CN108460174A - 一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，遍历截面边缘和空洞区域边缘轮廓的数据点并删掉轮廓上的共线点，将轮廓上的数据点按顺时针或逆时针方向排序，根据堆焊使用的焊丝材料，设置轮廓偏置的间距d，以截面边缘为外轮廓、空洞区域边缘为内轮廓，区分判断内轮廓和外轮廓，外轮廓向内逐次偏置、内轮廓向外逐次偏置，直至相交停止偏置，根据相交点求出最内侧外轮廓和最外侧内轮廓之间的空白区域，用往复直线填充所有空白区域。该方法采用混合填充路径，可填充有空洞的复杂区域，保证了零件的外表面质量，减少了焊枪起弧引弧的次数和空行程，提高了算法执行效率。

Description

一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产 生方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造一般过程是：先通过三维实体扫描或直接建模获得三维模型，再通 过软件将三维模型按一定的厚度分层切片，然后由焊接电弧将金属丝材或者金属粉末熔 化，由下往上逐层按既定的成形路径堆积形成组织致密的三维立体零件。

随着电弧熔丝增材制造研究与应用的不断深入，软件对三维模型截面的轨迹规划越来 越重要，截面扫描路径的规划策略对成形的速度、质量会产生很大的影响，合理的路径可 以减小焊接变形和残余应力，改善零件的组织结构和机械性能，提高成形零件的几何精度 和降低表面粗糙度值，减少甚至消除后续加工。

当三维模型截面存在空洞区域时，现有的路径规划都是通过增加焊枪起弧引弧的次数 以及空行程的方式跨过空洞区域，这种方式效率低，而且外表面质量不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，该方法 采用混合填充路径，可填充有空洞的复杂区域，保证了零件的外表面质量，减少了焊枪起 弧引弧的次数和空行程，提高了算法执行效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，包括步骤，

S1、遍历截面边缘和空洞区域边缘轮廓的数据点并删掉轮廓上的共线点；

S2、将轮廓上的数据点按顺时针或逆时针方向排序；

S3、根据堆焊使用的焊丝材料，设置轮廓偏置的间距d；

S4、以截面边缘为外轮廓、空洞区域边缘为内轮廓，区分判断内轮廓和外轮廓，外轮 廓向内逐次偏置、内轮廓向外逐次偏置，直至相交停止偏置；

S5、根据相交点求出最内侧外轮廓和最外侧内轮廓之间的空白区域；

S6、用往复直线填充所有空白区域。

进一步地，在S1中，当三个数据点共线时，删掉中间的数据点，以此类推，遍历轮廓的数据点，删掉所有共线点，只保留轮廓的顶点。

进一步地，在S4中，包括步骤，

S4.1、在某一轮廓上取一点，计算所述点与另一轮廓顶点连线向量的特征行列式的值， 若所述值一直为正，则所述轮廓为外轮廓、另一轮廓为内轮廓，反之，则所述轮廓为内轮 廓、另一轮廓为外轮廓；

S4.2、在外轮廓和内轮廓沿顺时针方向取连续的三点，根据三点坐标计算出中间点对 应的偏置点坐标，遍历外轮廓的每一个顶点，求出所有的偏置点，得到外轮廓向内进行偏 置的轮廓和内轮廓向外进行偏置的轮廓；

S4.3、重复步骤S4.2，直至相交停止偏置。

进一步地，在S5中，求解相交点，两个相邻的相交点属于同一个区域，将相交点进行匹配，根据匹配的相交点、最内侧外轮廓和最外侧内轮廓划分出空白区域。

进一步地，在S6中，包括步骤，

S6.1、根据堆焊使用的焊丝材料，设置扫描线的间距dis；

S6.2、取一个空白区域，绘制扫描线，计算每条扫描线与轮廓线的交点及其数量；

S6.3、根据扫描线与轮廓线交点的个数将所述空白区域划分为多个小区域；

S6.4、取一个小区域，将小区域内的交点用往复直线连接起来，以此类推，依次用往 复直线填充一个小区域，最终将所述空白区域填充完毕；

S6.5、重复S6.2至S6.4，用往复直线填充所有空白区域，形成完整的扫描路径。

本发明的有益效果是：

该方法可填充有空洞区域的混合填充路径，以轮廓偏置填充路径为主，保证了零件的 外表面质量，同时内部使用扫描线算法填充，减少了焊枪起弧引弧的次数和空行程，提高 了成型零件的强度，删掉了不包含零件几何信息的冗余点，提高了算法执行效率。

