CN111014670B - 多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法，可对大幅面复杂截面的扫描区域进行智能化划分，包括步骤：S01、确定包含加工零件某一层的截面内所有封闭图形的封闭区域A和加工头数量N；S02、在封闭区域内确定一点，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个扫描加工头；在S02步骤中，若存在封闭图形在两个或两个以上相邻象限内连续分布，则对每个相邻象限内的扫描区域进行再次划分，以确保不同扫描头不会同时在相邻区域处进行扫描，减少同一区域的热输入。本发明的方法具有加工效率高、减少热积累等优点。

Description

多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法

技术领域

本发明主要涉及增材制造技术领域，特指一种多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法。

背景技术

增材制造技术(俗称“3D打印”技术)是最近三十年来逐渐发展起来的一项先进制造技术，它是一种以数字模型为基础，将材料通过不断添加、逐层堆积而形成三维实体零件的新兴制造工艺。自上世纪八十年代以来，增材制造技术从以粘结原理为基础的层叠成形技术逐渐发展到以紫外光为加工热源的光固化技术，再发展到以激光、电子束、电弧等高能束为加工热源的熔化成形技术，实现了有机材料、无机非金属材料以及金属材料等产品的增材制造成形。针对金属材料，根据加工过程中热源的不同，一般有激光增材制造、电子束增材制造以及等离子弧增材制造等三种不同形式的高能束增材制造技术，成形原材料一般有金属粉末和焊丝两种状态。

在金属零部件高能束增材制造技术中若成形尺寸在300mm×300mm以下，一般采用单激光束，或单电子束、或单电弧头进行加工成形。若单方向尺寸在300mm以上，则一般采用双/多激光束、或双/多电子束、或双/多电弧头进行加工成形，以提升零件的成形效率。然而，在多加工头加工过程中，一般各个加工头工作区域划分采用简单的四象限划分法。这就导致在扫描切片轮廓分布不均匀的工件，或对位置摆放有特殊要求等的零件时，会出现某加工头工作完毕闲置状态，而其他加工头还在工作的情况。甚至在某些截面会出现只有一个加工头工作的情况，以及多个加工头扫描同个区域时发生冲突的情况，影响了整体的成形效率。

综上所述，由于现有多个加工头打印区间划分法的单一性，以及现有激光扫描方式的局限性，在扫描结构复杂、切片轮廓形状分布不规则的工件，对位置摆放有特殊要求等的零件时，无法确保多个加工头同步高效率的工作，增加了成形时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种加工效率高的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，包括以下步骤：

S01、确定包含加工零件某一层截面内所有封闭图形的一个封闭区域A和加工头数量N，N≥2；

S02、在封闭区域内确定一点O，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个加工头；

S03、N个加工头分别对N个象限内的扫描区域进行扫描加工。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S02中，若某一层截面只有一个封闭图形时，O点将位于该图形的几何中心或几何重心，则需对该封闭图形在各个象限内的区域进一步划分，具体为步骤a1：分别在每个象限内的扫描区域内再确定一点Q1、Q2…QN，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成N个子象限区域，每个子象限区域的面积相等，扫描时按照每个象限内的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描，保证多个加工头不会同时在相邻区域处扫描加工，减少热积累；其中子原点为该封闭图形的几何中心或几何重心。

在步骤S02中，若某一层截面有多个封闭图形时，O点将位于封闭区域A的几何中心或几何重心，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个扫描加工头。

若存在一个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

若存在两个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

若存在N-1个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

若存在N个封闭图形在相邻象限内连续分布，还包括步骤e1：对封闭区域A内的封闭图形所划分的象限进行扭转使其重新对封闭区域进行区域划分。

在步骤S01中，所述封闭区域A的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域即为封闭区域A。

步骤S02中，N个象限的象限轴可为0°-180°间任意角度。

在步骤a1之后，还包括：

步骤a2：使象限对应的加工头对子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工；

步骤a3：扫描加工完子象限的第一象限后，按照顺时针顺序使扫描加工头继续对子象限的第二、第三、第四象限内的封闭图形进行扫描加工。

当某一层截面有多个封闭图形时且存在一个封闭图形在相邻象限内连续分布，或者当某一层截面有多个封闭图形且存在两个封闭图形在相邻象限内连续分布，或者当某一层截面有多个封闭图形且存在N-1个封闭图形在相邻象限内连续分布，加工方法为：

