CN111186140B - 一种力线分布的掩模打印路径生成方法 - Google Patents

一种力线分布的掩模打印路径生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种力线分布的掩模打印路径生成方法。载入零件的流形网格模型，确定增材制造的分层切片方向和高度；建立三维直角坐标系，构造轴向平行包围盒，轴向平行包围盒平行于打印平面；切片分层处理，得到每一层分层切片的高度比例、截面连通域轮廓和轴向平行包围盒；将截面连通域轮廓点阵化处理并动态构建各分层切片的掩模图；利用霍夫变换提取掩模图的掩模特征线；由此划分区域并确定各个区域的扫描角度、流形网格模型的骨架线和扫描密度；产生分区域的间距渐变的平行扫描线。本发明实现自适应分区进行填充，提高打印的精确度；根据零件的力线分布生成填充打印路径，有利于增强零件的力学性能，提高产品打印质量。

Description

一种力线分布的掩模打印路径生成方法
技术领域
本发明涉及先进制造技术领域的复杂机械零件增材制造处理方法，尤其是涉及了增材制造领域的一种力线分布的掩模打印路径生成方法。
背景技术
增材制造通过对材料进行逐层累加来得到产品，可以直接根据设计的三维模型制造物理的三维实体，具有可成形任意形状零件的特点，在医疗、航空航天等领域都取得了广泛的应用。目前常见的增材制造工艺技术有光固化成形(Stereo lithographyappearance,SLA)、激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)、激光融化成形技术(Selective Laser Melting,SLM)、数字光处理(Digital light processing,DLP)等，其核心是数字微镜元件(Digital Micromirror Device,DMD)，在成形过程中，成形的温度场和成形材料的状态会随着填充路径动态变化，不同的路径填充方式会影响成形件的力学性能、成形效率以及成形精度，因此，对填充的路径规划非常重要。
常用的填充扫描方式多为直线填充、偏置填充、分形填充、复合填充等。直线填充是利用一系列等间距的直线对零件截面进行填充，通过提取这些直线和界面连通域的交点信息可以生成相应的填充路径。由于直线填充的算法简单可靠，因此可以快速生成填充路径。偏置填充是通过将零件截面的轮廓进行一定间距的偏置得到的填充路径，此填充方法精度较高，但是填充路径生成过程中需要处理轮廓偏置后产生的相交问题，算法相对复杂，并且偏置填充过程中包含较多拐点，填充速度较慢。复合路径填充是指在内外表面进行轮廓偏置路径填充，在零件内部采用改进的扫描算法填充，提高了零件的质量也减少了空行程，提高效率。
J.Yang等人在《Machine Tools&Manufacture》(2003,43(3):293-300.)发表论文“Fractal scanning path generation and control system for selective lasersintering(SLS)”，提出了一种用于SLS的空间填充、自避免、简单和自相似分形打印路径。可以通过判断任意边界与分形曲线的交点，在保持特征的同时，对任意边界形成打印路径，具有更好的物理性能。美国匹兹堡大学的Qian Chen等人在《Computer Methods inApplied Mechanics and Engineering》发表论文“A level-set based continuousscanning path optimization method for reducing residual stress anddeformation in metal additive manufacturing”，针对打印物体的质量会受到残余应力和变形的影响，提出了一种根据给定几何图形定制打印路径的方法，对打印路径和结构并行优化，进一步降低了残余应力。但是其填充路径较为复杂，需要处理不同路径可能会出现相交的问题，并且包含较多拐点，填充速度较慢。
但是，这些方法仍有一些局限性，尤其是在工况下，零件会受到载荷，已有的路径填充方式难以解决根据零件在不同工况下的力线分布路径优化问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，为了使得打印零件拥有更好的力学特性，本发明的目的在于提供一种力线分布的掩模打印路径生成方法。针对零件在工况中会受到载荷的情况，根据模型的骨架线，实现对打印截面连通域的填充路径进行优化，减少受力可能带来的翘曲、裂纹等缺陷。
为了实现上述目的，如图1所示，本发明采用的技术方案的步骤如下：
第一步：载入零件的流形网格模型M，得到流形网格模型M的高度，确定增材制造的分层切片方向；
所述的零件例如为发动机、变速器、齿轮箱等等复杂机械产品。
第二步：对流形网格模型M构造轴向平行包围盒V(Aixe align bounding box，即AABB包围盒)，轴向平行包围盒V平行于打印平面；根据轴向平行包围盒V建立流形网格模型M的模型坐标系(Model Coordinate System，MCS)O-xyz，x、y、z三轴构成相互垂直正交的三轴，z轴沿分层切片方向，xy轴分别沿垂直于分层切片方向所在平面上的两个相垂直的方向，形成笛卡尔坐标系，模型坐标系的原点位于轴向平行包围盒的中心点处；根据流形网格模型M的三维直角坐标系O-xyz，求出轴向平行包围盒V中沿分层切片方向(即