附图说明

图1是本发明实施例中偏置一次的内轮廓和外轮廓。

图2是本发明实施例中偏置至相交时的状态。

图3是本发明实施例中最内侧外轮廓和最外侧内轮廓。

图4是本发明实施例中求出的所有空白区域。

图5是本发明实施例中用往复直线填充其中一个空白区域。

图6是本发明实施例中完整的填充路径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，包括步骤：

S1、遍历截面边缘和空洞区域边缘轮廓的数据点并删掉轮廓上的共线点，具体的，设 轮廓线中的一个顶点为P_i，沿轮廓线的顺时针方向看，其前一个点为P_i-1，后一个点为P_i+1， 向量 和的夹角为θ，可知若cosθ＝0，则说明P_i-1，P_i，P_i+1三点共线，从轮廓线中删掉P_i点，以此类推，遍历轮廓的数据点，删掉 所有共线点，只保留轮廓的顶点。

S2、将轮廓上的数据点按顺时针或逆时针方向排序。

S3、根据堆焊使用的焊丝材料，设置轮廓偏置的间距d。

S4、以截面边缘为外轮廓、空洞区域边缘为内轮廓，区分判断内轮廓和外轮廓，外轮 廓向内逐次偏置、内轮廓向外逐次偏置，直至相交停止偏置；具体的，

S4.1、在某一轮廓上取一点，计算所述点与另一轮廓顶点连线向量的特征行列式的值， 若所述值一直为正，则所述轮廓为外轮廓、另一轮廓为内轮廓，反之，则所述轮廓为内轮 廓、另一轮廓为外轮廓；

如，在某一轮廓上取一点为p点，另一轮廓的数据{c₁，c₂，…，c_n}， 计算特征行列式的值，如果这个值恒为正，则p点在另一轮廓 的内部，所述轮廓是外轮廓、另一轮廓为内轮廓，反之，则所述轮廓为内轮廓、另一轮廓 为外轮廓，以此区分截面的内轮廓和外轮廓，外轮廓记为P{p₁，p₂，…，p_n}，内轮廓记为 Q{q₁，q₂，…，q_n}。

S4.2、在外轮廓和内轮廓沿顺时针方向取连续的三点，根据三点坐标计算出中间点对 应的偏置点坐标，遍历外轮廓的每一个顶点，求出所有的偏置点，得到外轮廓向内进行偏 置的轮廓和内轮廓向外进行偏置的轮廓；

如，在外轮廓P{p₁，p₂，…，p_n}中沿顺时针方向取p_i-1(X_i-1，Y_i-1)、p_i(X_i，Y_i)、 p_i+1(X_i+1，Y_i+1)，向量若则p_i点为凸顶点，由几何关系可知：，

若则p_i点为凹顶点，由几何关系可知：

从而计算出pi点向内的偏置点pi(X′_i，Y′_i)，遍历外轮廓P的每一个顶点，求出所有的偏置点{p′₁，p′₂，…，p′_n}，便得到了外轮廓P向内进行偏置的轮廓外环P′；

在内轮廓Q{q₁，q₂，…，q_n}中取q_i-1(X_i-1，Y_i-1)、q_i(X_i，Y_i)、q_i+1(X_i+1，Y_i+1)，向量若则q_i点为凹顶点，计算公式同外轮廓凸顶点；若则q_i点为凸顶点，计算公式同外轮廓凹顶点，从而计算出q_i点向外的偏置点q′_i(X′_i，Y′_i)，遍历内轮廓Q的每一个顶点，求出所有的偏置点{q₁′，q₂′，…，q_n′}，便得到 了内轮廓Q向外进行偏置的轮廓内环Q′。

S4.3、重复步骤S4.2，直至相交停止偏置，其中，当P′上存在点在Q′内部且Q′上存在点在P′外部，说明已经相交。

S5、根据相交点求出最内侧外轮廓和最外侧内轮廓之间的空白区域，具体的，求解相 交点，两个相邻的相交点属于同一个区域，将相交点进行匹配，根据匹配的相交点、最内侧外轮廓和最外侧内轮廓划分出空白区域。

如，求解外轮廓P′和内轮廓Q′的交点，在外轮廓上沿顺时针方向进行排序得到交点集 {k₁，k₂，…，k_n}，相邻的两个交点属于同一个“差”区域(即，空白区域，下同)，根 据交点可将外轮廓和内轮廓划分为n/2个区域，选取其中一个交点k_i作为起点，在外轮廓 上顺时针沿该点所处边长方向，向前延伸一个微小量，若延伸后的点位于外轮廓内部，则 k_i点与k_i+1点属于同一个“差”区域，进行匹配；否则，k_i点与k_i-1点匹配。以交点k_i为 起点，顺时针取出k_i和匹配点之间外轮廓P′的数据点；再以匹配点为起点，逆时针取出匹 配点和k_i之间内轮廓Q′的数据点，从而得到了一个封闭的“差”区域。以此类推，依次根 据内外轮廓的交点求出外轮廓和内轮廓的“差”区域。

