CN106202754A - 一种面向多自由度3d打印的空间路径生成方法 - Google Patents

Abstract

一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，先利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立三维的制件模型，并生成辅助模型和支撑模型，然后生成制件路径；再将制件路径逆向排序，生成自内向外的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出运动机构按照打印路径运动时需要的配合打印动作参数，然后将支撑模型导入到3D打印路径生成软件中，生成支撑路径；为支撑路径添加法向量信息，通过法向量计算出多自由度3D打印系统中打印头的姿态分量；最后将生成的支撑路径和制件路径导入多自由度3D打印系统，完成多自由度3D打印的完成，本发明消除现有3D打印技术存在的台阶效应，提高制件的力学性能，增加制件的各向同性。

Description

一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法

技术领域

本发明涉及多自由度3D打印技术领域，具体涉及一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法。

背景技术

3D打印技术具备可成型任意形状零件的特点，传统的3D打印技术通常采用三自由度的运动方式，只能在固定二维平面上逐层叠加成型，因此会产生“台阶效应”，影响成型精度。此外，由于3D打印的成型过程沿着一个方向逐层叠加，在分层方向上的力学性能明显低于其它方向，呈现出各向异性。成型精度和力学性能限制了3D打印的发展与应用。利用多自由度运动系统，可突破传统3D打印的局限性，使打印不局限于平面分层，实现三维空间更灵活的打印，根据制件外表面进行分层制造提高制件的精度，同时可以弱化制件的各向异性性能，增加制件的整体力学性能。此外，可以根据制件的特点，自适应改变分层方向，减少甚至消除支撑，同时可以提高制件的精度，减少台阶效应。由此可见，具有多自由度运动和打印功能是3D打印技术的发展趋势，但如何生成多自由度3D打印空间路径是制约其发展的瓶颈问题，主要体现在如下两个方面：

1)目前缺乏对多自由度3D打印方法的系统研究，更没有通用的三维空间路径生成方法，传统的3D打印路径生成是基于平面分层进而在二维平面上路径规划获取打印轨迹，对于空间曲面的分层和空间内非平面的路径生成尚无方法，不能实现多自由度灵活、高效、稳定地3D打印；

2)现有的3D打印路径生成方法未实现喷头位姿的实时控制，无法实时地沿着曲面法向方向打印，难以满足多自由度3D打印方法的工艺要求。

计算机辅助制造(CAM)技术是将计算机应用于产品制造过程的技术，具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能。计算机辅助制造技术中的数控编程和加工仿真功能包含丰富的路径生成方法，其强大的图形处理能力可以输出路径的相关信息，可以为3D打印的路径生成提供支持，尤其为多自由度3D打印的空间路径生成提供了可能和便利。然而，目前计算机辅助制造(CAM)技术在3D打印领域的应用非常少，计算机辅助制造(CAM)技术具备传统加工方式(如车削、铣削等)的路径生成方法，但没有针对多自由度3D打印工艺特点的路径生成方法，不能直接应用于多自由度3D打印。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，实现多自由度3D打印在三维空间内的曲面分层规划及空间路径生成，进而实现快速、稳定地制造。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，包括以下操作步骤：

1)确定三维模型：利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立三维的制件模型，然后以制件模型的下表面向内偏置生成辅助模型，此外，在制件模型悬空部位建立支撑模型；

2)生成制件路径：将制件模型导入到计算机辅助制造(CAM)软件中，选择制件模型的外表面偏置向内加工，根据不同工艺特点选择不同的路径生成方式、刀具以及刀具参数，进而生成铣削加工的空间刀具路径，同时提取出空间刀具路径的法向量信息并导出；

3)处理制件路径：将制件路径逆向排序，生成自内向外的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出运动机构按照打印路径运动时需要的配合打印动作参数；

4)生成支撑路径：将支撑模型导入到3D打印路径生成软件中，生成支撑路径；

5)添加支撑路径的法向量信息：为支撑路径添加法向量信息，将法向量设置为(0，0，1)，添加到支撑路径文件中；

6)多自由度姿态分量的计算：通过法向量计算出多自由度3D打印系统中打印头的姿态分量；

7)路径导入多自由度系统：将生成的支撑路径和制件路径导入多自由度3D打印系统，根据路径信息，多自由度运动机构带动喷头运动，3D打印模块配合动作，完成多自由度3D打印的完成。

