CN106584844A - 一种面成型增材制造系统零件精度改善方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面成型增材制造系统零件精度改善方法及装置，该方法包括以下步骤：步骤1）：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚 z 进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；步骤2）：扫描转换；步骤3）：以基于高斯分布的灰度计算方法获得灰度掩膜图像；步骤4）：生成图像。本发明相比传统采用二值掩膜图像进行面成型加工的方式，为基于高斯分布的灰度计算方法，可以快速高效的获得满足要求的灰度掩膜图像；所采用的灰度掩膜图像可以实现在不改变投影机硬件分辨率的前提下，显著改善加工零件的形状、尺寸精度，同时明显消除XY方向的锯齿效应，以带来更好的XY表面质量。

Description

一种面成型增材制造系统零件精度改善方法及装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种面成型增材制造系统零件精度改善方法及装置。
背景技术
增材制造是集成了数字制造、先进材料、信息网络等多种技术的新兴制造方法，与传统制造工艺中的切削加工，锻造等工艺方式不同，增材制造是通过增加材料的方法制造出实体物品。在诸多领域有广阔的应用前景，如工业产品概念设计，快速模具制造，医学应用等方面。面成型制造工艺是一种基于投影的增材制造工艺，该工艺利用数字微镜DMD产生的动态掩膜图像代替在XY方向移动的激光点来照射固化光敏树脂，具有一次照射，整层成型的特点，极大提高了加工效率；同时，由于无需XY方向的运动控制系统及激光系统，显著降低了设备的成本。高效率、低成本的优势使面成型技术具有广阔的应用前景。
然而，面成型技术加工零件在形状、尺寸和表面质量等方面的精度相比传统制造工艺仍有提升的空间。现有的研究着重解决了投影系统造成的畸变以及能量分布不均匀带来的形状尺寸偏差，但由于面成型技术采用的是二值数字掩膜图像，而二值数字掩膜图像具有像素离散化的特点，会造成加工零件的XY方向边缘具有明显的锯齿效应，从而造成形状失真，尺寸不准确等缺陷。这些问题限制了面成型技术在实际中的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种面成型增材制造系统零件精度改善方法及装置，以克服现有技术中的不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚 z 进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；
步骤2）：掩膜图像的获取是将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储而得；
2.1）读取掩膜图像的总层数，从i=0开始，依次读取第i层所对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；
2.2）读取第i层掩膜图像，获取第 i 层掩膜图像中轮廓总个数 m，从j=0开始，依次读取第j个轮廓所包含的全部点；
2.3）读取第i层第j个轮廓，遍历第j个轮廓中所有的点，从而寻到Y值最小的点记为MinPioint(m0,n0)，并取其前一点PrePoint(m1,n1)以及后一点NextPoint(m2,n2)；
2.4）针对第j个轮廓的MinPioint(m0,n0),找到其前一点PrePoint(m1,n1)和后一点NextPoint(m2,n2)，利用以下公式：
p=(n-n1)(m2-m1)-(n2-n1)(m-m1) 公式（1）
当p>0时，该轮廓为逆时针，设置标志位isClockwise为错误false；
当p<0时，该轮廓为顺时针，设置标志位isClockwise为正确true；
当p=0时，表示Y值最小的点有多个，选择下一Y值最小点，重复步骤2.4）；
2.5）将平行于X轴、以dx为间隔的一系列扫描线与轮廓j求交，将交点保存在EdgePoint[height][width]中，其中，height，width分别表示投影仪Y，X方向的分辨率,PlantFormX,PlantFormY分别表示加工区域的X，Y方向的尺寸，dx= PlantFormX/width，且dx的范围为0-0.2mm；
2.6）建立结构体Point2D用来保存端点坐标，建立结构体IntersectPoint用来保存所述扫描线与轮廓j的交点，以及该交点对应的轮廓线段的两端点StartPoint、EndPoint，
其中，Struct Point2D{ Float x;Float y;}；
struct IntersectPoint{ Bool EdgePoint[height][width];Point2D StartPoint;Point2D EndPoint;};
步骤3）：以基于高斯分布的灰度计算方法获得灰度掩膜图像；
3.1）依次取结构体IntersectPoint中的交点，若isClockWise为错误false，则通过以下公式（2）-（5）得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧，（公式3）