Figure BDA0002376204790000021
正方向)的底面顶点V2，V4，V6，V8及顶面顶点V1，V3，V5，V7；
所述的轴向平行包围盒V主要用来减少栅格化和路径填充的计算量，栅格化和路径填充扫描线的生成范围均在该轴向平行包围盒V内部。
第三步：确定零件的流形网格模型M所需打印的分层切片厚度，对流形网格模型M进行切片分层处理，得到每一层的高度比例hi、该层分层切片的截面连通域轮廓和该层分层切片的轴向平行包围盒Vi；
第i层的高度比例hi、第i层分层切片的截面连通域轮廓和第i层分层切片的轴向平行包围盒Vi，表示为：
Figure BDA0002376204790000022
其中，zi表示第i层分层切片距离轴向平行包围盒V底面的高度，z表示轴向平行包围盒V在分层切片方向(即
Figure BDA0002376204790000031
方向)上的高度。
第四步：将截面连通域轮廓点阵化处理并动态构建各分层切片的掩模图；
第五步：利用霍夫变换提取掩模图的掩模特征线，通过有限元分析获得流形网格模型M各个四面体单元的应变能，并获得掩模骨架线的总应变能，在载荷条件下构建应变能等值线，根据应变能等值线得到流形网格模型的骨架线，用于表征力线分布；
第六步：根据掩模特征线划分区域，并获得不同区域的扫描角度，根据应变能比值获得扫描密度；
第七步：产生分区域的间距渐变的平行扫描线作为打印路径。
所述的第四步，具体为：
步4.1：在截面连通域轮廓所在的平面直角坐标系中标记该层分层切片的轴向平行包围盒Vi的四角顶点坐标A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)、D(xd,yd)，其中，xa≤xb且xa≤xc且xa≤xd；
步4.2：设定栅格分辨率rAB和rBC，在轴向平行包围盒Vi中进行栅格化，得到m*n个栅格，m为边AB的长度与边AB的栅格分辨率rAB的比值向上取整，n为边BC的长度与边BC的栅格分辨率rBC的比值向上取整：
Figure BDA0002376204790000032
Figure BDA0002376204790000033
步4.3：对轴向平行包围盒Vi中的每一个栅格和截面连通域轮廓进行判断：若栅格在截面连通域轮廓外部，则该栅格值为0，栅格可用白色填充，打印时作为不打印区域；若栅格在截面连通域轮廓内部，或者栅格与截面连通域轮廓边界相交，则该栅格值为1，栅格可用黑色填充，打印时作为打印区域；由此构成得到一个二值图像，作为该分层切片的掩模图；
步4.4：对当前层与相邻层的分层切片进行布尔减运算，计算两层之间变化的区域，相邻层是指位于当前层上面相邻的一层，在相邻层分层切片的掩模图基础上，将当前层比相邻层增加的区域对应的栅格值从0变为1，当前层比相邻层减少的区域对应的栅格值从1变为0，从而实现动态更新各分层切片的掩模图；
步4.5：重复步4.1-4.4，构建各打印高度的分层切片的掩模图。
所述的第五步，具体为：
步5.1：将得到的掩模图以图像左上角为原点建立以像素为单位的像素坐标系(Pixel Coordinate System，PCS)u-v，u、v轴为相互垂直的轴，在像素坐标系中遍历掩模图中的每个像素点Pi,j(ui,vj)；
步5.2：从0°到180°选择多个角度θp，对于每个角度θp采用以下公式得到像素点Pi,j(ui,vj)对应在霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)中的极半径ρp，从而获得多个霍夫点(ρp,θp)：
ρp＝ui·cos θp+vj·sin θp
其中，ρp表示霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)的极半径；霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)为掩模图左上角为原点建立的极坐标系。
步5.3：初始化每个霍夫点(ρp,θp)的计数次数k＝0；
步5.4：遍历该层掩模图中的所有像素点，得到所有像素点对应的霍夫点(ρp,θp)，霍夫点每重复出现一次，该霍夫点所对应的计数次数加1，即k←k+1；
步5.5：由所有霍夫点的当前计数次数k构成一个矩阵K(ρ,θ)，统计矩阵K(ρ,θ)中出现的局部最大值记为Max，则计数次数达到局部最大值的霍夫点(ρp,θp)所对应的像素点在像素坐标系中沿周向围绕连接构成一条环形线段作为掩模特征线，掩模特征线上的像素点个数为Max：
步5.6：用四面体单元对流形网格模型M进行划分，根据流形网格模型M在零件所在工况下的载荷及约束条件对流形网格模型M进行有限元分析，获得每个四面体单元的最大主应力、等效应力和应变能Vε；
步5.7：根据当前层分层切片的高度确定当前层分层切片所经过的四面体单元，初始化掩模特征线的应变能VG＝0；
步5.8：选取每一个四面体单元，判断四面体单元是否包含掩模特征线：
若是，则将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中，即VG＝VG+Vε；
