CN108556365B

CN108556365B - 一种快速成型机的复合填充优化方法及系统

Info

Publication number: CN108556365B
Application number: CN201810200650.9A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 宋朝霞; 李丽娇; 田慧敏
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2038-03-12
Also published as: CN108556365A

Abstract

本发明涉及打印技术路径生成领域，公开了一种快速成型机的复合填充优化方法及系统，以减少在打印过程中每个轴的突变、减少翘边提升制作精度、增强模型的结构性、缩短整体模型的打印时间从而提升系统的稳定性，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；对三维模型进行切片，得到三维模型的待填充层，获取待填充层的总层数，并提取每层的轮廓顶点信息；判断每一层待填充层的奇偶性，选取符合奇偶性中其中一个特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理；生成整体填充路径以得到优化后的填充路径。

Description

一种快速成型机的复合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，尤其涉及一种快速成型机的复合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。此外，轮廓平行路径也是目前常用的打印填充路径之一,这种路径是根据一层的多边形轮廓的偏置得到大量的与轮廓平行的多边形填充线，这种方式由于避免了大量拐角的出现,不仅能使填充速度提高，还能提升打印机的稳定性和使用寿命。但如果是打印内部空腔比较多的复杂零件,这种路径生成算法就要处理轮廓偏置后出现的自相交、互相交等问题,涉及多边形布尔运算问题,使算法相对复杂,路径生成速度较慢。

因此，如何实现减少在打印过程中每个轴的突变、减少翘边提升制作精度、增强模型的结构性、缩短整体模型的打印时间从而提升系统的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减少在打印过程中每个轴的突变、减少翘边提升制作精度、增强模型的结构性、缩短整体模型的打印时间从而提升系统的稳定性的快速成型机的复合填充优化方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种快速成型机的复合填充优化方法，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；

S2：对所述三维模型进行切片，得到所述三维模型的待填充层，获取所述待填充层的总层数，并提取每层的轮廓顶点信息；

S3：判断每一层待填充层的奇偶性，选取符合所述奇偶性中其中一个特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合所述奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理；

S4：生成整体填充路径以得到优化后的填充路径。

优选地，所述新型轮廓偏置填充处理具体包括以下步骤：

(1)采用螺旋轮廓偏置算法获取平面内的偏置填充路径，并计算该平面内的多边形轮廓顶点坐标信息；

(2)基于所述轮廓顶点坐标信息通过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；

(3)将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，并更新该平面内的填充路径。

优选地，所述新型平行往复直线填充处理具体包括以下步骤：

(1)采用平行往复直线填充方法获取平面内的平行直线填充线段；

(2)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，若符合，则进入步骤(4)，若不符合，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(4)；

(3)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；

(4)将优化后的路径替代原本的平行直线填充线段，并更新该平面内的填充路径。

优选地，所述步骤(2)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。

为实现上述目的，本发明提供一种快速成型机的复合填充优化系统，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：

本发明提供的一种快速成型机的复合填充优化方法及系统，对切片分层后的三维模型的待填充层进行奇偶性判断，然后选取符合奇偶性中其中一种特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合所述奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理，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；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；最后再更新整体的填充路径以得到优化后的填充路径。本发明能减少在打印过程中每个轴的突变、减少翘边提升制作精度、增强模型的结构性、缩短整体模型的打印时间从而提升系统的稳定性的快速成型机的复合填充优化方法及系统。

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；

图2是本发明优选实施例的拐角衔接处示意图；

图3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4是本发明优选实施例奇数层路径优化后的填充路径示意图；

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；

图8是本发明优选实施例的不能参与优化的一种情形示意图；

图9是本发明优选实施例的不能参与优化的另一种情形示意图；

图10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11是本发明优选实施例偶数层路径优化后的填充路径示意图；

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，本实施例提供一种快速成型机的复合填充优化方法，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：对三维模型进行切片，得到三维模型的待填充层，获取待填充层的总层数，并提取每层的轮廓顶点信息；

