刘杰，等：多零件选区激光熔化成型效率的优化 ７０１ ３ ２．５维排料优化规则 排料又称套料、下料，通常是指在一定数量的 形状和尺寸给定的区域上，尽可能多地排放需要 的几何图形ｕ 。按所涉及元素的维数，常分为２ 维排料和３维排料。２维排料是指在一个２维平 面区域中尽可能多地排放２维图形，常用于在切 割、冲裁模等加工中节约母料。３维排料是指在 一个３维空间区域中尽可能多地排放３维图形， 常用于在包装中提高空问的利用率。 ＳＬＭ成型中，成型零件在成型空间的排放属 于３维图形在３维空间区域的排放（如图２所 示）。但不同于３维排料，根据ＳＬＭ的工艺要 求，零件必须从基板开始成型，几乎不会出现类似 图３中零件Ｂ在零件Ａ的顶部开始成型的情况。 所以，ＳＬＭ成型中，零件的排放也可以当作是３ 维零件图形在２维基板区域的排放。同时，根据 工艺设计好的零件，在基板上只有３个运动自由 度（如图２所示），故在２维基板面中尽可能多地 排放３维零件图形，可称之为２．５维排料。 图２零件在成型空间中的排放 Ｆｉｇ．２ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｐａｃｅ 图３ ＳＬＭ成型应当避免的情况 Ｆｉｇ．３ Ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｉｎ ＳＬＭ ｆｏｒ ａｒｒａｎｇｉｎｇ ｐａｒｔｓ 根据第２节的分析，为减少多零件ＳＬＭ成 型的时间消耗，２．５维排料应遵循规则：（１）优先 选取具有最大切片层厚的零件；（２）所选零件应尽 可能多地排满基板面。 ４ ２．５雏自动排料 自动排料是指利用计算机通过一定的算法来 代替人工进行排料。目前较成熟的自动排料算法 多针对２维排料，主要有遗传算法，模拟退火算 法，快速邻接搜索算法等，其中快速邻接搜索也能 用于３维排料［１１－１３３。 ４．１ ２．５维自动排料的简化 ２维排料时，需要对零件进行移动、旋转和 “重叠”判定。２ ５维排料时，对零件的移动操作 类似于２维自动排料（如图２所示）。但针对零件 是否“重叠”，需要沿整个零件的成型高度进行判 定。自动排料时，可考虑先将３维零件图形投影 到２维基板面上，然后用得到的２维图形进行排 料。这样可以利用２维自动排料技术简化２．５维 自动排料。 ４．２ ２维排料中的“多边形”和“网格”模型 “多边形”和“网格”是２维排料中的两种图形 表示模型＿１ 。“多边形”模型以三条或三条以上 的线段首尾顺次连接且不相交组成图形的轮廓。 “网格”模型是图形的离散（或称像素、点阵、矩阵） 表示方式，它将平面划分成一定尺寸的网格，以网 格的虚实来表示图形的轮廓。图４为一个２维图 形的“多边形”及“网格”表示。 图４ ２维排料中的图形表示模型 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｄｅｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ２Ｄ ｎｅｓｔｉｎｇ 显然，“多边形”模型能够转化成“网格”模型， 而“网格”模型无法精确转化成“多边形”模型。为 使简化方法具有通用性，本文采用“多边形”作为 ３维零件投影的表示模型。 ７０２ ４．３切片外轮廓相互叠加 ４．３．１ 原理及特点 光学精密工程 ４．３．２ 外轮廓叠加算法 第２Ｏ卷 外轮廓叠加的原理如图６所示。具体算法 为：以一个轮廓中不在另～轮廓内的点为起点（如 为直接得到２维排料需要的“多边形”模型， 本节将给出一种利用３维模型的切片数据相互叠 加来生成投影的方法。其原理如图５所示，首先 对零件进行切片处理，然后通过将各切片层外轮 廓相互叠加来得到３维模型在２维平面的投影。 该方法直接利用切片数据来生成投影，具有以下 特点： （１）切片是快速成型数据处理的必经步骤，利 用切片数据无须进行多余处理。 图６中Ａ、ｃ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ点），沿该轮廓的方向（逆 时针）遍历，若当前点与下一点组成的直线段与另 一轮廓产生交点，则切换遍历轮廓，并以离当前点 最近的交点为当前点开始遍历，如此反复直到回 到起点。遍历经过的点组成的轮廓即为叠加形成 的新轮廓。以图６为例进一步说明： （１）以Ｃ点为起点开始遍历轮廓ＡＢＣＤＥ。 （２）直线ＣＤ与轮廓ＦＧＨＩＪ产生交点Ｋ，从 Ｋ点开始遍历ＦＧＨＩＪ。 （３）直线段ＫＧ、ＧＨ、ＨＩ与轮廓ＡＢＣＤＥ无 交点。 （２）切片数据中，轮廓是由闭合多义线表示 的，其本身具有多边形的拓扑结构。利用４．３．２ 小节的外轮廓叠加算法，可保证生成的投影保留 这种多边形拓扑结构的完整。 （３）切片数据层与层的叠加计算是的，可 利用并行计算来加快计算速度。 （４）直线段Ｕ与轮廓ＡＢＣＤＥ产生交点Ｌ， 从Ｌ点开始遍历ＡＢＣＤＥ。 （５）直线段ＬＡ与轮廓ＦＧＨＩＪ产生交点Ｍ、 Ｎ，从离Ｌ点最近的Ｍ点开始遍历ＦＧＨＵ。 ■ ３维模型 切片 Ｆｉｇ．５ （６）直线段ＭＦ与轮廓ＡＢＣＤＥ无交点。 （７）直线段ＦＧ与轮廓ＡＢＣＤＥ产生交点Ｎ、 Ｋ，从离Ｆ点最近的Ｎ点开始遍历ＡＢＣＤＥ。 （８）直线段ＮＡ、ＡＢ、ＢＣ与轮廓ＦＧＨＩＪ无 外轮廓叠加 交点。 （９）回到Ｃ点，遍历结束。 