若否，则不将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中；
步5.9：根据步5.7-5.8得到掩模特征线的总应变能；
步5.10：根据各个四面体单元的应变能，计算应变能等值线，根据应变能等值线得到流形网格模型M的骨架线，用于表示流形网格模型M的力线分布。
所述的第六步，具体为：
步6.1：根据霍夫变换提取所得的掩模特征线，将截面连通域轮廓Ω分为n个区域Ω1，Ω2，…Ωn，实际是将掩模特征线中环形线段的每个线段两端延伸形成直线，各条直线对截面连通域轮廓Ω进行划分，其中Ω＝Ω1+Ω2+…+Ωn，每个区域的边界上至少包含一条掩模特征线；
步6.2：设定应变能比值阈值t，并设定增材制造的扫描平行线之间的最小间距为d1初始作为各个区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距，dmin<d1≤dmax，dmin表示增材制造设备能达到的打印最小间距，dmax表示增材制造设备能达到的打印最大间距；
扫描平行线之间的间距用于表征扫描密度，间距越小，则密度越高。
步6.3：对于每一个区域Ωi(i＝1,2,…,n)，根据区域Ωi(i＝1,2,…,n)所包含的掩模特征线获得掩模特征线与平面直角坐标系所成的角度αi，0°≤αi<180°，作为区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描角度；
步6.4：计算各个区域Ωi(i＝1,2,…,n)中掩模特征线的总应变能VG，计算掩模特征线的总应变能VG与流形网格模型M总应变能Vs的比值tG＝VG/Vs，然后进行判断：
若区域Ωi(i＝1,2,…,n)的应变能比值大于应变能比值阈值t，即tG>t，重新设定区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距d2满足dmin≤d2<d1；
若区域Ωi(i＝1,2,…,n)的应变能比值小于或等于应变能比值阈值t，即tG<t，则设定区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距保持为d1。
所述的第七步，具体为：
步7.1：根据区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描角度αi和扫描间距d生成区域Ωi(i＝1,2,…,n)的平行扫描线，d＝d1 or d2，其中从掩模特征线到截面连通域轮廓之间的平行扫描线间距逐渐增大，从d逐渐增大至dmax；
步7.2：将Ωi(i＝1,2,…,n)的平行扫描线组合在一起，得到截面连通域轮廓Ω的打印路径，从而完成掩模内的打印路径生成优化。
本发明具有的有益效果：
1、本发明通过霍夫变换提取截面连通域中的特征线，根据特征线的分布情况，对连通域进行分区填充，可以实现自适应分区进行填充，进而提高打印的精确度。
2、本发明根据特征线的倾斜角度确定增材制造过程中打印路径的扫描角度，可以实现自适应确定扫描角度；
3、本发明利用应变能等值线得到流形网格模型的力线分布，根据应变能的比值确定扫描密度，有利于增强零件的力学性能，提高增材制造产品的质量。
附图说明
图1是本发明方法流程总图。
图2是本发明的三维模型图。
图3是本发明的掩模图。
图4是本发明的掩模栅格化。
图5是本发明的掩模特征线分布的示意图。
图6是本发明的最大主应力的四维显示图。
图7是本发明的等效应力的四维显示图。
图8是本发明的载荷作用下的力线分布图。
图9是本发明的掩模打印路径结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明实施例如下：
第一步：载入零件的流形网格模型M，得到流形网格模型M的高度，确定增材制造的分层切片方向；本发明实例具体实施采用含斜肋板的飞行器机翼缩比模型作为产品对象，但不限于此，可以是其他复杂机械产品。
第二步：对流形网格模型M构造轴向平行包围盒V(Aixe align bounding box，即AABB包围盒)，轴向平行包围盒V平行于打印平面；根据轴向平行包围盒V建立流形网格模型M的模型坐标系(Model Coordinate System，MCS)O-xyz，x、y、z三轴构成相互垂直正交的三轴，z轴沿分层切片方向，x、y轴分别沿垂直于分层切片方向所在平面上的两个相垂直的方向，形成笛卡尔坐标系，模型坐标系的原点位于轴向平行包围盒的中心点处。
图2为本实例所用的含斜肋板飞行器机翼缩比模型的流形网格模型，并建立直角坐标的打印坐标系O-xyz，其中，XOY平面为打印平面。流形网格模型中包含的顶点数共计5777个，边数共计17343条，三角形数共计11562个，亏格共计3个。
本实例所用的含斜肋板飞行器机翼缩比模型的流形网格模型的轴向平行包围盒V在x、y、z方向上的比例为(x:y:z)＝(5.1537:29.4999:1)。轴向平行包围盒V在模型坐标系O-xyz中的顶点坐标值为：V1＝(0.0132,0.0858,0.0026)；V2＝(0.0132,0.0858,-0.0027)；V3＝(0.0132,-0.0698,0.0026)；V4＝(0.0132,-0.0698,-0.0027)；V5＝(-0.0140,0.0858,0.0026)；V6＝(-0.0140,0.0858,-0.0027)；V7＝(-0.0140,-0.0698,0.0026)；V8＝(-0.0140,-0.0698,-0.0027)。其中，轴向平行包围盒V沿分层切片方向(即
