CN105710368B - 用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法及扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，在带有尖角的三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点与三维物体截面尖角顶点之间添加补偿路径。本发明还公开了一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，包括：对带有尖角的三维物体截面进行常规扫描路径规划；对带有尖角的三维物体截面进行补偿路径规划；根据常规扫描路径和补偿路径，对三维物体截面进行扫描烧结，完成三维物体成型加工。本发明使三维物体尖角处得以扫描，既减少了扫描余量，又提高了三维物体的尺寸精度，从而有效提高三维物体的良品率，降低企业生产成本。

Description

用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法及扫描方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，本发明还涉及一种用于逐层制造三维物体的扫描方法。
背景技术
增材制造技术是基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的加工方式。其是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用高能束将材料进行逐层堆积，最终叠加成型，制造出实体产品。
增材制造的工艺方法有很多种，主要分为基于送粉方式和铺粉方式的制造方法。该两种工艺方法的核心思想基本一致，即：先在计算机上设计出三维物体的三维实体模型，然后通过切分软件对该三维模型进行切片分层，并对各层进行扫描路径规划，之后将得到的各层信息导入增材制造设备，进行堆积成型。
目前，对带尖角类三维物体按照常规扫描路径规划和扫描时，如图1所示，在扫描至尖角处时，由于尖角顶点区域窄小，常规扫描过程通常丢弃尖角顶点处内切圆直径小于光源光斑直径的部分，不对其进行扫描烧结。这样，将导致尖角处实际烧结尺寸小于原型尺寸，产生一定的缺损量，造成三维物体尖角处精度受损。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，解决了现有规划方法丢弃尖角顶点处内切圆直径小于光源光斑直径的部分导致的三维物体精度变差的问题；本发明的另一目的是提供一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，解决了现有扫描方法尖角处实际烧结尺寸小于原型尺寸，产生一定的缺损量的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，在带有尖角的三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点与三维物体截面尖角顶点之间添加补偿路径。
本发明的特点还在于，
补偿路径以所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点为起点，指向所述三维物体截面尖角顶点方向，其长度等于或小于所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点到所述三维物体截面尖角顶点间的距离减去光源光斑半径的长度。
当所述补偿路径长度小于所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点到所述三维物体截面尖角顶点间的距离减去光源光斑半径的长度时，该补偿路径的规划方法包括补偿路径终点的确定，补偿路径终点的确定包括：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0：
式(1)中，R为光源光斑半径，θ为尖角角度；
2)读入用户自定义的步长常数c，其中c>1；
3)以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点为起点，使与光源光斑半径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点和三维物体截面尖角顶点确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量面积与扫描余量面积之和，得到M个面积值Ai，其中，0<i≤M，i为整数；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点。
步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置。
光源为激光束、电子束、等离子束。
本发明所采用的另一技术方案是，一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，包括以下步骤：
步骤1、对带有尖角的三维物体截面进行常规扫描路径规划；
步骤2、对带有尖角的三维物体截面进行补偿路径规划；
步骤3、根据步骤1和步骤2确定的常规扫描路径和补偿路径，对三维物体截面进行扫描烧结，完成三维物体成型加工。
本发明另一技术方案的特点还在于，
步骤2中，进行补偿路径规划的具体方法为：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0；
2)读入用户自定义的步长常数c，其中c>1；
3)以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点为起点，使与光源光斑半径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点和三维物体截面尖角顶点确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量面积与扫描余量面积之和，得到M个面积值Ai，其中，0<i≤M，i为整数；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点。
步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置。
光源为激光束、电子束、等离子束。
本发明的有益效果是，
1)一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，通过在三维物体截面尖角处添加补偿路径，补偿路径的长度等于或小于三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点到所述三维物体截面尖角顶点间的距离减去光源光斑半径的长度，使得三维物体尖角处得以扫描，弥补了常规扫描带来的缺损量；特别是，当补偿路径长度小于三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点到所述三维物体截面尖角顶点间的距离减去光源光斑半径的长度时，该方法在最大程度上提高了三维物体的尺寸精度，实现了三维物体尖角处缺损量与扫描余量的平衡。
2)一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，通过对尖角顶点处内切圆直径小于光源光斑直径的部分进行扫描，提高三维物体尖角处精度，从而有效提高三维物体的良品率，降低企业生产成本。
附图说明
图1是现有技术常规扫描路径规划示意图；
图2是采用本发明第一种方法对待加工三维物体截面进行扫描路径规划的示意图；
图3是采用本发明第二种方法对待加工三维物体截面进行扫描路径规划的示意图。
图中，1.常规扫描路径，2.三维物体截面尖角顶点，3.缺损量，4.扫描余量，5.补偿路径，6.常规扫描路径跳跃点，7.光源光斑。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，具体实施步骤如下：如图2所示，在带有尖角的三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6与三维物体截面尖角顶点2之间添加补偿路径5，其中，补偿路径5以所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6为起点，指向所述三维物体截面尖角顶点2方向，其长度等于所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6到所述三维物体截面尖角顶点2间的距离减去光源光斑7半径的长度。
采用上述第一种方法的扫描路径对三维物体截面尖角处进行扫描，使得三维物体截面尖角处得以扫描，弥补了采用常规扫描路径1进行三维物体截面尖角处扫描时带来的尖角缺损量3。
