CN108556364B - 一种平行往复直线填充优化方法及系统 - Google Patents

一种平行往复直线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领域，公开了一种平行往复直线填充方法及系统，以实现平行往复直线路径中的速度稳定，提高快速成型加工速度，提高制件精度以降低打印机的损耗，进一步提高打印机的效率延长打印机的使用寿命；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，采用已有的平行往复直线填充方法获取三维模型的每一层在平面内的平行直线填充线段；遍历平行直线填充线段，并判断同一层中的相邻两条平行直线填充线段是否符合路径优化条件；将优化后的路径替代原本的平行直线填充线段，更新每个层的填充路径。

Description

一种平行往复直线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领域，尤其涉及一种平行往复直线填充优化方法及系统。
背景技术
3D打印技术是一种基于离散、堆积的原理通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。它利用计算机图形学将3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3D打印设备从下至上逐层打印最后叠加成三维的实体物件。这种方式无需道具或模具就可以快速实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，不仅能缩短产品的研发周期还能降低生产成本。但由于一个模型一般会拥有数量很大的层数,而每个层片的填充都需要耗费一定的喷料填充时间,如何提高打印效率是打印的关键技术之一。
平行往复直线路径是目前常用的打印填充路径之一，这种路径的特点是路径的主体部分由大量等距平行的直线段组成,因此填充效率较高,同时路径生成算法简单可靠,生成路径速度快。但由于存在大量的路径连接拐角,拐角处的速度产生突变，这对打印机本身存在一定的损耗，而且会使得拐角处填充精度较差。另外挤出头在拐角之间的直线间运行的时候是进行的空走，所以打印机在这之前需要进行材料的回抽，次数较多的在短距离之间进行材料的回抽和挤出加速在一定程度上会减低系统稳定性。
因此，如何实现平行往复直线路径中的速度稳定，提高快速成型加工速度，提高制件精度以降低打印机的损耗，进一步提高打印机的效率延长打印机的使用寿命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平行往复直线路径中的速度稳定，提高快速成型加工速度，提高制件精度以降低打印机的损耗，进一步提高打印机的效率延长打印机的使用寿命的平行往复直线填充优化方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种平行往复直线填充优化方法，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，采用已有的平行往复直线填充方法获取所述三维模型的每一层在平面内的平行直线填充线段；
S3：遍历所述平行直线填充线段，并判断同一层中的相邻两条平行直线填充线段是否符合路径优化条件，如果符合则进入步骤S4，如果不符合，则采用分区算法对所述相邻两条平行直线填充线段进行预处理，重新生成填充线段后进入步骤S4；
S4：对相邻两条平行直线填充线段的拐角处采用正交分解原理进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的平行直线填充线段，更新每个层的填充路径。
优选地，所述步骤S3中所述路径优化条件包括：
(1)所述相邻两条平行直线填充线段与平面的轮廓边界交点所在直线相邻；
(2)所述相邻两条平行直线填充线段处于同一个多边形内，且该多边形的内角不大于180°；
(3)所述相邻两条平行直线填充线段满足标准圆弧处理条件。
优选地，所述标准圆弧处理条件为填充间距d不小于由所述相邻两条平行直线填充线的线速度决定的最小填充间距值dmin。
优选地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41：设定挤出头在所述相邻两条平行直线填充线上的运动路径为A->B->C->D，计算B点和C点构成的第一线段的斜率；
S42：以水平方向为X轴，根据所述斜率计算所述第一线段与X轴的夹角；
S43：根据所述夹角和所述相邻两条平行直线填充线的填充间距得到符合标准半圆弧的B'和C'点坐标，然后优化填充路径为A->B'->C'->D。
为实现上述目的，本发明提供一种平行往复直线填充系统，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：
本发明提供一种平行往复直线填充优化方法和系统，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，将现有的平行填充往复的拐角转换为标准圆弧曲线，进行路径优化，能减少两条平行打印路径之间的空走拐角，从而避免打印速度的突变，减少空走路线和材料回抽次数，提高快速成型加工速度和制件精度，能在线速度不变的情况下，缩短整体模型的打印时间，提高系统稳定性。