Figure BDA0002376204790000061
正方向)，V2，V4，V6，V8为底面顶点，V1，V3，V5，V7为顶面顶点。
流形网格模型的形心位置在轴向平行包围盒中，形心位置在轴向平行包围盒的x、y、z方向上的高度比例:53.1857％，43.7976％，51.1920％。
第三步：确定零件的流形网格模型M所需打印的分层切片厚度，对流形网格模型M进行切片分层处理，得到每一层的高度比例hi、该层分层切片的截面连通域轮廓和该层分层切片的轴向平行包围盒Vi。
第i层的高度比例hi、第i层分层切片的截面连通域轮廓和第i层分层切片的轴向平行包围盒Vi，表示为：
Figure BDA0002376204790000071
其中，zi表示第i层分层切片距离轴向平行包围盒V底面的高度，z表示轴向平行包围盒V在分层切片方向(即z方向)上的高度。
本实例选取层高比例hi为0.5的层，其中第1个环loop1上共包含277个点，形心坐标为(0.0007,-0.0033)，形成的面积绝对值为0.0029(面积单位为长度的平方，下同)，对形心的极惯性矩为-0.0000，极惯性矩与面积平方的比值为-0.4850。第2个环loop2上共包含53个点，形心坐标为(0.0038,-0.0325)，形成的面积绝对值为0.0002，对形心的极惯性矩为-0.0000，极惯性矩与面积平方的比值为0.2005。第3个环loop3上共包含37个点，形心坐标为(0.0038,0.0329)，形成的面积绝对值为0.0001，对形心的极惯性矩为-0.0000，极惯性矩与面积平方的比值为0.1996。第4个环loop4上共包含69个点，形心坐标为(0.0000,-0.0000)，形成的面积绝对值为0.0001，对形心的极惯性矩为-0.0000，极惯性矩与面积平方的比值为-0.1669。合成区域(截面连通域轮廓)上共包含440个点，形心坐标为(0.0009,-0.0071)，连通域形成的面积为0.0025。
第四步：将截面连通域轮廓点阵化处理并动态构建各分层切片的掩模图；
步4.1：在截面连通域轮廓所在的平面直角坐标系中标记该层分层切片的轴向平行包围盒Vi的四角顶点坐标A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)、D(xd,yd)，其中，xa≤xb且xa≤xc且xa≤xd；
本实例hi为0.5的层，其轴向平行包围盒Vi的顶点及其坐标为：A(-0.0140,-0.0698)，B(0.0132，-0.0698)，C(0.0132，0.0858)，D(-0.0140，0.0858)。
步4.2：设定栅格分辨率rAB和rBC，在轴向平行包围盒Vi中进行栅格化，得到m*n个栅格，m为边AB的长度与边AB的栅格分辨率rAB的比值向上取整，n为边BC的长度与边BC的栅格分辨率rBC的比值向上取整：
Figure BDA0002376204790000072
Figure BDA0002376204790000073
步4.3：对轴向平行包围盒Vi中的每一个栅格和截面连通域轮廓进行判断：若栅格在截面连通域轮廓外部，则该栅格值为0，栅格可用白色填充，打印时作为不打印区域；若栅格在截面连通域轮廓内部，或者栅格与截面连通域轮廓边界相交，则该栅格值为1，栅格可用黑色填充，打印时作为打印区域；由此构成得到一个二值图像，作为该分层切片的掩模图；
步4.4：对当前层与相邻层的分层切片进行布尔减运算，计算两层之间变化的区域，相邻层是指位于当前层上面相邻的一层，在相邻层分层切片的掩模图基础上，将当前层比相邻层增加的区域对应的栅格值从0变为1，当前层比相邻层减少的区域对应的栅格值从1变为0，从而实现动态更新各分层切片的掩模图；
步4.5：重复步4.1-4.4，构建各打印高度的分层切片的掩模图。
如图3所示，为实例模型中含斜肋板飞行器机翼缩比模型的流形网络模型中层高比例hi为0.5的层的掩模图。
图4是本实例的层高比例hi为0.5的层掩模栅格化的示意图，其中AB边的长度0.0272，BC边的长度为0.1556，区域被划分为18×100的栅格，总栅格数为1800，其中，其中被黑色填充的栅格数为1013个，白色填充的栅格数为787，其稀疏率为0.5628。
第五步：利用霍夫变换提取掩模图的掩模骨架线，并获得掩模骨架线的总应变能，表征力线分布；
步5.1：将得到的掩模图以图像左上角为原点建立以像素为单位的像素坐标系(Pixel Coordinate System,PCS)u-v，u、v轴为相互垂直的轴，在像素坐标系中遍历掩模图中的每个像素点Pi,j(ui,vj)；
步5.2：从0°到180°选择多个角度θp，对于每个角度θp采用以下公式得到像素点Pi,j(ui,vj)对应在霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)中的极半径ρp，从而获得多个霍夫点(ρp,θp)：