当f=0,像素中心位于有向线段上，（公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧，（公式5）
3.2）若isClockWise为正确true，则通过公式1以及公式（2）-（5）得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧，（公式5）
当f=0,像素中心位于有向线段上，（公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧，（公式3）
3.3 ）重复步骤2.2）-步骤3.2），直至完成第i层所有轮廓的计算；
步骤4）：生成图像。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤4）具体包括：
4.1）将步骤2.5）中求得的交点数组EdgePoint中的每一行的相邻交点依次成对取出，交点对应像素的灰度值为步骤3）中PixelPointValue中保存的灰度值；
4.2）位于交点中间的像素为内部像素点，灰度值为全白255。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1）中，根据零件加工精度的需求，选择与零件支撑结构相对应的切片层厚度，对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤1）还包括，将实体轮廓相对应的掩膜图像的数据信息保存为SLC数据格式。
作为本发明的优选方案之一，步骤2.5）中，dx的值为0.05。
本发明还公开了一种面成型增材制造系统零件精度改善装置，包括零件成型平台、树脂槽、 支座、投影机、机电控制板及线性滑台；
投影机与机电控制板相连，机电控制板与线性滑台相连，线性滑台底端与支座相连支座上固定有树脂槽，树脂槽内设置有树脂液体，树脂液体上方设置零件成型平台， 零件成型平台与线性滑台的上部相连 ；
开始加工时，零件成型平台在线性滑台的带动下运动至与树脂槽上表面相接触，机电控制板读取待加工零件的总层数 n，从 i=0 开始，依次读入零件第 i 层对应的掩膜图像，并控制投影仪投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第 i 层的加工结束，机电控制板控制线性滑台带动成型平台上移一个层厚 z，开始第 i+1 层加工，直至 i= n，即完成整个零件的加工。
本发明的优选方案之一，所述投影机与机电控制板之间及机电控制板与线性滑台之间均通过数据线连接。
本发明的优选方案之一，所述投影机的投影方向正对所述支座的中心面处。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明相比传统采用二值掩膜图像进行面成型加工的方式，为基于高斯分布的灰度计算方法，可以快速高效的获得满足要求的灰度掩膜图像；
所采用的灰度掩膜图像可以实现在不改变投影机硬件分辨率的前提下，显著改善加工零件的形状、尺寸精度，同时明显消除XY方向的锯齿效应，以带来更好的XY表面质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1为像素光能量分布示意图；
图2为高斯分布示意图；
图3为本发明实施例提供的一种面成型增材制造系统零件精度改善方法的流动图；
图4 本发明实施例提供的一种面成型增材制造系统零件精度改善装置的结构示意图。
附图标记说明：1-零件成型平台，2-树脂液体，3-树脂槽，4-支座 ，5-投影机，6-机电控制板，7-线性滑台。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案作详细说明：
如图4所示，本发明依托的硬件结构，包括零件成型平台1、树脂液体2、树脂槽3、支座4、投影机5、机电控制板6、线性滑台7。
投影机5与机电控制板6相连，机电控制板6与线性滑台7相连，线性滑台7底端与支座4相连，支座4上固定有树脂槽3，树脂槽3内设置有树脂液体2，树脂液体2上方设置零件成型平台1，零件成型平台1与线性滑台7的上部相连。投影机5与机电控制板6之间及机电控制板6与线性滑台7之间均通过数据线连接，投影机5的投影方向正对支座4的中心面处。
本发明依托的硬件结构工作原理为：当开始加工时，零件成型平台1在线性滑台7的带动下运动至与树脂槽2上表面相接触，机电控制板6读取待加工零件的总层数n，从i=0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，并控制投影仪5投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第i层的加工结束，机电控制板6控制线性滑台7带动成型平台1上移一个层厚z，开始第i+1层加工，直至i=n，即完成整个零件的加工。
参见图1-3所示，本发明实施例公开了本发明公开了一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚 z 进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；
