CN111215726A - 一种机器人gma-am过程电弧填丝3d打印控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA‑AM过程电弧填丝3D打印控制系统，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，焊接控制模块。模型预处理模块包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块。焊接控制模块包括：运动指令生成模块，实时数据传输模块。解决了现有的增材制造系统存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的大型金属构件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的技术问题。

Description

一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法。

背景技术

机器人电弧填丝3D打印因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，在金属3D打印领域具有广阔的应用前景。金属的高性能3D打印技术被业内普遍看作是最具难度和前景的前沿发展方向，也是最直接的可服务于装备制造业的成形技术。其中熔化极气体保护电弧增材制造(Gas Metal Arc-Additive Manufacturing，GMA-AM)因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，尤其是具有其它增材制造技术不可比拟的效率与成本优势，几乎可以用于所有金属的快速制造和自由制造，在金属3D打印领域具有广阔的应用前景。在机器人电弧填丝3D打印中，其打印路径规划及打印过程中的机器人控制方法是关键。

目前，已开源的经典增材制造软件如slic3r、cura等，均为用于高分子材料增材制造的软件，适用的三维模型体积小，轮廓细节的尺寸相对总体积来说更小且复杂。而焊缝作为电弧增材的基本单位，其本身的尺寸(熔宽和熔高)与高分子增材的粉末原料完全不在一个量级上，无法达到高分子材料所能达到的精细度，按照原有的处理模式无法进行电弧增材制造。电弧增材使用的领域多为航空航天业，用于不方便减材的大型金属构件的生产，使用场景也与高分子材料增材制造完全不同。此外，各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同，例如FANUC机器人不使用通用的GCODE作为运动指令。并且增材对于焊接机器人来说属于非常复杂的多层多道焊，所走过的路径点远远多于普通的焊接作业，内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点。

根据文献检索，国内已申请的电弧增材方面的专利大多数与工艺相关，如利用激光、铣削等各种工艺流程优化电弧增材过程与结果。在电弧增材系统的解决方案与路径规划算法方面申请号为CN201710565906.1的“一种金属零件的增材制造方法”的专利，其增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法。

综上所述，现有的电弧增材制造存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的巨大工件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的缺点。

发明内容

鉴于以上问题，本发明侧重以下三点：1、构建为电弧增材定制的增材制造系统，在处理模型数据的过程中以焊缝为基本单位进行考量；2、设计优化适用于电弧增材的切片算法和多种路径规划方法；3、在FANUC机器人平台上定制信息传输方式与控制方式，实现非GCODE运动控制。

本发明针对现有通用增材制造系统的不足，基于机器人GMA-AM过程提出了一种机器人电弧填丝3D打印控制系统的实现方法，重点是其中的路径规划方法，并在FANUC焊接机器人上实现了这一方法。主要包括：三维模型预处理、三维模型切片算法、骨骼偏置路径规划算法、之字形填充路径规划算法、机器人运动指令文件格式适配及机器人实时控制等。具有适用巨大工件的生产，实现非GCODE运动控制，可根据焊接进度实时传输路径点坐标，设计了优化适用于电弧增材路径规划的方法的优点。

本发明是通过以下方法来实现的：

一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块；

所述模型预处理模块，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；

所述切片模块，将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；

所述路径规划模块，根据模型几何特征，选择合适的路径规划算法，对各层二维切面进行路径规划；

所述机器人控制模块，将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。

进一步的，所述模型预处理模块，进一步包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块；

所述数据提取筛选模块，从所述三维模型文件中，提取出点坐标和法向量，作为原始数据，对所述原始数据进行优化，设置内置阀值进行筛选和规范化，去掉冗余点和冗余线段，保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内；

所述三维模型文件为STL文件，同时兼容ASCll与二进制格式的STL文件；

所述拓扑关系构建模块，对所述几何单位进行拓扑关系计算，建立起整个所述三维模型的邻接关系，构建成一个自定义的所述包含拓扑信息的所述三维模型。具体来说，拓扑关系计算，包括，面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，转化为软件内自定义的几何单位，并且与所述模型所有三角网格的边界框、高度范围等信息相结合，形成一张完整的关系网。

进一步的，所述切片模块，进一步包括，对每个所述切平面进行计算：

对于高度为h_i的所述切平面，从所述包含拓扑信息的三维模型中，提取出拓扑关系中高度h_i上相关的所有三角网格，依次将所述三角网格按照相邻的顺序与所述切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到高度h_i上的二维轮廓；

若所述二维轮廓为非封闭的，或者所述二维轮廓封闭，但除所述二维轮廓封闭部分之外还存在剩余冗余线段，对一定距离阀值范围内所述线段进行合并或剔除，最终得到每个高度上的所述二维切面。

所述路径规划模块包括骨骼偏置路径规划算法和之字形填充路径规划算法。

进一步的，所述路径规划模块采用骨骼偏置路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括；

利用中轴转化算法，将封闭的所述二维轮廓转换为图形的骨骼；根据路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置，对所述骨骼提取产生实际路径。