ρp＝ui·cos θp+vj·sin θp
其中，ρp表示霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)的极半径；霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)为掩模图左上角为原点建立的极坐标系。
步5.3：初始化每个霍夫点(ρp,θp)的计数次数k＝0；
步5.4：遍历该层掩模图中的所有像素点，得到所有像素点对应的霍夫点(ρp,θp)，霍夫点每重复出现一次，该霍夫点所对应的计数次数加1，即k←k+1；
步5.5：由所有霍夫点的当前计数次数k构成一个矩阵K(ρ,θ)，统计矩阵K(ρ,θ)中出现的局部最大值记为Max，则计数次数达到局部最大值的霍夫点(ρp,θp)所对应的像素点在像素坐标系中沿周向围绕连接构成一条环形线段作为掩模特征线，掩模特征线上的像素点个数为Max。
本实例中矩阵K(ρ,θ)在霍夫坐标系(HCS)中出现局部最大值的霍夫点为：{(-15-87)；(-12-81)；(-10-75)；(-7-69)；(-6-90)；(-6-83)；(0-82)；(2-76)；(9-70)；(9-64)；(10-52)；(12-46)；(13-22)；(13 81)；(14-40)；(17-63)；(17-34)；(17 87)；(1944)；(20-27)；(20 78)；(21 38)；(22-20)；(22 6)；(22 13)；(22 19)；(22 26)；(22 32)；(23-14)；(23 67)；(24-5)；(28 59)；(28 77)；(38-16)；(39-46)；(40-10)；(43 9)；(47 3)；(48-37)；(52 44)；(55-28)；(56 38)；(59-22)；(59 32)；(61 26)；(62-16)；(63 19)；(64 4)；(6410)；(66-3)}。
本实例所得到的像素点P的在像素坐标系(PCS)中的坐标为：{[30,17]；[68,15]；[25,5]；[26,7]；[27,9]；[28,11]；[29,13]；[23,6]；[22,9]；[21,11]；[20,14]；[19,16]；[24,17]；[47,12]；[25,3]；[23,6]；[22,9]；[21,11]；[20,13]；[29,17]；[45,12]；[69,15]；[47,7]；[25,4]；[27,9]；[28,11]；[67,15]；[67,8]；[68,10]；[69,12]；[70,14]；[47,7]；[67,7]；[45,7]；[48,9]；[67,15]；[28,11]；[29,13]；[67,8]；[68,10]；[69,12]；[70,14]；[23,5]；[22,9]；[21,11]；[65,10]；[64,12]；[63,14]；[65,10]；[64,12]；[63,14]；[25,5]；[22,9]；[21,11]；[20,13]；[23,17]；[47,7]；[28,17]；[23,6]；[22,9]；[65,10]；[64,12]；[63,14]；[29,17]；[43,9]；[46,7]；[47,7]；[23,6]；[28,11]；[23,6]；[29,13]；[69,12]；[67,8]；[68,10]；[25,4]；[26,7]；[25,5]；[26,7]；[65,10]；[64,12]；[67,8]；[64,12]；[24,17]；[63,14]；[67,15]；[23,6]；[27,9]；[65,9]；[70,14]；[20,14]；[22,17]；[43,11]；[43,11]；[67,8]；[68,10]；[48,11]；[43,11]；[65,9]；[64,12]；[25,5]；[22,9]；[25,4]；[23,6]；[67,8]；[65,10]；[67,15]；[24,17]；[45,12]}。像素点P形成的封闭区域中包含的像素点总数为194个，与整个掩模图所含像素点的比例为0.1078，特征线在直角坐标系中所形成的面积为0.00046。
本实例的层高比例hi为0.5的层的掩模特征线分布示意图如图5所示。
步5.6：用四面体单元对流形网格模型M进行划分，根据流形网格模型M在零件所在工况下的载荷及约束条件对流形网格模型M进行有限元分析，获得每个四面体单元的最大主应力、等效应力和应变能Vε。
本实例的四面体单元最大主应力的四维显示图如图6所示。其中，灰度值表示第四维数值大小(数值越大，散点越大，灰度越小)。本实例中四面体单元主应力的最大值为1.1.5308×103MPa，为第341个四面体单元，该四面体单元的形心位置在流形网格模型轴向平行包围盒V中x、y、z三个方向上的高度比例为：4.7628：67.6200：2.5700。
四面体单元节点主应力的最小值为4.8013×10-7MPa，位于第90个四面体单元，该四面体单元的形心位置在流形网格模型轴向平行包围盒V中x、y、z三个方向上的高度比例为：1.1465：68.3780：2.5700。
