(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211119934.8 (22)申请日 2022.09.15 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 张琦　王寅　陈宇凯　文楚玥　 韩宾　黄科　陈祯　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 专利代理师 贺建斌 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/10(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于粉末床与五轴增减材复合制造方 法 (57)摘要 一种基于粉末床与五轴增减材复合制造方 法， 包括模型预处理： 在设计模型基础上进行模 型自适应补偿， 对补偿后的模型进行修复， 得到 增材模型； 分解重构： 将增材模型进行分解， 得到 多个可一次性规划出内表面刀路的子模型， 再将 子模型按照构建顺序依次交替进行增材制造和 数控加工， 直至所有子模 型均加工完成； 后处理： 在完成所有子模 型的复合加工后， 需去除支撑结 构并对零件外表面进行铣削； 此外， 在去除粉床 和支撑影响后， 部分未加工的内部结构进行再加 工， 由此得到最终所需的零件； 本发明能够实现 传统数控加工难以加工的具有复杂内部结构零 件的制造， 为复杂内部结构零件的一体化精密制 造提供技 术支持。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115392049 A 2022.11.25 CN 115392049 A 1.一种基于粉末 床与五轴增减材复合制造方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (a)模型预处理： 在设计模型基础上进行模型自适应补偿， 对补偿后的模型判断其有无 STL错误， 若有误则进 行模型修复， 直至形成一个完整、 无错误、 水密的STL模 型后， 该模 型即 作为整个增减材复合制造的增材模型 再进行后续加工； (b)分解重构： 将增材模型进行模型分解， 得到多个可一次性规划出内表面刀路的子模 型， 再将子模型按照构建顺序依次交替进行模型重构， 直至所有子模型复合制造 完成； (c)后处理： 在所有子模型完成复合制造后， 需去除支撑结构并铣削外表面； 此外， 在去 除粉床和支撑影响后， 部分未加工的内部结构进行 再加工， 由此 得到最终所需的零件。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤(a)中模型自适应补偿规则为将 模型外轮廓扩张、 内轮廓收缩， 以达到留出合适精加工余量的效果， 该步骤通过开 发模型自 适应补偿算法实现。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述自适应含义为： 在确定的设备、 材料及 工艺下， 针对不同模型特点而弥补因增材过程引起的模型偏差， 模型补偿除了需要留出精 加工余量外， 还需弥补因增材过程引起的模型偏差； 自适应规则通过打印不同倾斜角度下 模型， 并测量实际尺寸与设计尺寸之间的长度、 角度偏差进行探索。 4.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述模型自适应补偿算法的基本思想为： 为留出精加工余量， 将原模型中各三角面片所在平面沿法矢量方向， 即向模型外侧平移精 加工余量和增材过程中模型偏差之和； 通过计算平移后各平面的交点来 获取各三角面片新 的三个顶点坐标， 并重新计算法矢量； 将变换后各三角面片的三个顶点及法矢量按照规则 输出成STL格式， 即得到补偿后的模型。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 所述模型自适应补偿算法求解各三角面片 平移后新顶点的数 学原理为： 假设某顶点变化前坐标为M0＝(x0,y0,z0)， 变换后坐标为M， M0点周围三角面片分布在n 个独立平面上， 其独立平面法矢量分别为： 在不考虑自适应 规则时， 各三角面片沿法矢量方向平 移距离均为d； 当某个顶点周围三角面片分布在同一平面时， 即n＝1时， 顶点变换规则看成沿所在平 面法矢量方向平 移距离d， 即顶点的坐标变换公式为： 当某个顶点周围三角面片分布在两个平面时， 即n＝2时， 顶点变换规则看成沿两平面 合矢量方向平 移距离D， 即顶点的坐标变换公式为： 当某个顶点周围三角面片分布在三个及以上平面时， 即n≥3时， 此时求解变化后的顶 点坐标转化为多个平面 求交点问题， 即顶点的坐标变换公式为： arg min‖Am‑b ‖ 其中， A为平面方程系数矩阵， m为变换后点 坐标， b为常数项， 其表达式如下：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115392049 A 2m＝(x,y,z)T 将各面片的平移方向和距离按照自适应规则对上述坐标变换规则中的法矢量方向 和距离d进行修 正即实现模型自适应补偿。 6.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述模型自适应补偿在改变自适应规则 后， 还应用于其他形式的增减材复合制 造中， 从模型层面实现增减材复合制 造过程中精加 工余量的预留。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤(b)包括模型分解、 内表面刀路规 划和模型重构三个阶段； 所述模型分解阶段为在确定的增材模型摆放角度和加工精度要求下， 根据增材模型内 部结构特征， 用多个垂 直于构建方向的切分面将增材模型分解成多个可一次规划出内表面 加工刀路的子模型， 并输出子模型构建序列； 所述内表面刀路规划阶段时的数控加工仅加工零件内表面， 规划加工刀路时将增材模 型分解后的各子模型作为毛坯， 设计模型作为 目标部件分别进行； 内表面刀 路规划阶段将 生成与子模型个数相同的加工刀路文件； 所述模型重构阶段为根据加工精度要求， 将模型分解阶段获得的子模型和内表面刀路 规划阶段获得的加工刀路文件按照构建序列交替进行增材制造和数控加工， 直至所有子模 型均被复合制造 完毕。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤(c)的再加工是指： 增材模型在 分 解重构阶段的复合制造过程中， 因数控加工受限于PBF的工艺特点， 使得零件部 分内表面无 法被精加工； 当去除掉粉末和支撑影响后， 利用五轴机床对零件部分未加工内表面再次进 行精加工 。 9.根据权利要求1所述一种基于粉末床与五轴增减材复合制造方法所使用的设备， 其 特征在于： 包括气氛保护外壳(1)， 气氛保护外壳(1)内部设有五轴转摆头(2)， 五轴 转摆头 (2)底部连接有刀具(9)， 五轴转摆头(2)连接在直线电机(10)上， 直线电机(10)上连接有激 光振镜(3)； 气氛保护外壳(1)底部设有铺粉刮刀(4)； 气氛保护外壳(1)下方中部设有成形 基板(7)， 一侧设有粉仓(5)及顶粉机构(6)， 另一侧设有收粉仓(8)； 气氛保护外壳(1)作用 为形成一个低氧环境， 防止粉末过烧。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115392049 A 3