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本文摘要：

3D打印技术是近几年的研究热点，更是国家“工业4.0”中提到的研究方向，五轴联动加工平台更开拓了3D打印的加工维度[43]，在此基础上可以实现无支撑结构的3D打印技术。而增减材混合加工可以在无支撑打印的基础上，不仅能更加节省材料还能进一步提高打印零件的精度和强度。基于此，本文研究实现了增减材混合加工的算法，具体工作如下：

（1）STL文件前处理过程。作为3D打印中使用广泛的模型文件，处理STL文件是增减材混合加工算法中最基础的部分。针对STL文件的两种格式，ASCII格式和二进制格式，本文分别编写了相应格式下的STL文件读取算法。由于STL文件存在大量数据冗余，根据冗余产生的原因，构建了三角形点、线、面之间的拓扑结构，除去了STL文件中的冗余点。针对零件模型内的三角面片数无法更改的问题，在不破坏三角形间的拓扑结构的前提下，实现了三角形网格Loop细化算法，提高了后续算法的准确度。为了方便观察STL文件模型，使用OpenGL图形库实现了STL文件模型的可视化。

（2）建立增减材混合加工刀具可达性模型。分层算法是3D打印的基础算法，计算切平面与零件STL模型相交生成的零散的交线段，将交线段首尾连接得到该层的截面轮廓，也就是分层算法所需的每层的轮廓。得到每层轮廓线之后，计算得到每层轮廓线的形心，将每层形心首尾相连可以得到零件的形心轴。为了建立刀具简化模型，研究了刀具简化的三个必要条件：刀具连续性问题、免支撑条件下刀具可行范围和简化后刀具接触点，根据简化后刀具接触点和零件形心轴的切线方向确定了刀具简化模型方程。采用刀具简化模型方程与零件STL模型求交，在满足刀具连续性的前提下，可以得到刀具在零件任意一点上的刀具可达性。最后针对刀具与零件求交速度缓慢的问题，采用包围盒包围模型中三角面片，并建立二叉树结构加速刀具与模型求交的过程，使得大量计算刀具与模型求交成为可能。

（3）增减材混合加工序列规划。根据增减材混合加工序列规划问题的目标和约束，建立增减材混合加工序列规划问题数学模型。得到增减材混合加工刀具可达性模型之后，对于零件每层轮廓线计算刀具垂直与轮廓面的刀具可达性，将零件粗分解为不同子部件，得到初始混合加工序列。最后使用贪心算法优化增减材混合加工序列。

（4）增减材混合加工模拟仿真。利用VisualStudio平台使用C++语言，OpenGL图形库实现了STL模型的可视化、刀具碰撞干涉的可视化和增减材混合加工过程中刀具轨迹的模拟仿真，并利用Qt开发相关GUI界面，最后对这些软件功能进行展示。

创新点

（1）针对增减材混合加工过程中的刀具碰撞干涉问题，提出了刀具简化模型并且利用该模型与零件模型求交，得到增减材混合加工刀具可达性模型。在此基础上利用包围盒包围三角面片，建立二叉树结构加速刀具与零件求交，加快刀具可达性计算，提高后续算法效率。

（2）研究增减材混合加工序列规划问题的优化目标和约束，建立增减材混合加工序列规划问题数学模型，基于迭代法将零件粗分解，得到初始混合加工序列。在此基础上利用贪心算法将零件继续分解，以优化增减材混合加工序列。

未来工作展望

（1）目前增减材混合加工刀具可达性模型只讨论了由柱状结构组成的复杂零件，而非柱状结构组成的零件需要支撑结构，会增加刀具碰撞干涉问题出现的概率，使刀具可达性更难计算。本文提出的刀具可达性模型后续还需考虑支撑结构。

（2）本文提出的增减材混合加工刀具可达性模型和序列规划算法目前并未通过物理实验验证，只通过计算机仿真验证了理论可行性，后续需要进一步结合实际加工系统验证方法的可行性。