本实例的四面体单元等效应力的四维显示图如图7所示，灰度值表示第四维数值大小(数值越大，散点越大，灰度越小)。本实例中四面体单元等效应力的最大值为2.3748×103MPa，位于第341个四面体单元，该四面体单元的形心位置在流形网格模型轴向平行包围盒V中x、y、z三个方向上的高度比例为：4.7628、67.6200、2.5700。
四面体单元节点等效应力的最小值为0.0480MPa，位于第1798个四面体单元，该四面体单元的形心位置在流形网格模型轴向平行包围盒V中x、y、z三个方向上的高度比例为：5.8150、85.5910、0。
步5.7：根据当前层分层切片的高度确定当前层分层切片所经过的四面体单元，初始化掩模特征线的应变能VG＝0；
步5.8：选取每一个四面体单元，判断四面体单元是否包含掩模特征线：
若是，则将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中，即VG＝VG+Vε；
若否，则不将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中；
步5.9：根据步5.7-5.8得到掩模特征线的总应变能；
步5.10：根据各个四面体单元的应变能，计算应变能等值线，根据应变能等值线得到流形网格模型M的骨架线，用于表示流形网格模型M的力线分布。
图8是本发明的载荷作用下的力线分布图，力线的点有3646个。应变能等值线上共包含3865个单元。在施加载荷的状态下，本实例中所有四面体单元应变能的最大值为1.0901mJ，应变能的最小值为5.0500e-08mJ，应变能的平均值为0.0638mJ，标准差(均方差)为0.1152mJ。第六步：根据掩模骨架线，划分区域，并迭代确定不同区域的扫描角度和扫描密度；
步6.1：根据霍夫变换提取所得的掩模特征线，将截面连通域轮廓Ω分为n个区域Ω1，Ω2，…Ωn，实际是将掩模特征线中环形线段的每个线段两端延伸形成直线，各条直线对截面连通域轮廓Ω进行划分，其中Ω＝Ω1+Ω2+…+Ωn，每个区域的边界上至少包含一条特征线；
步6.2：设定应变能比值阈值t，并设定增材制造的扫描平行线之间的最小间距为d1初始作为各个区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距，dmin<d1≤dmxx，dmin表示增材制造设备能达到的打印最小间距，dmax表示增材制造设备能达到的打印最大间距；
扫描平行线之间的间距用于表征扫描密度，间距越小，则密度越高。
步6.3：对于每一个区域Ωi(i＝1,2,…,n)，根据区域Ωi(i＝1,2,…,n)所包含的掩模特征线获得掩模特征线与平面直角坐标系所成的角度αi，0°≤αi<180°，作为区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描角度；
步6.4：计算区域Ωi(i＝1,2,…,n)中掩模特征线的总应变能VG，计算掩模特征线的总应变能VG与流形网格模型M总应变能Vs的比值tG＝VG/Vs，然后进行判断：
若区域Ωi(i＝1,2,…,n)的应变能比值大于应变能比值阈值t，即tG>t，重新设定区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距d2满足dmin≤d2<d1；
若区域Ωi(i＝1,2,…,n)的应变能比值小于或等于应变能比值阈值t，即tG<t，则设定区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描平行线之间的最小间距保持为d1。
第七步：产生分区域的间距渐变的平行扫描线；
步7.1：根据区域Ωi(i＝1,2,…,n)的扫描角度αi和扫描间距d生成区域Ωi(i＝1,2,…,n)Ω1的平行扫描线，d＝d1ord2，其中从掩模特征线到截面连通域轮廓之间的平行扫描线间距逐渐增大，从d逐渐增大至dmax；
步7.2：将Ω1，Ω2，…Ωn的平行扫描线组合在一起，得到截面连通域轮廓的打印路径，从而完成掩模内的打印路径生成优化。
本实例的层高比例hi为0.5的层掩模打印路径如图9所示，平行扫描线从掩模特征线到连通域轮廓线的填充密度由高密度到低密度渐变过渡。本实例的掩模打印路径中最长打印路径的值为176.6635，最短打印路径的值为10.2956，平行扫描线间的最大间距为31.5990，最小间距为5.2953。
由上述实施可见，本发明通过霍夫变换提取截面连通域中的特征线，根据特征线的分布情况，可以实现自适应分区进行填充。根据特征线的倾斜角度确定增材制造过程中打印路径的扫描角度，可以实现自适应确定扫描角度。利用应变能等值线得到流形网格模型的力线分布，根据应变能的比值确定扫描密度，有利于增强零件的力学性能，提高增材制造产品的质量。打印路径上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种力线分布的掩模打印路径生成方法，其特征在于：
第一步：载入零件的流形网格模型M，得到流形网格模型M的高度，确定增材制造的分层切片方向；
第二步：对流形网格模型M构造轴向平行包围盒V(Aixe align bounding box，即AABB包围盒)，轴向平行包围盒V平行于打印平面；根据轴向平行包围盒V建立流形网格模型M的模型坐标系(Model Coordinate System，MCS)O-xyz；
