CN108544758B - 一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统 - Google Patents

一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及打印技术路径生成技术领域，公开了一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统，以有效减少打印过程中的空走行程和扫描头跳转次数，保证填充的精度和外观完美，进一步提高打印速度和系统稳定性；本发明的方法包括获取待打印的三维实体的三维模型，并确定填充间距d；对三维模型进行切片分层，提取切片后需要填充的多边形轮廓顶点坐标信息；采用已有螺旋轮廓偏置算法获取三维模型的每一层在平面内的偏置填充路径；对同一层中轮廓顶点坐标信息采用正交分解原理计算出轮廓间衔接顶点的坐标，以进行填充路径优化；将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，更新每个层的填充路径。

Description

一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统
技术领域
本发明涉及打印技术路径生成技术领域，尤其涉及一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统。
背景技术
在FDM快速成型中，对扫描路径的生成算法应着眼于减少空行程、减少挤出头材料回抽次数，另外，在扫描的过程中，常有由一条路径向另一条路径快速跳转，由于难以对挤出头进行精确的调控，跳转过程中，根据路径间的相对位置，会存在两种情况：对于不在同一个区域的路径，由于加减速等的原因，在起点和终点会出现“拔丝”现象，即产生多余的固化毛刺；对于在同一个区域中的相邻路径，跳转的距离很近，且跳转路径与轮廓重合，不会产生“拔丝”现象，但是会因次数的累积而降低整体的打印速度。
现在主要的扫描方式有：平行往返直线扫描法、偏置填充法、分形扫描法、以及分区扫描法，其中，平行往返直线扫描就是从下至上逐行填充，算法比较简单、速度快，能够适应快速原型制造“快速”的要求，对数据的处理简单且可靠。但是型腔结构的成型件，由于要频繁地跨越内轮廓，空行程太多，这一方面会出现严重的“拉丝”现象；另一方面扫描系统要频繁地在填充速度和快进速度之间变换，这样不仅会增加成型加工时间，还会加剧丝杠、轴承的磨损，产生严重的振动和噪声，有损运动机构的寿命。而且因为每条扫描线的收缩应力方向一致会使得生产的模型容易发生翘边现象。分形扫描时按分形曲线生成的扫描路径，是若干小平面嵌套而成。这种方式能使模型的切片表面更平整，材料结构更均匀而获得稳定可靠的物理性能，提高制造精度。但是会出现大量的拐角和速度之间的转化，不利于机构的稳定性和打印速度。轮廓偏置填充是通过截面轮廓的逐层扩张或内缩生成的，由于截面轮廓与填充路径呈OFFSET状排列，因而使得填充过程更符合热传递规律，从而减少“拉丝”，但在偏置曲线之间仍旧有一些不必要的空行程会影响打印速度。
因此，如何实现有效减少打印过程中的空走行程和扫描头跳转次数，保证填充的精度和外观完美，进一步提高打印速度和系统稳定性成为急需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种能实现有效减少打印过程中的空走行程和扫描头跳转次数，保证填充的精度和外观完美，进一步提高打印速度和系统稳定性的螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种螺旋轮廓偏置填充优化方法，包括以下步骤：
S1：获取待打印的三维实体的三维模型，并确定填充间距d；
S2：对所述三维模型进行切片分层，提取切片后需要填充的多边形轮廓顶点坐标信息；
S3：采用螺旋轮廓偏置算法获取所述三维模型的每一层在平面内的偏置填充路径；
S4：对同一层中所述轮廓顶点坐标信息计算出轮廓间衔接顶点的坐标，以进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，更新每个层的填充路径。
优选地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41：根据轮廓顶点坐标计算相邻两条直线间的交点坐标；
S42：通过所述交点坐标更新所述相邻两条直线间的连接，初步形成螺旋偏置路径；
S43：根据所述螺旋偏置路径的顶点坐标计算得到标准圆弧的起点坐标和终点坐标；
S44：将平面内的直线拐角替换为标准圆弧拐角，得到优化后的填充路径。
优选地，所述标准圆弧的圆弧半径为填充间距d。
为实现上述目的，本发明提供了一种螺旋轮廓偏置填充优化系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统，在打印机通过运动的正交分解能保持线速度不变的基础上，将现有的螺旋偏置路径中的直线拐角转换为标准圆弧拐角，进行路径优化，能实现有效减少打印过程中的空走行程和扫描头跳转次数，保证填充的精度和外观完美，进一步提高打印速度和系统稳定性。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的新型平行往复扫描直线衔接间的圆弧顶点计算方法的流程图；
图2是根据常用轮廓偏置算法得到普通的偏置填充路径；
图3是本发明优选实施例的拐角衔接处示意图；
图4是本发明优选实施例的本发明优选实施例的拐角衔接处几何关系示意图；
图5是本发明优选实施例的曲线运动的速度正交分解原理图；
图6是本发明优选实施例的第一种圆弧拐角方式示意图；
图7是本发明优选实施例的第二种圆弧拐角方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种螺旋轮廓偏置填充优化方法，包括以下步骤：