所述中轴，由一系列圆心组成，所述圆心对应的圆为在所述图形内部的每个地方可以得到的最大的圆，将所述最大的圆的圆心连接在一起就得到了所述图形的中轴；

进一步的，所述中轴转换算法，具体为：计算每一对轮廓线段的二等分线，在所述二等分线划分出来的每个区域中，选取距离边界最近的所述二等分线作为所述中轴，将每个区域的所述二等分线组合，形成封闭轮廓的中轴。

进一步的，所述路径规划模块采用之字形填充路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括：

所述之字形填充路径规划算法模块，在选定的方向上生成一组间隔为焊缝间距的无线长光谱线，与所述二维轮廓求交点后获得一组轮廓内的光谱线段，利用打分机制进行线段的排序与方向确定，连接形成完整路径。

进一步的，所述打分机制，基于所述之字形填充路径规划算法的全过程随时进行网格化处理；

使用所述打分机制前，进行候选线段的查找，在已排序的最后一条线段的周围的设定范围内，判断每个格点是否为某条线路的端点；

所述打分机制，包括距离和角度两个维度，对候选的每条线段使用如下公式计算得分，得分由长度分lengthScore和角度分angleScore相加得到，得分最小的线段为下一条线段；假设已排序路径中最后一条线段为p_ip_j，正在计算得分的候选线段为p_sp_q，其中，所述长度分lengthScore为p_sp_q的起点距离p_ip_j终点的距离，默认所述候选线路距离终点最近的点为起点；所述角度分为

均单位向量与

的点积，

为垂直于上一条光谱线段p_ip_j的向量，对比所述长度分和所述角度分，具体计算公式如下：

lengthScore＝|p_sp_j|

在所述打分机制运行完毕之后，连接所述线段，获得一条或多条完整的之字形路径。

进一步的，所述焊接控制模块，进一步包括：运动指令生成模块，实时数据传输模块；

所述运动指令生成模块，用于将所述原始数据转化成机器人接受的LS运动文件，再将所述LS运动文件转化成所述机器人实际运行的TP运动文件；所述LS运动文件包括路径的焊接模式、位置信息、运动方式；

所述实时数据传输模块，用于在运行所述TP运动文件时，所述实时数据传输模块可根据当前的焊接进度实时向所述机器人的位置寄存器中传输接下来路径中的点坐标。

本发明还提供一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制方法，包括以下步骤：

导入三维模型文件，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；

将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；

选择模型规划算法，对各层二维切面进行路径规划；

将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。

进一步的，构建所述包含拓扑信息的三维模型，进一步包括：

从所述三维模型文件中，提取出点坐标和法向量，作为原始数据，对所述原始原始数据进行优化，设置内置阀值进行筛选和规范化，去掉冗余点和冗余线段，保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内；

所述三维模型文件为STL文件，同时兼容ASCll与二进制格式的STL文件；

对所述原始数据中模型基本单位进行拓扑关系计算，进一步包括，面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，转化为软件内自定义的几何单位，并且与所述模型所有三角网格的边界框、高度范围等信息相结合，形成一张完整的关系网，对所述几何单位进行拓扑关系计算，建立起整个三维模型的邻接关系，构建成一个自定义的所述包含拓扑信息的三维模型。

进一步的，设置所述二维切面，进一步包括：对每个所述切平面进行设置：

将高度为h_i的所述切平面，从所述包含拓扑信息的三维模型中，提取出拓扑关系中高度h_i上相关的所有三角网格，依次将所述三角网格按照相邻的顺序与所述切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到高度h_i上的二维轮廓；

若所述二维轮廓为非封闭的，或者所述二维轮廓封闭，但除所述二维轮廓封闭部分之外还存在剩余冗余线段，对一定距离阀值范围内所述线段进行合并或剔除，最终得到每个高度上的所述二维切面。

进一步的，选择模型规划算法具体选择骨骼偏置路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体步骤为：

利用中轴转换算法将封闭的所述二维轮廓转换为图形的骨骼；根据路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置，对所述骨骼提取产生实际路径。

确定所述中轴的方法为，所述中轴由一系列圆心组成，所述圆心对应的圆为在所述图形内部的每个地方可以得到的最大的圆，将所述最大的圆的圆心连接在一起就得到了所述图形的中轴；

所述中轴转换算法的具体步骤为：计算每一对轮廓线段的二等分线，在所述二等分线划分出来的每个区域中，选取距离边界最近的所述二等分线作为所述中轴，将每个区域的所述二等分线组合，形成封闭轮廓的中轴。

进一步的，选择模型规划算法具体选择之字形填充路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体步骤为：