步骤b1：在该封闭图形被相邻象限分割的每个扫描区域中确定一点，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤b2：使象限对应的扫描加工头对象限内的每个封闭图形子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工

步骤b3：按照顺时针顺序使扫描加工头继续对子象限的第二、第三、第四象限内的扫描图形进行扫描加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法，通过对加工区域内零件切片情况分析，分成与各加工头一一对应的象限，能够确保所有加工头参与扫描，相对于现有的四象限划分法导致的个别加工头闲置状态，提升了加工效率。

本发明的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法，对零件切片截面分析，合理的划分区域，确保了全部打印头能够扫描同等面积大小的区域，能够同步工作，避免了某加工头工作完毕闲置状态，而其他加工头还在工作的情况，进一步提升了加工效率。另外通过对零件切片截面的区域合理划分，避免了加工头在同步工作时加工头间的冲突以及激光束重叠导致工件内部热应力过高的情况。

本发明的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法，其中加工头的数量不小于三个，具体方法适用于加工结构复杂、切片轮廓形状不规则、对位置摆放有特殊要求的零件。

附图说明

图1为本发明中封闭区域A的示意图。

图2为本发明中封闭区域划分n个象限后的示意图。

图3为本发明中封闭区域中n个象限均划分四个象限的示意图。

图4为本发明中N个封闭图形在相邻象限内连续分布的示意图。

图5为本发明中N个封闭图形在相邻象限内连续分布转化为其他情况的示意图。

图6为本发明实施例一中子四象限的划分示意图。

图7为本发明实施例一中的划分示意图。

图8为本发明实施例二的划分示意图。

图9为本发明实施例三的划分示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图9所示，本实施例的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工的方法，加工头的数量不小于3个，具体包括以下步骤：

S01、确定包含加工零件某一层截面内所有封闭图形的一个封闭区域A和加工头数量N，N≥2；

S02、在封闭区域内确定一点O，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个加工头

S03、N个加工头分别对N个象限内的扫描区域进行扫描加工，每个区域的扫描路径遵从设备自有软件的扫描策略。如图2所示。

本实施例中，在步骤S01中，封闭区域A的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域即为封闭区域A，如图1所示；另外，加工方式为同步送粉的加工头为可以在X轴方向和Y轴方向所形成的平面进行移动且可单独扫描整个区域的加工头；加工方式为预置铺粉的加工头为固定不可移动但可以单独扫描整个区域的加工头。

如图3所示，当某一层截面只有一个封闭图形时，不论其位于成型区域的任何位置处，N个加工头一起加工该层切片，对应的划分方法如下：

获取该层零件切片截面内封闭图形的形状，通过对封闭图形形状分析，确定一点P，以该点为原点将封闭图形划分为N个象限B1,B2,B3...BN，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等。P点由零件切片截面内封闭图形形状确定，可以为封闭图形几何中心或几何重心。

确定上述每个象限与封闭图形轮廓所围成封闭区域的形状，通过对该封闭区域分析，确定一点Q，以该点为子原点将该封闭区域划分N个子象限I,II,III,IV…N。Q点由封闭区域的形状确定，可以为几何中心或几何重心；

后续再分配N个加工头分别对B1,B2...BN象限内区域进行加工，加工方法为：

加工头N1加工I1,加工头N2加工I2...加工头NN加工IN；当加工完毕，各个加工头在各自区域内按照顺时针继续进行加工，加工路径为I→II→III→IV…→N，如图3所示。

本实施例中，当零件切片某一层的截面内封闭图形有n个，且n个封闭图形集中位于成型区域的一个角落或中心处时，N个加工头一起加工该切片，对应划分方法如下：

确定包含所有封闭图形的封闭区域C，C的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域为封闭区域C。

对C的形状与C区域内所有封闭图形的面积进行分析，确定一点E，以该点为原点将C区域划分为N个象限C1,C2,C3...CN，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等。

本实施例中，在步骤S02中，当某一层截面只有一个封闭图形时时，N个加工头共同加工该封闭图形，对应的划分方法如下：

步骤a1：对封闭图形形状分析，确定一点F，以该点为原点将封闭图形划分为N个象限F1,F2,F3...FN，每个象限内所含封闭图形的面积均相等；F点由零件切片截面内封闭图形形状确定，可以为封闭图形几何中心或几何重心。

步骤a2：确定上述每个象限与封闭图形轮廓所围成封闭区域的形状，对该封闭区域分析，确定一点G，以该点为子原点将该封闭区域划分N个子象限；G点由封闭区域的形状确定，可以为几何中心或几何重心；