所述的步骤1)中计算机辅助设计(CAD)软件，包括Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。

所述的步骤2)中计算机辅助制造(CAM)软件中，包括UG NX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam或Edgecam。

所述的步骤4)中3D打印路径生成软件中，包括Cura、XBuilder、Maker Bot、Slic3r或Simplify3D。

所述的步骤6)的计算过程如下：

6.1)将法向量反向处理，并以此向量为机械臂工具坐标系的Z轴；

6.2)通过工具坐标系的Z轴建立机械臂工具坐标系；

6.3)通过欧拉变换矩阵求出对应的姿态分量。

本发明的优点：与现有技术相比，本发明将传统计算机辅助制造(CAM)技术引入3D打印领域，为多自由度3D打印提供了一套完整的空间路径生成方法，能够根据零件的特点进行空间分层，规划并生成空间打印路径，消除现有3D打印技术存在的台阶效应，提高制件的力学性能，增加制件的各向同性，该方法具有良好的适用性，能够满足多自由度3D打印工艺的需要，可广泛应用于高精度、高强度制件的制造。

附图说明

图1是本发明多自由度3D打印路径生成及位姿控制方法的工艺流程图。

图2是本发明实施例建立的三维模型示意图。

图3是本发明实施例支撑模型和辅助模型的示意图。

图4是空间路径的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例采用三菱6自由度机械臂作为多自由度3D打印的运动机构，UG NX为建模与铣削路径生成的软件，选用熔融挤出成形工艺，以球壳模型为例进行空间路径的生成。

参照图1，一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，包括以下操作步骤：

1)确定三维模型：参照图2和图3，利用计算机辅助设计(CAD)软件UG NX，建立球壳模型，然后以球壳模型的下表面向内偏置生成辅助模型，为下一步建立工件几何体做准备，球壳模型曲面部分悬空，需要添加支撑，建立支撑模型，并导出支撑模型的STL文件；

2)生成制件路径：将制件模型导入到计算机辅助制造(CAM)软件UG NX的数控加工模块，选择制件模型的外表面偏置向内加工，将球壳模型底面中心设置为机床坐标系零点，将底面设为机床坐标系Z轴的零平面，球壳模型设置为毛坯，辅助模型设置为部件，建立工件几何体；选用0.4mm喷头，对应将刀具设置为0.8mm的球形铣刀；将加工余量设置为层厚，选用0.25mm的层厚，建立精加工方法；以上述刀具、加工方法和几何体建立轮廓铣工序，其中将驱动方法设置为边界，设置切削深度增量为层厚0.25mm，生成刀具路径，如图4所示，并提取出法向量信息，导出路径文件；

3)处理制件路径：铣削是自外向内加工的过程，需要将得到的制件路径逆向排序，生成自内向外的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出运动机构按照打印路径运动时需要的配合打印动作参数，如熔融挤出成形中的送丝量和送丝速度，熔融挤出成形中送丝量L1根据送进丝材体积等于挤出成形体积计算，L1＝4·L2·K·H/(π·D²)；送丝速度V1根据送丝时间等于运动机构运动时间计算，V1＝4·K·H·V2/(π·D²)，其中L2为打印距离，K为打印线宽，H为打印层厚，D为丝材直径，V2为打印速度；

4)生成支撑路径：将支撑模型导入到3D打印路径生成软件Cura中，生成支撑路径；

5)添加支撑路径的法向量信息：为支撑路径添加法向量信息，由于传统3D打印基于平面分层，所以将法向量设置为(0，0，1)，添加到支撑路径文件中；

6)多自由度姿态分量的计算：通过法向量计算出多自由度3D打印系统工具的姿态分量；

本实施例采用三菱6自由度机械臂作为多自由度3D打印的运动机构，设(nx，ny，nz)、(ox，oy，oz)和(ax，ay，az)分别为机械臂工具坐标系X轴、Y轴和Z轴在世界坐标系中的方向余弦，C、B、A分别为机械臂工具坐标系绕世界坐标系Z轴、Y轴、X轴旋转的角度，计算如下：