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直线填充衔接间的圆弧顶点计算方法的流程图；
图2是现有的平行往复直线填充路径图；
图3是不能参与优化的一种情形示意图；
图4是不能参与优化的另一种情形之一示意图；
图5是本发明优选实施例的基于现有平行往复直线填充路径生成优化后的平行往复直线填充路径的拐角处示意图；
图6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7是本发明优选实施例的优化后的平行往复直线填充路径图。
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，本实施例提供一种平行往复直线填充优化方法，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，采用已有的平行往复直线填充方法获取三维模型的每一层在平面内的平行直线填充线段；
S3：遍历平行直线填充线段，并判断同一层中的相邻两条平行直线填充线段是否符合路径优化条件，如果符合则进入步骤S4，如果不符合，则采用分区算法对相邻两条平行直线填充线段进行预处理，重新生成填充线段后进入步骤S4；
S4：对相邻两条平行直线填充线段的拐角处采用正交分解原理进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的平行直线填充线段，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。
假设该填充间距为d，打印机设定的填充率为r,打印机打印线宽为wide,那么它们和填充间距之间的关系为
Figure BDA0001594384390000031
利用常用的分层软件或者常用的切片算法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，常用的切片算法包括分区平行直线路径生成算法。在此，本实施例对常用的分层软件和常用的切片算法作举例说明，需注意，该例不做限定作用。然后利用已有的平行直线往复算法获得三维模型的每一层在具体平面内的平行直线填充线段，如图2所示，遍历平行直线填充线段，并判断同一层中的相邻两条平行直线填充线段是否符合路径优化条件。
作为本实施例优选的实施方式，路径优化条件包括：
(1)相邻两条平行直线填充线段与平面的轮廓边界交点所在直线相邻。
参见图3，图中填充线a1和填充线b1之间不能进行路径优化，因为它们与轮廓边界线交点所在的直线不相邻。
(2)相邻两条平行直线填充线段处于同一个多边形内，且该多边形的内角不大于180°。
参见图4，图中填充线a2和填充线b2之间不能进行路径优化，因为它们组成的多边形的内角大于180°。
(3)相邻两条平行直线填充线段满足标准圆弧处理条件。
优选地，标准圆弧处理条件为填充间距d不小于由相邻两条平行直线填充线的线速度决定的最小填充间距值dmin。需要说明的是，如果平面内相邻两条平行直线填充线段不满足上述路径优化条件，则采用分区算法对相邻两条平行直线填充线段进行预处理，重新生成填充线段。具体地，对该出现不能优化情况的平面轮廓重新划分区域，在该不能优化的相邻两条平行直线填充线段之间新增坐标，即将一个多边形分为两个，经过这种预处理后，该不能优化的相邻两条平行直线填充线段便不需要和彼此进行优化判断。采用预处理的方式能进一步提高对填充路径的优化效果，即争取对每一条填充线段进行优化，从而提高平面内整体的优化效果。
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：设定挤出头在相邻两条平行直线填充线上的运动路径为A->B->C->D，计算B点和C点构成的第一线段的斜率；
S42：以水平方向为X轴，根据斜率计算第一线段与X轴的夹角；
S43：根据夹角和相邻两条平行直线填充线的填充间距得到符合标准半圆弧的B'和C'点坐标，然后优化填充路径为A->B'->C'->D。
具体地，参见图5，挤出头原始的运动路径为A->B->C->D，为了能够减少挤出头在拐角处的速度突变，需要重新规划填充路径进行优化，即新的填充路径为A->B'->C'->D，且B'和C'之间是标准半圆弧，圆弧半径为
Figure BDA0001594384390000041
所以需要求出B'和C'点的坐标。其中，B、C所在线段为多边形轮廓线，由轮廓线段的端点坐标可以得出该线段的斜率k。假设线段与X坐标轴的夹角为θ，则tanθ＝k。由数学关系以及相似三角形原理得到∠BCE＝∠B'BO＝θ。线段BE和线段B'C的长度都等于填充间距d，即lBE＝lB'C＝d。进一步地，分别求出线段BB'和线段EC的长度
Figure BDA0001594384390000051
而线段CC'的长度等于线段CE和EC'的长度之和，即
Figure BDA0001594384390000052
根据填充线顶点A、B、C、D的坐标值，可以得出向量
Figure BDA0001594384390000053
的坐标值，分别将其单位化后得到方向向量
Figure BDA0001594384390000054
根据数学关系得出向量
Figure BDA0001594384390000055
和
Figure BDA0001594384390000056
的坐标值，即