第三步：确定零件的流形网格模型M所需打印的分层切片厚度，对流形网格模型M进行切片分层处理，得到每一层的高度比例hi、该层分层切片的截面连通域轮廓和该层分层切片的轴向平行包围盒Vi；
第四步：将截面连通域轮廓点阵化处理并动态构建各分层切片的掩模图；
第五步：利用霍夫变换提取掩模图的掩模特征线，计算获得掩模特征线的总应变能，在载荷条件下构建应变能等值线，根据应变能等值线得到流形网格模型的骨架线；
第六步：根据掩模特征线划分区域，并获得不同区域的扫描角度，根据应变能比值获得扫描密度；
所述的第六步，具体为：
步6.1：根据掩模特征线，将截面连通域轮廓Ω分为n个区域Ω1，Ω2，...Ωn，其中Ω＝Ω1+Ω2+…+Ωn，每个区域的边界上至少包含一条特征线；
步6.2：设定应变能比值阈值t，并设定增材制造的扫描平行线之间的最小间距d1初始作为各个区域Ωi(i＝1，2，…，n)的扫描平行线之间的最小间距，dmin＜d1≤dmax，dmin表示增材制造设备能达到的打印最小间距，dmax表示增材制造设备能达到的打印最大间距；
步6.3：对于每一个区域Ωi(i＝1，2，…，n)，根据区域Ωi(i＝1，2，…，n)所包含的掩模特征线获得掩模特征线与平面直角坐标系所成的角度αi，0°≤αi＜180°，作为区域Ωi(i＝1，2，…，n)的扫描角度；
步6.4：计算各个区域Ωi(i＝1，2，…，n)中掩模特征线的总应变能VG，计算掩模特征线的总应变能VG与流形网格模型M总应变能Vs的比值tG＝VG/Vs，然后进行判断：
若区域Ωi(i＝1，2，…，n)的应变能比值大于应变能比值阈值t，即tG＞t，重新设定区域Ωi(i＝1，2，…，n)的扫描平行线之间的最小间距d2满足dmin≤d2＜d1；
若区域Ωi(i＝1，2，…，n)的应变能比值小于或等于应变能比值阈值t，即tG＜t，则设定区域Ωi(i＝1，2，…，n)的扫描平行线之间的最小间距保持为d1；
第七步：产生分区域的间距渐变的平行扫描线作为打印路径。
2.根据权利要求1所述的一种力线分布的掩模打印路径生成方法，其特征在于：所述的第四步，具体为：
步4.1：在截面连通域轮廓所在的平面直角坐标系中标记该层分层切片的轴向平行包围盒Vi的顶点坐标A(xa，ya)、B(xb，yb)、C(xc，yc)、D(xd，yd)，其中，xa≤xb且xa≤xc且xa≤xd；
步4.2：设定栅格分辨率rAB和rBC，在轴向平行包围盒Vi中进行栅格化，得到m*n个栅格，m为边AB的长度与边AB的栅格分辨率rAB的比值向上取整，n为边BC的长度与边BC的栅格分辨率rBC的比值向上取整：
步4.3：对轴向平行包围盒Vi中的每一个栅格和截面连通域轮廓进行判断：若栅格在截面连通域轮廓外部，则该栅格值为0，栅格用白色填充；若栅格在截面连通域轮廓内部，或者栅格与截面连通域轮廓边界相交，则该栅格值为1，栅格用黑色填充；由此构成得到一个二值图像，作为该分层切片的掩模图；
步4.4：对当前层与相邻层的分层切片进行布尔减运算，计算两层之间变化的区域，相邻层是指位于当前层上面相邻的一层，在相邻层分层切片的掩模图基础上，将当前层比相邻层增加的区域对应的栅格值从0变为1，当前层比相邻层减少的区域对应的栅格值从1变为0，从而实现动态更新各分层切片的掩模图；
步4.5：重复步4.1-4.4，构建各打印高度的分层切片的掩模图。
3.根据权利要求1所述的一种力线分布的掩模打印路径生成方法，其特征在于：所述的第五步，具体为：
步5.1：将得到的掩模图以图像左上角为原点建立以像素为单位的像素坐标系u-v，u、v轴为相互垂直的轴，在像素坐标系中遍历掩模图中的每个像素点Pi，j(ui，vj)；
步5.2：从0°到180°离散化选择多个角度θp，对于每个角度θp采用以下公式得到像素点Pi，j(ui，vj)对应在霍夫坐标系(Hough Coordinate System，HCS)中的极半径ρp，从而获得多个霍夫点(ρp，θp)：
ρp＝ui·cosθp+vj·sinθp
步5.3：初始化每个霍夫点(ρp，θp)的计数次数k＝0；
步5.4：遍历该层掩模图中的所有像素点，得到所有像素点对应的霍夫点(ρp，θp)，霍夫点每重复出现一次，该霍夫点所对应的计数次数加1，即k←k+1；
步5.5：由所有霍夫点的当前计数次数k构成一个矩阵K(ρ，θ)，统计矩阵K(ρ，θ)中出现的局部最大值记为Max，则计数次数达到局部最大值的霍夫点(ρp，θp)所对应的像素点在像素坐标系中围绕连接构成一条环形线段作为掩模特征线：
步5.6：用四面体单元对流形网格模型M进行划分，根据流形网格模型M在零件所在工况下的载荷及约束条件对流形网格模型M进行有限元分析，获得每个单元的节点最大主应力、节点最大等效应力和单元应变能Vε；
步5.7：根据当前层分层切片的高度确定当前层分层切片所经过的四面体单元，初始化掩模特征线的应变能VG＝0；
步5.8：选取每一个四面体单元，判断四面体单元是否包含掩模特征线：
若是，则将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中，即VG＝VG+Vε；
若否，则不将四面体单元的应变能加至掩模特征线的应变能中；
步5.9：得到掩模特征线的总应变能；
步5.10：根据各个四面体单元的应变能，计算应变能等值线，根据应变能等值线得到流形网格模型M的骨架线。