6.1)将法向量反向处理，并以此向量为机械臂工具坐标系的Z轴，则可求出(ax，ay，az)；

6.2)通过工具坐标系的Z轴建立机械臂工具坐标系：

当(ax，ay，az)≠(0，±1，0)时，取ny＝0，则可求得X轴和Y轴在机械臂世界坐标系中的方向余弦分别为 和(ay·nz-az·nx，az·nx-ax·nz，ax·ny-ay·nx)；

当(ax，ay，az)＝(0，1，0)时,取X轴和Y轴在机械臂世界坐标系中的方向余弦分别为(0，0，1)和(1，0，0)；

当(ax，ay，az)＝(0，-1，0)时,取X轴和Y轴在机械臂世界坐标系中的方向余弦分别为(0，0，1)和(-1，0，0)；

6.3)由于三菱机械臂采用Z-Y-X转动的欧拉角坐标系描述方法，因此可得欧拉变换矩阵，建立方程1，求解可得

当Cos(B)≠0时，C＝Atan2(ny,nx)，A＝Atan2(oz,az)；

当Cos(B)＝0时，取C＝0，B＝90°，则A＝Atan2(oz,ay)；

方程1:

$\left(\begin{array}{c}nx,ox,ax\\ ny,oy,ay\\ nz,oz,az\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}Cos\left(C\right)Cos\left(B\right),& -Sin\left(C\right)Cos\left(A\right)+Cos\left(C\right)Sin\left(B\right)Sin\left(A\right),& Sin\left(C\right)Sin\left(A\right)+Cos\left(C\right)Sin\left(B\right)Cos\left(A\right)\\ Sin\left(C\right)Cos\left(B\right),& Cos\left(C\right)Cos\left(A\right)+Sin\left(C\right)Sin\left(B\right)Sin\left(A\right),& -Sin\left(A\right)Cos\left(C\right)+Sin\left(C\right)Sin\left(B\right)Cos\left(A\right)\\ -Sin\left(B\right),& Cos\left(B\right)Sin\left(A\right),& Cos\left(B\right)Cos\left(A\right)\end{array}\right)$

7)路径导入多自由度系统：将生成的支撑路径和制件路径导入多自由度3D打印系统，根据路径信息，多自由度运动机构带动喷头运动，

3D打印模块配合动作，完成多自由度3D打印的完成。

Claims (5)

1.一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

1)确定三维模型：利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立三维的制件模型，然后以制件模型的下表面向内偏置生成辅助模型，此外，在制件模型悬空部位建立支撑模型；

2)生成制件路径：将制件模型导入到计算机辅助制造(CAM)软件中，选择制件模型的外表面偏置向内加工，根据不同工艺特点选择不同的路径生成方式、刀具以及刀具参数，进而生成铣削加工的空间刀具路径，同时提取出空间刀具路径的法向量信息并导出；

3)处理制件路径：将制件路径逆向排序，生成自内向外的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出运动机构按照打印路径运动时需要的配合打印动作参数；

4)生成支撑路径：将支撑模型导入到3D打印路径生成软件中，生成支撑路径；

5)添加支撑路径的法向量信息：为支撑路径添加法向量信息，将法向量设置为(0，0，1)，添加到支撑路径文件中；

6)多自由度姿态分量的计算：通过法向量计算出多自由度3D打印系统中打印头的姿态分量；

7)路径导入多自由度系统：将生成的支撑路径和制件路径导入多自由度3D打印系统，根据路径信息，多自由度运动机构带动喷头运动，3D打印模块配合动作，完成多自由度3D打印的完成。

2.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算机辅助设计(CAD)软件，包括Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。

3.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，其特征在于：所述的步骤2)中计算机辅助制造(CAM)软件中，包括UGNX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、Gibbs CAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam或Edgecam。

4.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，其特征在于：所述的步骤4)中3D打印路径生成软件中，包括Cura、XBuilder、Maker Bot、Slic3r或Simplify3D。

5.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印的空间路径生成方法，其特征在于：所述的步骤6)的计算过程如下：

6.1)将法向量反向处理，并以此向量为机械臂工具坐标系的Z轴；

6.2)通过工具坐标系的Z轴建立机械臂工具坐标系；

6.3)通过欧拉变换矩阵求出对应的姿态分量。