采用上述第一种方法的扫描路径对三维物体截面尖角处进行扫描时，同时会造成实际烧结尺寸大于原型尺寸，产生过多的扫描余量4，从而影响三维物体尺寸精度。因此，为了实现三维物体截面尖角处缺损量3与扫描余量4的平衡，最大程度上提高三维物体尺寸精度，如图3所示，本发明提出另一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，其大致与第一种方法相同，不同的是，该方法的补偿路径长度5小于所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6到所述三维物体截面尖角顶点2间的距离减去光源光斑7半径的长度。
本发明第二种方法的补偿路径5的规划方法包括补偿路径终点的确定，其中补偿路径终点的确定包括：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0：
式(1)中，R为光源光斑半径，θ为尖角角度；
2)读入用户自定义的步长常数c，步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置，其中c>1；
3)如图3所示，以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6为起点，使与光源光斑7半径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6和三维物体截面尖角顶点2确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点2方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点2重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量3面积与扫描余量4面积之和，得到M个面积值Ai，其中，0<i≤M，i为整数；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点。
本发明还提供了一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，包括以下步骤：
步骤1、对带有尖角的三维物体截面进行常规扫描路径1规划；
步骤2、对带有尖角的三维物体截面进行补偿路径5规划，该补偿路径以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6为起点，指向所述三维物体截面尖角顶点2方向，其终点的具体确定方法为：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0；
2)读入用户自定义的步长常数c，步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置，其中c>1；
3)以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6为起点，使与光源光斑7直径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点6和三维物体截面尖角顶点2确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点2方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量3与扫描余量4面积之和，得到M个面积值Ai，其中，0<i≤M，i为整数；光源为激光束、电子束、等离子束；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点；
步骤3、根据步骤1和步骤2确定的常规扫描路径1和补偿路径5，对三维物体截面进行扫描烧结，完成三维物体成型加工。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，其特征在于，在带有尖角的三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)与三维物体截面尖角顶点(2)之间添加补偿路径(5)；
所述补偿路径(5)以所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)为起点，指向所述三维物体截面尖角顶点(2)方向，其长度小于或者等于所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)到所述三维物体截面尖角顶点(2)间的距离减去光源光斑(7)半径的长度；
所述补偿路径(5)的规划方法包括补偿路径终点的确定，所述补偿路径终点的确定包括：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0；
2)读入用户自定义的步长常数c，其中c>1；
3)以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)为起点，使与光源光斑(7)半径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)和三维物体截面尖角顶点(2)确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点(2)方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点(2)重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量(3)面积与扫描余量(4)面积之和，得到M个面积值Ai，其中，R为光源光斑半径，0<i≤M，i为整数；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点；
所述的常规扫描路径(1)为：对带尖角类三维物体按照常规扫描路径规划和扫描时，在扫描至尖角处时，由于尖角顶点区域窄小，常规扫描过程通常丢弃尖角顶点处内切圆直径小于光源光斑直径的部分，不对其进行扫描烧结。
2.根据权利要求1所述的一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，其特征在于，所述步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置。
3.根据权利要求1所述的一种用于逐层制造三维物体的扫描路径规划方法，其特征在于，所述光源为激光束、电子束、等离子束。
4.一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对带有尖角的三维物体截面进行常规扫描路径(1)规划；
步骤2、对带有尖角的三维物体截面进行补偿路径(5)规划；
步骤3、根据步骤1和步骤2确定的常规扫描路径(1)和补偿路径(5)，对三维物体截面进行扫描烧结，完成三维物体成型加工；
其中步骤2中，所述补偿路径(5)以所述三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)为起点，指向所述三维物体截面尖角顶点(2)方向，补偿路径终点的确定方法为：
1)确定采用常规扫描方法时，三维物体截面尖角处缺损面积A0；
2)读入用户自定义的步长常数c，其中c>1；
3)以三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)为起点，使与光源光斑(7)半径相同的圆沿由三维物体截面尖角处常规扫描路径跳跃点(6)和三维物体截面尖角顶点(2)确定的直线，以R/c的步长向三维物体截面尖角顶点(2)方向运动，直至该圆靠近三维物体截面尖角一侧的端部与三维物体截面尖角顶点(2)重合为止；同时，在该圆运动过程中，该圆每运动一个步长的距离，确定此时三维物体截面尖角处缺损量(3)面积与扫描余量(4)面积之和，得到M个面积值Ai，其中，R为光源光斑半径，0<i≤M，i为整数；
4)比较A0及M个面积值Ai，确定该M+1个面积值中最小的面积值所对应的圆的位置，并以该圆的圆心作为补偿路径终点；
所述的常规扫描路径(1)为：对带尖角类三维物体按照常规扫描路径规划和扫描时，在扫描至尖角处时，由于尖角顶点区域窄小，常规扫描过程通常丢弃尖角顶点处内切圆直径小于光源光斑直径的部分，不对其进行扫描烧结。
5.根据权利要求4所述的一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述步长常数c由用户根据三维物体加工精度要求及光源光斑半径自定义设置。
6.根据权利要求4所述的一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述光源为激光束、电子束、等离子束。
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