后续再分配N个加工头分别对F1,F2,F3...FN象限内区域进行加工，对应的后续加工方法为：

加工头N1加工F1的第一象限,加工头N2加工F2的第一象限...加工头NN加工FN的第一象限；当加工完毕，加工完第一象限后每个加工头按照顺时针继续加工直至第N象限。

本实施例中，在步骤S02中，当某一层截面有多个封闭图形时，且存在1—(N-1)个封闭图形在相邻象限内连续分布时，对应的划分方法如下：

步骤b1：在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤b2：使象限对应的扫描加工头对象限内的每个扫描图形子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工

后续再分配对应加工头分别对N个象限内的其它子象限区域进行加工。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分方法的加工方法。

本实施例中，若每个象限内的封闭图形相互独立，N个加工头分别对N个象限内的扫描区域进行扫描加工，每个区域的扫描路径遵从设备自有软件的扫描策略。

以下对其他情况加工方法进行说明：

当某一层截面只有一个封闭图形时，加工方法为：

步骤a1:分别在每个象限内的扫描区域内再确定一点P1、P2…PN，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成N个子象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤a2：使象限对应的加工头对子象限的第一象限内的扫描图形进行扫描加工，

步骤a3：按照顺时针顺序使加工头继续对子象限的第二、第三…第N象限内的封闭图形进行扫描加工。

当某一层截面有多个封闭图形时，且存在1—(N-1)个封闭图形在相邻象限内连续分布，加工方法为：

步骤b1:在该封闭图形被相邻象限分割的每个扫描区域中确定一点，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤b2:使象限对应的扫描加工头对象限内的每个封闭图形子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工

步骤b3：按照顺时针顺序使扫描加工头继续对子象限的第二、第三、第四象限内的封闭图形进行扫描加工。

本发明的多加工头增材制造设备的加工方法，通过对加工区域内零件切片情况分析，分成与各加工头一一对应的象限，能够确保所有加工头参与扫描，相对于现有的四象限划分法导致的个别加工头闲置状态，提升了加工效率。

本发明的方法，对零件切片截面分析，合理的划分区域，确保了全部打印头能够扫描同等面积大小的区域，能够同步工作，避免了某加工头工作完毕闲置状态，而其他加工头还在工作的情况，进一步提升了加工效率。另外通过对零件切片截面的区域合理划分，避免了加工头在同步工作时加工头间的冲突以及激光束重叠导致工件内部热应力过高的情况。

本发明的方法，其中加工头的数量不小于三个，具体方法适用于加工结构复杂、切片轮廓形状不规则、对位置摆放有特殊要求的零件。

下面结合三个完整的具体实施例对上述的加工方法做进一步说明：

实施例一：

一种具有4个加工头的增材制造设备的切片截面内封闭图形的加工方法：

步骤1.1)：确定零件切片某一层的截面内封闭图形个数为4，包含所有封闭图形的封闭区域A，A的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域为A；

步骤1.2)：确定加工头的数量:4；

步骤1.3)：通过对A的形状与A区域内所有封闭图形的面积分析，确定一点O，以该点为原点将A区域划分为A1，A2，A3，A4，保证每个象限内所包含的扫描图形面积相等；

步骤1.4)：分析在三个象限内连续分布的封闭图形，在该封闭图形被相邻象限分割的每个扫描区域中确定一点确定一点，以该点为原点将该处封闭图形分为子四象限，每个子象限所包含的封闭图形区域面积大小相等。每个加工头的工作区域对应一个象限区域。如图4所示；

步骤1.5)：在每个象限内的独立封闭图形分配该区域对应的加工头对其加工，每个区域的扫描路径遵从设备自有软件的扫描策略；

步骤1.6)：加工头对在三个象限内连续分布的封闭图形被象限轴分割的每一部分内，按照子象限的第一至第四象限加工，扫描路径遵从设备自有软件的扫描策略。如图6、7所示。

实施例二：

一种具有5个加工头的增材制造设备的切片截面内封闭图形的加工方法：

步骤2.1)：确定零件切片某一层的截面内封闭图形个数为1，

步骤2.2)：确定加工头的数量:5；

步骤2.3)：通过对封闭图形的形状进行分析，确定一点O，以该点为原点将封闭图形划分为5个象限，每个象限内所包含的封闭图形面积相等；

步骤2.4)：分别在每个象限内的扫描区域内再确定一点P1、P2…P5，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成5个子象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤2.5)：使象限对应的加工头对子象限的第一象限内的扫描图形进行扫描加工，