S1：获取待打印的三维实体的三维模型，并确定填充间距d；
S2：对三维模型进行切片分层，提取切片后需要填充的多边形轮廓顶点坐标信息；
S3：采用螺旋轮廓偏置算法获取三维模型的每一层在平面内的偏置填充路径；
S4：对同一层中轮廓顶点坐标信息计算出轮廓间衔接顶点的坐标，以进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，更新每个层的填充路径。
具体地，利用常用三维软件得到待打印的三维实体的三维模型文件，根据采用的3D打印机和所要达到的精度要求确定填充间距。需要说明的是，由于打印机本身硬件条件的限制和打印设备的结构配置和所用打印材料的成型参数不同，该填充间距不能过小，且不同打印机的填充间距和层厚范围也不同，其具体数值由打印机的电机属性决定，但是该限制条件并不对本发明构成限定与影响。
然后，利用常用的分层软件根据层高对获取的三维模型进行切片，可选地，常用的分层软件包括Slicer和Cura。提取切片后需要填充的多边形轮廓顶点坐标信息，根据已有的常用轮廓偏置算法得到普通的偏置填充路径，如图2所示。可选地，常用轮廓偏置算法包括角平分线生成法和基于直骨架生成法。
作为本实施例优选的实施方式，步骤S4具体包括以下步骤：
S41：根据轮廓顶点坐标计算相邻两条直线间的交点坐标；
S42：通过交点坐标更新相邻两条直线间的连接，初步形成螺旋偏置路径；
S43：根据螺旋偏置路径的顶点坐标计算得到标准圆弧的起点坐标和终点坐标；
S44：将平面内的直线拐角替换为标准圆弧拐角，得到优化后的填充路径。
具体地，假设衔接处如图3所示，那么其几何关系如图4所示，根据直线FG与直线AC的端点坐标可以计算出两条直线的交点B的坐标，然后将原本的A->C->D连接换成A->B->G的连接，形成螺旋偏置路径。
然后，参见图4，其中顶点O为圆弧的圆心，假设圆弧的起点和终点分别为H和E。因为轮廓偏置是对平面多边形外轮廓的简单偏置，所以线段AC、CD两者的斜率是确定的。而FG与CD平行，所以可以求出FG与AC的交点B的坐标。进一步地，根据偏置原理和数学关系得出∠ACD＝∠ABG＝∠OFG，其大小可以根据外轮廓的顶点信息计算得出，假设为2θ，所以∠OFE＝π-2θ。又因为线段OE的长度大小为扫描线间距d，所以线段OF的长度可以计算得出，即
Figure GDA0002767816020000041
根据平行四边形定理可以得到线段BC和线段OF的长度相等，即
Figure GDA0002767816020000042
根据A点坐标、C点坐标可以得出向量
Figure GDA0002767816020000043
的方向向量
Figure GDA0002767816020000044
那么用方向向量乘以线段的长度则为该线段的向量，即
Figure GDA0002767816020000045
则B点坐标为
Figure GDA0002767816020000046
根据圆与多边形相切的几何关系，可以得出线段OB为∠ABG的角平分线，即
Figure GDA0002767816020000047
且lOE＝lOH＝d，所以
Figure GDA0002767816020000048
同理，求出BH、BE坐在方向的方向向量
Figure GDA0002767816020000049
后，通过单位向量和长度相乘得到向量坐标
Figure GDA00027678160200000410
Figure GDA00027678160200000411
所以，H、E点坐标分别为
Figure GDA00027678160200000412
进一步地，将计算得到的顶点坐标H、E替换拐角点坐标B，更新所有顶点信息，将原本的直线拐角替换为标准圆弧拐角，重新生成整个平面的填充路径。需要说明的是，将原本的直线拐角替换为标准圆弧拐角，为了方便计算圆弧中弧线的起点和终点，本实施例优选将弧线设计为半径等于填充间距d的标准圆弧曲线。根据正交分解原理，当挤出头做直线运动时，以水平方向为X轴，进行速度分解，参见图5，X和Y轴的速度分量vx、vy保持不变，挤出头以最大线速度v做直线运动。当运动到圆弧曲线时，vx、vy的大小和方向分别呈余弦和正弦曲线变化，但其合速度大小始终保持不变，同样为v。这样不仅可以减少扫描过程中的空行程，还能利用保持线速度不变的条件，提高整体的填充速度。
此外，值得说明的是，参见图6，其圆心为内偏置曲线的顶点，圆弧半径为填充间距d。但是在这种情况下，当打印机运动到比较尖锐的角时，设定的填充率过大，即填充间距d过小的时候，会出现一种情况：挤出头在高速下无法完成圆弧拐角的运动，没有及时运动到设定的点而导致打印作业出现错误。这时有两种解决方案，一种是降低整体打印的线速度。整体打印线速度一旦降低到一定程度，那么模型的整体打印时间就会和优化前的打印时间一样长或者更长，不能提高打印速度。此时，参见图7，不以内偏置轮廓线的顶点为圆心，半径也不限定为填充间距d，而是根据系统设定的最大线速度来规划圆弧拐角的圆心和半径。虽然这种方法在一定程度上会加大填充率的误差和计算复杂度，但如果加大轮廓线打印的宽度，就能够尽可能地降低误差。而且这种方法的适应性更强，即适用各种填充率的要求，还能有效提高打印效率。
实施例2
与上述方法实施例相对应地，本实施例提供了一种螺旋轮廓偏置填充优化系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述方法的步骤。
如上所述，本发明提供一种螺旋轮廓偏置填充优化方法及系统，在打印机通过运动的正交分解能保持线速度不变的基础上，将现有的螺旋偏置路径中的直线拐角转换为标准圆弧拐角，进行路径优化，能实现有效减少打印过程中的空走行程和扫描头跳转次数，保证填充的精度和外观完美，进一步提高打印速度和系统稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种螺旋轮廓偏置填充优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取待打印的三维实体的三维模型，并确定填充间距；