S6、用往复直线填充所有空白区域，具体的，

S6.1、根据堆焊使用的焊丝材料，设置扫描线的间距dis。

S6.2、取一个空白区域，绘制扫描线，计算每条扫描线与轮廓线的交点及其数量；

如，取一个“差”区域，计算出y坐标最小值y_min和最大值y_max，作扫描线y＝y_min+dis*i (i＝1，2，3…)，将恰好位于扫描线上的轮廓点y坐标值加上一个最小精度值epsup，保 证扫描线与轮廓线的交点数量为偶数，然后求解扫描线与轮廓线的交点，记录交点个数m。

S6.3、根据扫描线与轮廓线交点的个数将所述空白区域划分为多个小区域。

如，将交点按X方向坐标值从小到大排序后，存储到一个数组。i＝i+1，求解上移dis 后的扫描线与轮廓线的交点，若扫描线与轮廓线的交点个数m不变，则将交点继续存储到 数组中，若m的值发生变化，开辟一个新的数组存储交点，每一个数组代表“差”区域中划分出的一个小区域，直至y＞y_max，根据扫描线与轮廓线交点的个数将“差”区域划分为 小区域1，小区域2，…小区域n。

S6.4、取一个小区域，将小区域内的交点用往复直线连接起来，以此类推，依次用往 复直线填充一个小区域，最终将所述空白区域填充完毕。

如，在一个小区域中，在y方向上有多行交点，每一行按交点X方向坐标值从小到大记为交点1，交点2，…，交点n(n＝2，4，6…)，将每行第1个点与第2个点提取出来， 存储到新的数组field1，将field1数组中的点连接起来形成往复直线，第3个点与第4 个点提取出来，存储到新的数组field2，将field2数组中的点连接起来形成往复直线， 以此类推，依次用往复直线填充一个小区域，最终将整个“差”区域填充完毕。

S6.5、重复S6.2至S6.4，用往复直线填充所有空白区域，形成完整的扫描路径。

该方法可填充有空洞区域的混合填充路径，以轮廓偏置填充路径为主，保证了零件的 外表面质量，同时内部使用扫描线算法填充，减少了焊枪起弧引弧的次数和空行程，提高 了成型零件的强度，删掉了不包含零件几何信息的冗余点，提高了算法执行效率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而 所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，其特征在于：包括步骤，

S1、遍历截面边缘和空洞区域边缘轮廓的数据点并删掉轮廓上的共线点；

S2、将轮廓上的数据点按顺时针或逆时针方向排序；

S3、根据堆焊使用的焊丝材料，设置轮廓偏置的间距d；

S4、以截面边缘为外轮廓、空洞区域边缘为内轮廓，区分判断内轮廓和外轮廓，外轮廓向内逐次偏置、内轮廓向外逐次偏置，直至相交停止偏置；

S5、根据相交点求出最内侧外轮廓和最外侧内轮廓之间的空白区域；

S6、用往复直线填充所有空白区域。

2.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，其特征在于：在S1中，当三个数据点共线时，删掉中间的数据点，以此类推，遍历轮廓的数据点，删掉所有共线点，只保留轮廓的顶点。

3.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，其特征在于：在S4中，包括步骤，

S4.1、在某一轮廓上取一点，计算所述点与另一轮廓顶点连线向量的特征行列式的值，若所述值一直为正，则所述轮廓为外轮廓、另一轮廓为内轮廓，反之，则所述轮廓为内轮廓、另一轮廓为外轮廓；

S4.2、在外轮廓和内轮廓沿顺时针方向取连续的三点，根据三点坐标计算出中间点对应的偏置点坐标，遍历外轮廓的每一个顶点，求出所有的偏置点，得到外轮廓向内进行偏置的轮廓和内轮廓向外进行偏置的轮廓；

S4.3、重复步骤S4.2，直至相交停止偏置。

4.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，其特征在于：在S5中，求解相交点，两个相邻的相交点属于同一个区域，将相交点进行匹配，根据匹配的相交点、最内侧外轮廓和最外侧内轮廓划分出空白区域。

5.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造技术中的混合填充路径产生方法，其特征在于：在S6中，包括步骤，

S6.1、根据堆焊使用的焊丝材料，设置扫描线的间距dis；

S6.2、取一个空白区域，绘制扫描线，计算每条扫描线与轮廓线的交点及其数量；

S6.3、根据扫描线与轮廓线交点的个数将所述空白区域划分为多个小区域；

S6.4、取一个小区域，将小区域内的交点用往复直线连接起来，以此类推，依次用往复直线填充一个小区域，最终将所述空白区域填充完毕；

S6.5、重复S6.2至S6.4，用往复直线填充所有空白区域，形成完整的扫描路径。