步骤2.6)：按照顺时针顺序使加工头继续对子象限的第二、第三、第四、第五象限内的封闭图形进行扫描加工。如图8所示。

实施例三：

一种具有5个加工头的增材制造设备的智能加工方法：

步骤3.1)：确定零件切片某一层的截面内封闭图形个数为3，包含所有封闭图形的封闭区域A，A的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域为A；

步骤3.2)：确定加工头的数量:5；

步骤3.3)：通过对A的形状与A区域内所有封闭图形的面积分析，确定一点O，以该点为原点将A区域划分为A1，A2，A3，A4，A5,保证每个象限所含封闭图形面积相等；

步骤3.4)：在每个象限所包含的封闭区域内各确定一点，以这些点为原点做四象限，将每个象限内的封闭图形划分为子四象限。

步骤3.5)：各个加工头在区域{An}内加工顺序为：从每个象限内的封闭图形的子四象限的第一象限开始加工，按照顺时针顺序加工至第四象限，如图9所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，包括以下步骤:

S01、确定包含加工零件某一层截面内所有封闭图形的一个封闭区域A和加工头数量N，N≥2；

S02、在封闭区域内确定一点O，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个加工头；

S03、N个加工头分别对N个象限内的扫描区域进行扫描加工；

在步骤S02中，若某一层截面只有一个封闭图形时，O点将位于该图形的几何中心或几何重心，则需对该封闭图形在各个象限内的区域进一步划分，具体为步骤a1：分别在每个象限内的扫描区域内再确定一点Q1、Q2…QN，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成N个子象限区域，每个子象限区域的面积相等，扫描时按照每个象限内的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描，保证多个加工头不会同时在相邻区域处扫描加工，减少热积累；其中子原点为该封闭图形的几何中心或几何重心。

2.根据权利要求1所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，在步骤S02中，若某一层截面有多个封闭图形时，O点将位于封闭区域A的几何中心或几何重心，以该点为原点将封闭区域A划分为N个象限，保证每个象限内所包含的封闭图形面积相等，各象限均对应一个扫描加工头。

3.根据权利要求2所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，若存在一个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

4.根据权利要求2所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，若存在两个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

5.根据权利要求2所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，若存在N-1个封闭图形在相邻象限内连续分布，则在该封闭图形被相邻象限分割的每部分图形中确定一点，以该点为子原点将该象限内的封闭图形分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；扫描时按照每个象限内的封闭图形的子象限顺时针顺序安排加工头错开扫描；子原点为封闭图形被象限分割后每个象限对应部分图形的几何中心或几何重心。

6.根据权利要求2所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，若存在N个封闭图形在相邻象限内连续分布，还包括步骤e1：对封闭区域A内的封闭图形所划分的象限进行扭转使其重新对封闭区域进行区域划分。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，在步骤S01中，所述封闭区域A的确定方法如下：通过分析所有最边缘的封闭图形轮廓，确定一条最长的封闭包络线，该包络线所围成的区域即为封闭区域A。

8.根据权利要求1所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，步骤S02中，N个象限的象限轴可为0°-180°间任意角度。

9.根据权利要求1所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，在步骤a1之后，还包括：

步骤a2：使象限对应的加工头对子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工；

步骤a3：扫描加工完子象限的第一象限后，按照顺时针顺序使扫描加工头继续对子象限的第二、第三、第四象限内的封闭图形进行扫描加工。

10.根据权利要求3所述的多加工头增材制造设备的加工区域划分及加工方法，其特征在于，当某一层截面有多个封闭图形时且存在一个封闭图形在相邻象限内连续分布，或者当某一层截面有多个封闭图形且存在两个封闭图形在相邻象限内连续分布，或者当某一层截面有多个封闭图形且存在N-1个封闭图形在相邻象限内连续分布，加工方法为：

步骤b1:在该封闭图形被相邻象限分割的每个扫描区域中确定一点，以该点为子原点将该象限内的扫描区域分成子四象限区域，每个子象限区域的面积相等；

步骤b2:使象限对应的扫描加工头对象限内的每个封闭图形子象限的第一象限内的封闭图形进行扫描加工

步骤b3：按照顺时针顺序使扫描加工头继续对子象限的第二、第三、第四象限内的扫描图形进行扫描加工。

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