4.根据权利要求1所述的一种力线分布的掩模打印路径生成方法，其特征在于：所述的第七步，具体为：
步7.1：根据区域Ωi(i＝1，2，…，n)的扫描角度αi和扫描间距d生成区域Ωi(i＝1，2，…，n)的平行扫描线，d＝d1or d2，其中从掩模特征线到截面连通域轮廓之间的平行扫描线间距逐渐增大，从d逐渐增大至dmax；
步7.2：将Ω1，Ω2，...Ωn的平行扫描线组合在一起，得到截面连通域轮廓的打印路径，从而完成掩模内的打印路径生成优化。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112265271B (zh) * 2020-09-08 2021-10-08 同济大学 一种建模与切片并行的3d打印路径生成方法
CN114425626B (zh) * 2020-10-29 2022-12-02 华中科技大学 一种基于曲面悬臂结构定向能量沉积制造方法及产品
CN112348946A (zh) * 2020-11-04 2021-02-09 深圳市纵维立方科技有限公司 打印处理方法、装置、电子设备以及存储介质
CN112861252B (zh) * 2020-12-24 2022-07-12 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 用于飞行器结构设计和建模的点阵标准单元及点阵结构
CN115592953B (zh) * 2021-06-28 2024-03-12 广州黑格智造信息科技有限公司 用于3d打印的固化处理方法、系统、装置及存储介质
CN113722876B (zh) * 2021-07-02 2023-06-02 上海工程技术大学 一种用于三维模型的自适应迭代蜂窝网格化计算方法
CN114131932A (zh) * 2021-11-25 2022-03-04 江苏科技大学 基于栅格化3d打印分区路径规划方法
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
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
CN115139528B (zh) * 2022-06-10 2024-04-16 深圳市纵维立方科技有限公司 一种3d打印中的切片处理方法、装置、存储介质和电子设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102962452A (zh) * 2012-12-14 2013-03-13 沈阳航空航天大学 基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法
WO2016079496A2 (en) * 2014-11-21 2016-05-26 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and methods
CN106898050A (zh) * 2017-02-07 2017-06-27 浙江大学 一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法
CN109420760A (zh) * 2017-08-22 2019-03-05 湖南大学 一种用于增材制造的高能束扫描路径规划方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140099476A1 (en) * 2012-10-08 2014-04-10 Ramesh Subramanian Additive manufacture of turbine component with multiple materials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102962452A (zh) * 2012-12-14 2013-03-13 沈阳航空航天大学 基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法
WO2016079496A2 (en) * 2014-11-21 2016-05-26 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and methods
CN106898050A (zh) * 2017-02-07 2017-06-27 浙江大学 一种基于环形邻域参照轮廓线的网格模型自适应分层方法
CN109420760A (zh) * 2017-08-22 2019-03-05 湖南大学 一种用于增材制造的高能束扫描路径规划方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"增材制造中复杂区域的分割填充扫描算法";侯文彬 等;《计算机集成制造系统》;20170930;第23卷(第9期);第1853-1859页 *

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