Figure BDA0001594384390000057
Figure BDA0001594384390000058
因此，顶点B'和C'的坐标值分别为
Figure BDA0001594384390000059
Figure BDA00015943843900000510
需要说明的是，当打印机设定的填充率过大，即填充间距d过小的时候，挤出头在B'和C'之间无法进行标准的圆弧运动，即挤出头已经运动到CD水平填充线，其和速度的方向不是和向量
Figure BDA00015943843900000511
的方向一致，也就是vx、vy的大小和方向没有来得及变化到所需值。这是因为线速度就会决定一个最小的填充间距值dmin，由X或Y方向上的最大加减速度决定的，而最大加减速度则是由传动系统的特性决定的。因此设定的填充间距必须大于等于dmin，也就是说，在线速度不变的情况下该方法能够实现的最大填充率
Figure BDA00015943843900000512
受限。所以如果作业所需的填充率r>rmax时，我们可以通过降低平均线速度大小v来实现高填充率。如果填充率r<＝rmax，我们可以一直以最大的线速度进行匀速填充，提高整体的打印速度。
此外，值得说明的是，参见图6，在空走的直线转换为挤出头非空走的标准圆弧的过程中。当挤出头做直线运动时，进行速度分解，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，则从B'运动到C'点过程中分解后的vx和vy变化服从公式
Figure BDA00015943843900000513
Figure BDA0001594384390000061
其变化周期T为
Figure BDA0001594384390000062
运动的角速度
Figure BDA0001594384390000063
其中v就是合匀速的线速度大小，始终保持不变。
进一步地，将优化后的路径A->B'->C'->D替代原本的平行直线填充线段A->B->C->D，然后更新每个层的填充路径。参见图7基于该优化后的路径通过步进电机同步但独立驱动各轴步进电机，在该种方法下，尽管各轴的速度曲线是变化的，但是挤出头合运动的线速度却能保持不变，能减少每个轴的速度突变，有效提高快速成型加工速度，提高制件精度，提升系统的稳定性和打印机的使用寿命。
实施例2
与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种平行往复直线填充系统，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。
如上所述，本发明提供一种平行往复直线填充优化方法和系统，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，将现有的平行填充往复的拐角转换为标准圆弧曲线，进行路径优化，能减少两条平行打印路径之间的空走拐角，从而避免打印速度的突变，减少空走路线和材料回抽次数，提高快速成型加工速度和制件精度，能在线速度不变的情况下，缩短整体模型的打印时间，提高系统稳定性。
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 (4)

1.一种平行往复直线填充优化方法，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d；
S2：对所述三维模型进行切片分层，采用平行往复直线填充方法获取所述三维模型的每一层在平面内的平行直线填充线段；
S3：遍历所述平行直线填充线段，并判断同一层中的相邻两条平行直线填充线段是否符合路径优化条件，如果符合则进入步骤S4，如果不符合，则采用分区算法对所述相邻两条平行直线填充线段进行预处理，重新生成填充线段后进入步骤S4；
S4：对相邻两条平行直线填充线段的拐角处采用正交分解原理进行填充路径优化；
S5：将优化后的路径替代原本的平行直线填充线段，更新每个层的填充路径；
所述路径优化条件包括：
(1)所述相邻两条平行直线填充线段与平面的轮廓边界交点所在直线相邻；
(2)所述相邻两条平行直线填充线段处于同一个多边形内，且该多边形的内角不大于180°；
(3)所述相邻两条平行直线填充线段满足标准圆弧处理条件。
2.根据权利要求1所述的平行往复直线填充优化方法，其特征在于，所述标准圆弧处理条件为填充间距d不小于由所述相邻两条平行直线填充线的线速度决定的最小填充间距值dmin。
3.根据权利要求1所述的平行往复直线填充优化方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41：设定挤出头在所述相邻两条平行直线填充线上的运动路径为A->B->C->D，计算B点和C点构成的第一线段的斜率；
S42：以水平方向为X轴，根据所述斜率计算所述第一线段与X轴的夹角；
S43：根据所述夹角和所述相邻两条平行直线填充线的填充间距得到符合标准半圆弧的B'和C'点坐标，然后优化填充路径为A->B'->C'->D。
4.一种平行往复直线填充优化系统，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1-3任一所述方法的步骤。
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