Разработка графического редактора для послойного лазерного синтеза

Е.И. Артамонов,

зав. лаб., д.т.н., проф., eiart@ipu.ru,
А.В. Балабанов,

вед. инж., асп.,
В.А. Ромакин,

с.н.с., к.т.н.,
Л.Н. Сизова,

вед. инж.-прогр.
ИПУ РАН, г. Москва

В статье описывается разработка графического редактора, предназначенного для технологической подготовки операции лазерного спекания. Разработана структурная схема графического редактора. Созданы программные средства, проведен анализ их быстродействия.

This article describes design of the graphics editor intended for preparation of the laser sintering procedure. The structure chart of the graphics editor is designed. The software is created, with its operating speed analyzed.

В настоящее время в отечественной промышленности новые образцы техники создаются с применением традиционных средств автоматизации, таких как САПР, станки с ЧПУ, роботы. При этом почти не применяются технологии быстрого прототипирования, которые, как показывает мировой опыт, позволяют сократить сроки освоения производства новых изделий, а также снизить их стоимость и повысить качество. В этой связи также необходимо отметить малую долю отечественных разработок и недостаточно развернутые научные исследования в области технологий быстрого прототипирования.

Одной из прогрессивных технологий быстрого прототипирования является технология послойного лазерного синтеза, которая позволяет изготавливать металлические прототипы деталей сложной конфигурации и заключается в послойном спекании металлического листового или порошкового материала лучом лазера, в результате чего осуществляется постепенное (послойное) формирование прототипа детали.

В статье описывается разработка графического редактора, предназначенного для технологической подготовки операции лазерного спекания. Графический редактор решает следующие основные задачи: считывание, анализ и синтез структур данных объемных геометрических моделей (ОГМ) изделий; позиционирование ОГМ изделий относительно подложки; построение траекторий перемещения лазерного луча; построение контуров сечений и их эквидистант; построение штриховки контуров.

Решена задача выбора лучшей структурной реализации редактора. Для решения указанной задачи построена обобщенная структура алгоритма функционирования графического редактора и произведены операции со структурами алгоритмов, заключающиеся в предварительном разбиении алгоритма функционирования редактора на локальные алгоритмы (ЛА) и последующем их объединении в смысле реализации в одной локальной структуре (ЛС). Суть понятий «локальный алгоритм» и «локальная структура» описывается в [1]. Обобщенная структурная модель алгоритма функционирования графического редактора с предварительно выделенными ЛА представлена на рисунке 1.

рис. 1 Обобщенная структурная модель алгоритма функционирования графического редактора

ЛА на рисунке 1 содержат следующие основные операции:

1. Ввод описаний ОГМ в формате *.stl (блок ИВС). Информация вводится посредством клавиатуры или мыши. Выходная информация представляется в виде таблицы описаний ОГМ (ТОО) – символьным (в виде кодов ASCII) и бинарным форматами *.stl.

2. Операции сохранения и чтения описания ОГМ из базы данных. Этот блок указан на рисунке в виде квадрата с диагоналями и присутствует в тех местах структуры, где образуется новая структура данных.

3. Анализ ОГМ (А1, А2).

4. Преобразование таблицы ТОО в таблицу внутрисистемных описаний ТВОО (блоки ПР1.1, ПР2.1), где модели представлены различными способами кодирования.

5. Геометрические преобразования ОГМ с целью задания нужной ориентации (ГП1.1, ГП2.1).

6. Преобразование способа кодирования (переход от представления модели методом конечных элементов к представлению набором ломаных линий) – ПР1.2, ПР2.2.

7. Построение контуров сечений (ГП1.2, ГП2.2).

8. Построение эквидистант контуров (ГП1.3, ГП2.3).

9. Построение штриховки контуров (ГП1.4, ГП2.4).

10. Построение траекторий перемещения лазерного луча (ГП1.5, ГП2.5).

11. Преобразование внутрисистемного способа кодирования ОГМ в способ кодирования предтерминального файла (PTF) – ПР1.3, ПР2.3.

Анализируя структуру, представленную на рисунке 1, можно заметить, что такая структура избыточна, поскольку имеется целый ряд блоков, реализующих одинаковые алгоритмы. К таким блокам можно отнести блоки ГП1.1-ГП1.5, ПР1.2, ПР2.2, ПР1.3, ПР2.3. , а также блоки, реализующие алгоритмы редактирования, записи и чтения из базы данных.

Совершенствование структуры данных может быть проведено за счет объединения ЛА, как с одинаковыми, так и с разными способами кодирования.