图５ 利用切片生成“多边形”投影 Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｓｌｉｃｅｓ （１０）遍历经过的点组成新轮廓ＣＫＧＨＩＬＭ－ ＦＮＡＢ ＋ 第Ｍ层切片外轮廓 第Ｎ层切片外轮廓 消除 新的外轮廓 图６外轮廓叠加原理 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｏｕｒｓ 遍历中，判别相交时可能会出现两种特殊情 况： ＤＢＥ…在Ｂ点重合，有３种情况。处理算法为： 以重合点（Ｂ点）为当前点，判断非遍历轮廓的下 （１）点重合。 一点（Ｅ点）是否在遍历轮廓当前点的前点（Ａ点） 如图７所示，遍历轮廓ＡＢＣ…与非遍历轮廓 和后点（Ｃ点）与当前点（Ｂ点）组成的三角区域 第４期 刘 杰，等：多零件选区激光熔化成型效率的优化 同步变量Ｊ一 ＋１。 ７０３ （ＡＢＣ）内。是，则继续遍历当前轮廓（如图７（ａ） 所示）；否，则切换遍历轮廓（如图７（ｂ）和图７（ｃ） （２）任务 选择第Ｊ层切片外轮廓数据进行 所示）。 、、 △Ｅ ｃ （ｂ） 图７点重合的情况 Ｆｉｇ．７ Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏ［ｎｔｓ （２）线重合。 《、 如图８所示，遍历轮廓ＡＢＣＤ…中的ＢＣ与 非遍历轮廓ＥＦＧＨ…中的ＦＧ重合，有３种情况。 处理算法为：判断重合线是否同向，否，则切换遍 历轮廓（如图８（ａ）所示）；是，则判断遍历轮廓重 合线的长度（ＢＣ）的长度是否大于非遍历轮廓重 合线的终点（Ｇ点）与遍历轮廓重合线的起点（Ｂ 点）的距离。若大于，则继续遍历（如图８（ｂ）所 示）；否则切换遍历轮廓（如图８（ｃ）所示）。 ’２ｘＧ （ａ） （ｂ） （ｃ） 图８线重合的情况 Ｆｉｇ．８ Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅ，￣ ４．３．３ 叠加的并行计算 外轮廓叠加的计算仅与参与运算的２个切片 层有关，可考虑将叠加计算划分成多个的任 务来并行执行。利用当前计算机的多核处理能力 结合并行计算能大大减少叠加计算时间。叠加的 并行算法流程为： （１）选取切片层的前 层外轮廓数据建立 个初始数据集｛Ｒ ，Ｒ ，…，Ｒ ｝；建立７／＂个任务 ｛丁 ， ，…， ｝，每个任务丁ｆ对应一个初始数据 集Ｒ 。 可根据处理器的核数来选择。令多任务 叠加计算，并设置Ｊ— ＋１。 （３）判断Ｊ是否超出切片的最大层 ，是，则 继续；否，则转（２）。 （４）等待任务｛Ｔ ，Ｔ “，Ｔ ）完成计算。 （５）逐层叠加｛Ｒ ，Ｒ。，…，Ｒ ｝中的数据得到 最终结果。 算法中的同步变量Ｊ被一个任务访问时，不 会被其它任务访问，从而确保不会出现重复计算 （如一个任务还没有执行 ：Ｊ＋１，另一个任务又 读取了 ）或漏算（如多个任务同时执行Ｊ一 ＋１） 的情况。 ５优化实验与结果 ５．１实验方案 为验证所述优化方法，利用ＶＣ＋＋结合前 述２．５维自动排料的简化算法，编程开发了自动 排料优化软件。其中，简化后的二维自动排料采 用文献［１３］所述的快速邻接搜索算法。选用文献 ［８］成型的手术导板模型作为优化对象，以成型４ 套模板为目标，在虚拟ＳＬＭ系统ＶＤｅｍｅｔａ１２８０ 上进行自动优化实验。 ＶＤｅｍｅｔａ１２８０是以华南理工大学自主研发的 第二代ＳＬＭ设备Ｄｅｍｅｔａ１２８０￣ 州为原型，利用 ＯｐｅｎＧＬ开发的虚拟实验设备。主要用于加工数 据验证、成型过程演示和成型时间预测，其成型时 间的预测根据下式获得： Ｔ：Ｌ ×Ｖ ＋Ｌ，×Ｖｊ＋Ｔ ×Ｎ＋Ｔ。， （４） 其中，Ｌ 为激光扫描路径总长， 为激光扫描速 度～，为扫描线间的跳转距离总长，Ｖ，为激光扫 描线间的跳转速度， 为单次铺粉时间，Ｎ为铺 粉次数，成型准备时间Ｔ。根据实际经验设为 ６ ０００ Ｓ。 ５．２实验结果 未优化前，每套模板单独成型，其模型如图９ 所示。共有６个零件，切片层数分别为：９７３，８９７， ４２１，３６１，２８６和２７５。优化后，每４套模板仅需要 成型３次，如图１０所示。表１为优化前和优化后 在ＶＤｅｍｅｔａ１２８０上进行虚拟成型后的结果对比。 虚拟成型时所用的工艺参数为扫描速度６００ ｍｍ／ｓ、切片层厚０．０３５ ｒｎｍ、扫描间距０．０８ ｍｍ。 ７Ｏ４ 光学精密工程 第２０卷 图９优化前１套手术模板的模型 Ｆｉｇ．９ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｏｎｅ ｓｅｔ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅ ｂｅｆｏｒｅ ｏｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎ 图１０优化后４套手术模板的模型 Ｆｉｇ．１ ０ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｓｅｔｓ ｏｆ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅｓ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 参考文献： ［１］ ＯＶＥＲ Ｃ，ＭＥＩＮＥＲＳ Ｗ，ＷＩＳＳＥＮＢＡＣＫ Ｋ，ｅｔ ａＺ．．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ：ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｔｏｏｌｓ ［Ｒ］．