S3：判断每一层待填充层的奇偶性，选取符合奇偶性中其中一个特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理；

S4：生成整体填充路径以得到优化后的填充路径。

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。提取切片后得到的待填充层的总层数，并提取每层的轮廓顶点信息。

再对每一个待填充层的层数的奇偶性进行判断，选取符合奇偶性中其中一个特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理。可选地，本实施例选取其中的奇数层做新型轮廓偏置填充处理，偶数层做新型平行往复直线填充处理。但本发明并不仅限于此，需要说明的是该种选择方式只做例举作用，并不对本发明构成限定。

作为本实施例优选的实施方式，新型轮廓偏置填充处理具体包括以下步骤：

(2)基于轮廓顶点坐标信息通过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；

具体地，假设衔接处如图2所示，那么其几何关系如图3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3，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的长度大小为填充线间距d，所以线段OF的长度可以计算得出，即

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

根据A点坐标、C点坐标可以得出向量

的方向向量

那么用方向向量乘以线段的长度则为该线段的向量，即

则B点坐标为

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

且l_OE＝l_OH＝d，所以

同理，求出BH、BE坐在方向的方向向量

后，通过单位向量和长度相乘得到向量坐标

所以，H、E点坐标分别为

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，重新所有奇数层的填充路径，参见图4。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v_x、v_y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，v_x、v_y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。这样不仅可以减少填充过程中的空行程，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。

作为本实施例优选的实施方式，新型平行往复直线填充处理具体包括以下步骤：

(2)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，若符合，则进入步骤(4)，若不符合，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(4)；

其中，新型平行往复直线填充处理的路径优化条件包括：

(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8，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9，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d_min。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。

具体地，具体地，参见图10，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

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bc'的长度都等于填充间距d，即l_be＝l_b'c＝d。进一步地，分别求出线段bb'和线段ec的长度

而线段cc'的长度等于线段ce和ec'的长度之和，即

根据填充线顶点a、b、c、d的坐标值，可以得出向量

的坐标值，分别将其单位化后得到方向向量

根据数学关系得出向量

和

的坐标值，即

因此，顶点b'和c'的坐标值分别为

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

的方向一致，也就是v_x、v_y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d_min，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d_min，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

受限。所以如果作业所需的填充率r>r_max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<＝r_max，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，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，其原理与上述新型轮廓偏置填充处理相同，可同参考图5，X和Y轴的速度分量v_x、v_y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，v_x、v_y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v_x和v_y变化服从公式

其变化周期T为

运动的角速度

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，然后更新每个偶数层的填充路径。参见图11，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。

通过上述步骤得到待填充层每一层中优化的路径后，重新生成整体的填充路径以进行优化。

实施例2

与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种快速成型机的复合填充优化系统，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。

如上所述，本发明提供的一种快速成型机的复合填充优化方法及系统，对切片分层后的三维模型的待填充层进行奇偶性判断，然后选取符合奇偶性中其中一种特性的待填充层做新型轮廓偏置填充处理，符合所述奇偶性中另一个特性的待填充层做新型平行往复直线填充处理，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；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；最后再更新整体的填充路径以得到优化后的填充路径。能减少在打印过程中每个轴的突变、减少翘边提升制作精度、增强模型的结构性、缩短整体模型的打印时间从而提升系统的稳定性的快速成型机的复合填充优化方法及系统。

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

1.一种快速成型机的复合填充优化方法，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；

S4：生成整体填充路径以得到优化后的填充路径；

所述新型轮廓偏置填充处理具体包括以下步骤：

(3)将优化后的路径替代原本的偏置填充路径，并更新该平面内的填充路径；

所述新型平行往复直线填充处理具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的快速成型机的复合填充优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述路径优化条件包括：

(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。

3.根据权利要求2所述的快速成型机的复合填充优化方法，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。

4.一种快速成型机的复合填充优化系统，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。