При объединении двух или более ЛА способы кодирования объектов информации должны быть приведены к единому типу, обеспечивающему наилучшие показатели качества реализации ЛА. При объединении ЛА с различной точностью кодирования, точность результирующего ЛА (полученного после объединения) выбирается исходя из соотношения , где n – количество объединяемых ЛА.

После объединения ЛА получается лучший вариант структуры графического редактора. Для структуры на рисунке 1 лучший вариант показан на рисунке 2. Он содержит: 1) модули считывания и сохранения (квадраты с диагоналями), а также анализа (А1, А2) ОГМ, представленных ТОО (стандартными символьным и бинарным форматами *.stl); структура данных ТОО приведена в (1); 2) преобразователи ПР1, ПР2 для преобразования ТОО во внутрисистемное описание ТВОО (специально разработанный бинарный формат *.gld); 3) геометрический процессор ГП1, выполняющий геометрические преобразования ОГМ с целью их ориентации; 4) преобразователь ПР3 осуществляет преобразование структуры данных ОГМ (при этом осуществляется переход от представления ОГМ методом конечных элементов (1) к послойному представлению в виде набора сечений (2); каждое сечение описывается ломаными линиями); 5) модуль сохранения и считывания данных из библиотек (квадрат с диагоналями); 6) геометрический процессор ГП2, выполняющий построение контуров сечений, эквидистант контуров, штриховки контуров и траекторий перемещения лазерного луча; 7) преобразователь ПР4 выполняет преобразование ТВОО в предтерминальный файл (PTF); 8) модуль сохранения данных в формате PTF.

, (1)

где - координаты вершин i-го треугольника; - координаты нормали i-го треугольника; - количество треугольников в сетке.

(2)

где - координаты вершин граней каждого элемента ОГМ, - список номеров вершин, входящих в i-ю грань j -го элемента ОГМ, - список номеров граней j -го элемента ОГМ, - записи служебной информации.

рис. 2

На основе структурной модели алгоритма функционирования, разработана структурная схема графического редактора (рис. 3).

Модуль чтения и анализа 3D-модели предназначен для загрузки ОГМ изделия из файла в формате *.stl и последующего её анализа.

Модуль ориентации 3D-модели предназначен для ориентации ОГМ изделия относительно плоскости подложки.

Модуль построения траекторий перемещения лазерного луча осуществляет построение траекторий перемещения энергетического пятна лазерного луча для формирования физической плоскости конкретного сечения изделия. Для решения этой задачи используются дополнительные модули построения контуров сечений, построения эквидистант контуров, построения штриховки контуров.

Модуль построения контуров сечений предназначен для построения контуров сечения 3D-модели изделия плоскостью. Для решения этой задачи используется библиотека алгоритмов аналитической геометрии.

рис. 3 Структурная схема графического редактора

Модуль построения эквидистант контуров предназначен для построения эквидистантных линий контуров сечения. Для решения этой задачи используется библиотека алгоритмов инженерной графики.

Модуль построения штриховки контуров предназначен для построения технологической сетки, внутрисеточных и внутриклеточных траекторий. Для решения этой задачи используется библиотека алгоритмов инженерной графики.

Библиотека поддержки графических форматов содержит реализации алгоритмов чтения, преобразования и записи широко используемых в производстве 3D-форматов данных, в том числе символьного и бинарного форматов *.stl.

Библиотека алгоритмов аналитической геометрии содержит реализации алгоритмов решения различных задач аналитической геометрии, в том числе задачи на прямую линию на плоскости и в пространстве, на прямую и плоскость в пространстве.

Библиотека алгоритмов инженерной графики содержит реализации алгоритмов инженерной графики, включая алгоритмы построения эквидистантных линий и штриховки.

Модуль управления организует работу отдельных модулей графического редактора.

В соответствии с предложенной структурной схемой были созданы программные средства. Рисунок 4 иллюстрирует процесс преобразования формата *.stl во внутренний формат графического редактора и получение сечения и его штриховки.

рис. 4: а) модель в формате *.stl; б) модель во внутреннем формате графического редактора с секущей плоскостью; в) заштрихованное сечение модели,

построенное в графическом редакторе

Кроме того, был разработан ряд тестовых ОГМ, на основе которых был проведен анализ временных характеристик работы алгоритмов графического редактора. Результаты анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1

Время построения 10000 контуров сечений и их штриховки

Деталь
Количество вершин / граней		24 / 8	6198 / 2066	10830 / 3630	23778 / 7926	2400 / 800
Время работы, сек	контур	1	7	20	125	87
	штриховка	1	10	25	116	56

Литература

1. Е.И.Артамонов. Структурное проектирование систем // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2008. №2. С. 3-11.