１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎ ｆｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ａｓｓｉｓ ｔｅｄ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｆｒａｎｋ一 ．ｆｕｒｔ，２００１． ［２］ ＡＢＥ Ｆ，ＯＳＡＫＡＤＡ Ｋ，ＳＨＩＯＭＩ Ｍ， ｔ ａ１．．Ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｈａｒｄ ｔｏｏｌｓ ｆｒｏｍ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｏｗｄｅｒｓ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ＥＪ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓ～ ｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１１１（１／ａ）：２１０—２１３． ［３］ ＹＡＤＲＯＩＴＳＥＶ Ｉ，ＢＥＲＴＲＡＮＤ Ｐ Ｈ，ＳＭＵＲＯＶ Ｉ． 表１优化前与优化后的对比 Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｒｅｓｕｌｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓ ６ 结 论 本文针对ＳＬＭ在实际生产中的效率优化问 题，首先，分析了多零件选区激光熔化成型过程的 时间消耗，发现减少成型次数和单次成型任务中 零件的最大切片层数能有效减少时间消耗，并以 此为目标建立了３维零件在３维成型空间中的 ２．５维排料优化规则。然后，研究了２．５维自动 排料，提出利用３维零件模型在２维平面区域的 投影将２．５维排料转化为２维排料的简化方法， 并研究了一种利用切片数据进行投影生成的算 法。该算法直接利用切片数据，生成的投影能够 保留用于２维排料的“多边形”拓扑结构，还能利 用并行计算加快投影生成速度。最后，为验证所 述方法的有效性，以手术模板模型为例，在虚拟选 区激光熔化系统ＶＤｅｒｎｅｔａ１２８０上进行了优化实 验。结果表明：与优化前相比，优化后的成型次数 从４次降为３次，在６００ ｍｍ／ｓ扫描速度、０．０３５ ｉｎｍ切片层厚、０．０８ ｍｍ扫描问距的工艺参数下， 总铺粉次数降为２ ２３１次，预计加工时间降为 ６９ ９１８ Ｓ，时间消耗明显减少。由此说明，基于 ２．５维排料的多零件ＳＬＭ成型效率的优化方法 有效。 一～～一 ；４期 刘杰，等：多零件选区激光熔化成型效率的优化 ７Ｏ５ ３２３３—３２３９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ］ 苏旭彬，杨永强，王迪，等．免装配机构的选区激光 熔化直接成型工艺研究［Ｊ１．中国激光，２０１１，３８（６）： Ｏ６０３０２１． ＳＵ Ｘ Ｂ，ＹＡＮＧ Ｙ Ｑ，ＷＡＮＧ Ｄ， ⅡＺ．．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆａｂｒｉ— ｃａｔｅｄ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｌｎ— ｓｅｒｓ，２０１１，３８（６）：０６０３０２１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ］吴伟辉，杨永强，何兴容，等．金属质个性化手术模 板的全数字化快速设计及制造＿Ｊ ｒ］．光学精密工程， ２０１０，１８（５）：１１３５—１１４３． ＷＵ Ｗ Ｈ，ＹＡＮＧ Ｙ Ｑ，ＨＥ Ｘ Ｒ，ｅｔａ１．．Ａｌｌ—ｄｉｇｉｔ— ａ１ ｒａｐｉｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏ：Ｆ ｍｅｔａｌ ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｇｕｉｄｅ ｐｌａｔｅ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．， ２０１０，１８（５）：１１３５—１１４３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅ ａｓｅ） ］何兴容，杨永强，吴伟辉，等．粉碎性骨折个体化手 术模板的选区激光熔化直接成型研究［Ｊ］．生物医学 工程学杂志，２０１０，２７（３）：５１９—５２３． ＨＥ Ｘ Ｒ。ＹＡＮＧ Ｙ Ｑ，ＷＵ Ｗ Ｈ ．ｅｔａ１．．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｍｉｎｕｔｅｄ ｆ：ｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｇｅｒｙ Ｏ— ｒｉｅｎｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ￣Ｊ］．