1.1），根据零件加工精度的需求，选择与零件支撑结构相对应的切片层厚度，对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像；
1.2）将实体轮廓相对应的掩膜图像的数据信息保存为SLC数据格式；
步骤2）：掩膜图像的获取是将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储而得；
2.1）读取掩膜图像的总层数，从i=0开始，依次读取第i层所对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；
2.2）读取第i层掩膜图像，获取第 i 层掩膜图像中轮廓总个数 m，从j=0开始，依次读取第j个轮廓所包含的全部点；
2.3）读取第i层第j个轮廓，遍历第j个轮廓中所有的点，从而寻到Y值最小的点记为MinPioint(m0,n0)，并取其前一点PrePoint(m1,n1)以及后一点NextPoint(m2,n2)；
2.4）针对第j个轮廓的MinPioint(m0,n0),找到其前一点PrePoint(m1,n1)和后一点NextPoint(m2,n2)，利用以下公式：
p=(n-n1)(m2-m1)-(n2-n1)(m-m1) 公式（1）
当p>0时，该轮廓为逆时针，设置标志位isClockwise为错误false；
当p<0时，该轮廓为顺时针，设置标志位isClockwise为正确true；
当p=0时，表示Y值最小的点有多个，选择下一Y值最小点，重复步骤2.4）；
2.5）将平行于X轴、以dx为间隔的一系列扫描线与轮廓j求交，将交点保存在EdgePoint[height][width]中，其中，height，width分别表示投影仪Y，X方向的分辨率,PlantFormX,PlantFormY分别表示加工区域的X，Y方向的尺寸，dx= PlantFormX/width，且dx的范围为0-0.2mm，优选的，dx取值为0.05；
2.6）建立结构体Point2D用来保存端点坐标，建立结构体IntersectPoint用来保存所述扫描线与轮廓j的交点，以及该交点对应的轮廓线段的两端点StartPoint、EndPoint，
其中，Struct Point2D{ Float x;Float y;}；
struct IntersectPoint{ Bool EdgePoint[height][width];Point2D StartPoint;Point2D EndPoint;};
步骤3）：以基于高斯分布的灰度计算方法获得灰度掩膜图像；
3.1）依次取结构体IntersectPoint中的交点，若isClockWise为错误false，则通过以下公式1-4得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧，（公式3）
当f=0,像素中心位于有向线段上，（公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧，（公式5）
3.2）若isClockWise为正确true，则通过公式1以及公式5-7得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧，（公式5）
当f=0,像素中心位于有向线段上，（公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧，（公式3）
3.3 ）重复步骤2.2）-步骤3.2），直至完成第i层所有轮廓的计算；
步骤4）：生成图像；
所述步骤4）具体包括：
4.1）将步骤2.5）中求得的交点数组EdgePoint中的每一行的相邻交点依次成对取出，交点对应像素的灰度值为步骤3）中PixelPointValue中保存的灰度值；
4.2）位于交点中间的像素为内部像素点，灰度值为全白255。
本发明相比传统采用二值掩膜图像进行面成型加工的方式，为基于高斯分布的灰度计算方法，可以快速高效的获得满足要求的灰度掩膜图像；
所采用的灰度掩膜图像可以实现在不改变投影机硬件分辨率的前提下，显著改善加工零件的形状、尺寸精度，同时明显消除XY方向的锯齿效应，以带来更好的XY表面质量。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚 z 进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；
步骤2）：掩膜图像的获取是将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储而得；
2.1）读取掩膜图像的总层数，从i=0开始，依次读取第i层所对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；
2.2）读取第i层掩膜图像，获取第 i 层掩膜图像中轮廓总个数 m，从j=0开始，依次读取第j个轮廓所包含的全部点；
2.3）读取第i层第j个轮廓，遍历第j个轮廓中所有的点，从而寻到Y值最小的点记为MinPioint(m0,n0)，并取其前一点PrePoint(m1,n1)以及后一点NextPoint(m2,n2)；