S2：对所述三维模型进行切片分层，提取切片后需要填充的多边形轮廓顶点坐标信息；
S3：采用螺旋轮廓偏置算法获取所述三维模型的每一层在平面内的偏置填充路径；
S4：对同一层中所述轮廓顶点坐标信息计算出轮廓间衔接顶点的坐标，以进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，更新每个层的填充路径；
所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41：根据轮廓顶点坐标计算相邻两条直线间的交点坐标；
S42：通过所述交点坐标更新所述相邻两条直线间的连接，初步形成螺旋偏置路径；
S43：根据所述螺旋偏置路径的顶点坐标计算得到标准圆弧的起点坐标和终点坐标；当打印机运动到比较尖锐的角时，根据系统设定的最大线速度来规划圆弧拐角的圆心和半径；
S44：将平面内的直线拐角替换为标准圆弧拐角，得到优化后的填充路径；
其中，所述标准圆弧的圆弧半径为填充间距d。
2.一种螺旋轮廓偏置填充优化系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1所述方法的步骤。
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110814344B (zh) * 2019-11-22 2021-10-19 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 一种基于激光选区熔化的轮廓处理方法
CN110962337B (zh) * 2019-12-17 2021-11-26 上海酷鹰机器人科技有限公司 用于超大型熔融沉积3d打印提高壁间强度的方法
CN112172127B (zh) * 2020-04-22 2021-05-11 上海复志信息技术有限公司 打印喷头快速移动路径的控制方法、控制系统及存储介质
CN112069730B (zh) * 2020-09-02 2024-01-02 彭涛 一种3d打印的立体曲线获取方法及装置
CN112078129B (zh) * 2020-09-08 2022-05-17 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 一种零件打印方法及系统、终端设备和计算机存储介质
CN112548116B (zh) * 2020-11-30 2022-02-25 中国商用飞机有限责任公司 利用熔丝3d打印技术的打印路径优化方法及3d打印方法
CN112711231B (zh) * 2020-12-22 2022-07-12 北京航星机器制造有限公司 一种增材制造加工路径规划的方法及装置
CN112873851B (zh) * 2020-12-24 2021-09-24 南京衍构科技有限公司 一种回转件的3d打印路径及其增材制造方法
CN113601835B (zh) * 2021-07-22 2022-03-25 浙江大学 一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法
CN114160810B (zh) * 2021-11-26 2024-04-16 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 一种扫描路径规划方法及激光沉积金属打印方法
CN114101705A (zh) * 2021-11-26 2022-03-01 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法
CN114103126B (zh) * 2021-11-26 2022-11-18 南京衍构科技有限公司 一种不等壁厚回转体3d打印扫描填充路径规划方法
CN114770926B (zh) * 2021-12-23 2023-09-05 中科三维成型技术（深圳）有限公司 基于fdm成型技术减少翘曲变形路径规划方法
CN114834043B (zh) * 2022-05-09 2023-09-05 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种激光三维加工模型切片数据处理方法
CN115415742A (zh) * 2022-08-17 2022-12-02 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种导管焊接夹具的制造方法
CN115923137B (zh) * 2022-11-30 2023-12-19 南京衍构科技有限公司 一种用于增材制造的层间连续路径生成方法
CN117261236B (zh) * 2023-11-16 2024-02-27 芯体素(杭州)科技发展有限公司 直写3d打印的填充路径生成方法、装置和设备

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6030597B2 (ja) * 2014-04-04 2016-11-24 株式会社松浦機械製作所 三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法
CN105045204B (zh) * 2015-07-02 2017-11-21 天津航天长征火箭制造有限公司 正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法

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