Ｊｏｕｒ— ｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２７（３）：５１９— ５２３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ］刘杰，杨永强，宋长辉．基于ＳＬＭ从图像直接制造 昔简介 刘 杰（１９８３一），男，陕西勉县人，博士 研究生，２００５年、２００９年于湘潭大学分 别获得学士、硕士学位，主要从事激光 加工与激光快速成型 疗面的研究。Ｅ＿ ｍａｉｌ：ｊｉｅ．１ｉｕ．ｓｃｕｔ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ 苏旭彬（１９８１一），男，广东潮州人，博士 后，２００５年、２００８年于中南大学分别获 得学士、硕士学位，２０１１年于华南理工 大学获得博士学位，主要从事激光加工 与快速成型方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｃｕｔｓｘｂ＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｎ 金属浮雕的方法［Ｊ］．华南理工大学学报（自然科学 版），２Ｏ１１，３９（６）：１３—１７． Ｉ ＩＵ Ｊ，ＹＡＮＧ Ｙ Ｑ，Ｓ０ＮＧ ＣＨ Ｈ．ＳＬＭ ｂａｓｅｄ ｄｉ— ｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｂａｓ—ｒｅｌｉｅｆ ｆｒｏｍ ｉｍａｇｅｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｋ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｎ 一 ｎｏｌｏｇｙ（Ｎ．￣ｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ），２０１１，３９（６）： １３—１７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１Ｏ］ 张英杰． 二维计算机排料与数控自动编程［Ｄ］．北 京：华北电力大学，２００４． ＺＨＡＮＧ Ｙ Ｊ．Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏ— ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｆｏｒ ＮＣ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［¨］ＢＡＤＵ Ｒ Ａ，ＢＡＤＵ Ｎ Ｒ．Ａ ｇｅｎｅｒｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｎｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ２－Ｄ ｐａｒｔｓ ｉｎ ２－Ｄ ｓｈｅｅｔｓ ｕｓｉｎｇ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｎｄ ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ， ２００１，３３：８７９—８９ｌ＿ ｒ１２］ ＨＥＣＫＭＡ Ｎ Ｒ，ＬＥＮＧＡＵＥＲ Ｔ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎ— ｎｅａｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｘｔｉｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｎｉｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，】９９５，５７：１０３—１３３． ［１３］ ＥＧＥＢＬＡＤ Ｊ，ＮＩＥＬＳＥＮ Ｂ Ｋ，０ＤＧＡＡＲＤ Ａ．Ｆａｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｔｗｏ－ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａＩ ｎｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｅｒａ— ｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００７。１８３：１２４９—１２６６． 肖冬明（１９８０一），男，湖南宁乡人，讲 师，博士研究生，２００３年、２００８年于湖 南科技大学分别获得学士、硕士学位， 主要从事激光加工与激光快速成型方 面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｏｍｉｎｉｃ７４１＠１６３． 杨永强（１９６１一），男，河北定州人，教 授，博士生导师，１９８２年、１９８７年、１９９３ 年于天津大学分别获得学士、硕士、博 士学位，主要从事激光加工、快速原型 以及金属材料等方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ： ｍｅｙｑｙａｎｇ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