2.4）针对第j个轮廓的MinPioint(m0,n0),找到其前一点PrePoint(m1,n1)和后一点NextPoint(m2,n2)，利用以下公式：
p=(n-n1)(m2-m1)-(n2-n1)(m-m1) 公式（1）
当p>0时，该轮廓为逆时针，设置标志位isClockwise为错误false；
当p<0时，该轮廓为顺时针，设置标志位isClockwise为正确true；
当p=0时，表示Y值最小的点有多个，选择下一Y值最小点，重复步骤2.4）；
2.5）将平行于X轴、以dx为间隔的一系列扫描线与轮廓j求交，将交点保存在EdgePoint[height][width]中，其中，height，width分别表示投影仪Y，X方向的分辨率,PlantFormX,PlantFormY分别表示加工区域的X，Y方向的尺寸，dx= PlantFormX/width，且dx的范围为0-0.2mm；
2.6）建立结构体Point2D用来保存端点坐标，建立结构体IntersectPoint用来保存所述扫描线与轮廓j的交点，以及该交点对应的轮廓线段的两端点StartPoint、EndPoint，
其中，Struct Point2D{ Float x;Float y;}；
struct IntersectPoint{ Bool EdgePoint[height][width];Point2D StartPoint;Point2D EndPoint;};
步骤3）：以基于高斯分布的灰度计算方法获得灰度掩膜图像；
3.1）依次取结构体IntersectPoint中的交点，若isClockWise为错误false，则通过以下公式（2）-（5）得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧， （公式3）
当f=0,像素中心位于有向线段上， （公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧， （公式5）
3.2）若isClockWise为正确true，则通过公式（2）-（5）得到该边界点的灰度值，并将灰度值保存在数组PixelPointValue[height][width]中；
公式（2）
其中，()，()分别为结构体IntersectPoint中的StartPoint和EndPoint，将像素中心坐标()带入上述公式（2）以得出f值；
当f>0,像素中心位于有向线段左侧， （公式5）
当f=0,像素中心位于有向线段上， （公式4）
当f<0,像素中心位于有向线段右侧，（公式3）
3.3 ）重复步骤2.2）-步骤3.2），直至完成第i层所有轮廓的计算；
步骤4）：生成图像。
2.根据权利要求1所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于：所述步骤4）具体包括：
4.1）将步骤2.5）中求得的交点数组EdgePoint中的每一行的相邻交点依次成对取出，交点对应像素的灰度值为步骤3）中PixelPointValue中保存的灰度值；
位于交点中间的像素为内部像素点，灰度值为全白255。
3.根据权利要求1所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于：所述步骤1）中，根据零件加工精度的需求，选择与零件支撑结构相对应的切片层厚度，对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像。
4.根据权利要求3所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于：所述步骤1）还包括，将实体轮廓相对应的掩膜图像的数据信息保存为SLC数据格式。
5.根据权利要求3所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善方法，其特征在于：步骤2.5）中，dx的值为0.05。
6. 一种面成型增材制造系统零件精度改善装置，其特征在于，包括零件成型平台、树脂槽、 支座、投影机、机电控制板及线性滑台；
投影机与机电控制板相连，机电控制板与线性滑台相连，线性滑台底端与支座相连支座上固定有树脂槽，树脂槽内设置有树脂液体，树脂液体上方设置零件成型平台， 零件成型平台与线性滑台的上部相连 ；
开始加工时，零件成型平台在线性滑台的带动下运动至与树脂槽上表面相接触，机电控制板读取待加工零件的总层数 n，从 i=0 开始，依次读入零件第 i 层对应的掩膜图像，并控制投影仪投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第 i 层的加工结束，机电控制板控制线性滑台带动成型平台上移一个层厚 z，开始第 i+1 层加工，直至 i= n，即完成整个零件的加工。
7.根据权利要求6所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善装置，其特征在于：所述投影机与机电控制板之间及机电控制板与线性滑台之间均通过数据线连接。
8.根据权利要求6所述的一种面成型增材制造系统零件精度改善装置，其特征在于：所述投影机的投影方向正对所述支座的中心面处。
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