在选定的方向上生成一组间隔为焊缝间距的无线长光谱线，与所述二维轮廓求交点后获得一组轮廓内的光谱线段，利用打分机制进行线段的排序与方向确定，连接形成完整路径。

所述打分机制，基于所述之字形填充路径规划算法的全过程随时进行网格化处理；

使用所述打分机制前，进行候选线段的查找，在已排序的最后一条线段的周围的设定范围内，判断每个格点是否为某条线路的端点；

所述打分机制包括距离和角度两个维度，对候选的每条线段使用如下公式计算得分，得分由长度分lengthScore和角度分angleScore相加得到，得分最小的线段为下一条线段；假设已排序路径中最后一条线段为p_ip_j，正在计算得分的候选线段为p_sp_q，其中，所述长度分lengthScore为p_sp_q的起点距离p_ip_j终点的距离，默认所述候选线路距离终点最近的点为起点；所述角度分为

的单位向量与

的点积，

为垂直于上一条光谱线段p_ip_j的向量，对比所述长度分和所述角度分，具体计算公式如下：

lengthScore＝|p_sp_j|

在所述打分机制运行完毕之后，连接所述线段，获得一条或多条完整的之字形路径。

进一步的，将所述三维模型文件转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标，具体的包括：

将所述原始数据转化成机器人接受的LS运动文件，再将所述LS运动文件转化成所述机器人实际运行的TP运动文件；所述LS运动文件包括路径的焊接模式、位置信息、运动方式；

在运行所述TP运动文件时，所述实时数据传输模块可根据当前的焊接进度实时向所述机器人的位置寄存器中传输接下来路径中的点坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，有效地实现适用巨大工件的生产，实现非GCODE运动控制，可根据焊接进度实时传输路径点坐标，设计了优化适用于电弧增材路劲规划的方法的目的。

附图说明

图1为本发明的一种机器人GMA-AM电弧填丝3D打印系统整体结构示意图；

图2为本发明的电弧填丝3D打印软件系统架构图；

图3为本发明的电弧填丝3D打印软件数据处理流程图；

图4为本发明的骨骼偏置路径规划算法路径计算过程示意图；

图5为本发明的之字形填充路径规划算法中光谱线段计算流程图；

图6为本发明光谱线段计算方法的细节示意图；

图7为本发明使用打分机制前对候选线段查找的示意图；

图8为本发明的之字形填充路径规划算法路径规划结果示意图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示为本发明所用机器人GMA-AM电弧填丝3D打印系统，主要包括FANUC机器人、机器人控制柜、焊枪、焊接电源、焊接保护气、送丝机、工控机及其他外围设备。其中，工控机是系统中的核心设备，包括以下几个功能：实现人机交互，传入待打印的三维模型导入并设定电弧增材的各项参数；计算各层切片的填充路径；生成机器人的运动指令，控制机器人的起弧、熄弧、指定运动方式；通过通讯连接获取机器人的实时状态，并实时控制机器人的焊接进度。

本发明可以选用FANUCM-10iA12六轴工业机器人作为运动主体，搭配焊枪进行焊接作业。焊接控制器型号为R-30iA，控制器目前的系统软件为V7.7版本。FANUC自研的RobotInterface通讯接口以机器人为服务端，工控机可通过RobotInterface获取机器人的实时状态，并对机器人实时传输数据。以上仅是举个实例，还可以选用其他装置，在此不再详细说明。

如图2所示为本发明的电弧填丝3D打印软件系统架构图，包含三维模型导入与预处理模块，切片模块，骨骼偏置路径规划算法模块，之字形填充路径规划算法模块，机器人控制模块。为了兼容Robot lnterface通讯接口，且考虑到稍复杂的三维模型数据就非常庞大，数据计算时间会耗费较长时间，软件使用VC++14.1标准编写。同时为了提高开发效率，以CGAL(Computational Geometry Algorithms Library)库为基础建立了基础图形单位，完成了大多数图形几何计算。

从图2中可以看到，本发明主要包含的技术要点有：自定义三维模型的构建，三维模型的切片，针对薄壁件的骨骼偏置路径规划算法，针对截面为实心或孔洞相对轮廓较小的工件的之字形填充路径规划算法，针对FANUC机器人特殊自研体系的控制模块的构建。整体软件对于数据的处理流程如图3所示，具体包括导入STL文件中的数据，提取出原始点坐标和原始法向量作为原始数据；对原始数据进行拓扑关系计算，构建成一个自定义的点、面、三维的包含拓扑信息的三维模型；对三维模型进行切面计算，根据用户设定的起始层高度与其他层高度，将模型与一组垂直于Z轴的平面相交，平面沿Z轴的分布由用户设置的高度决定，由此得到一组平行于XY平面的二维切面轮廓；根据模型特点自行选择规划算法规划路径，得到排序后的路径点；生成运动指令，转化成机器人实际运行的TP运动文件；获取运行进度，根据当前的焊接进度实时传输覆盖下一批路径点坐标。

实施例

本发明具体包括模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块。

模型预处理模块包括自定义三维模型构建方法主要包含数据的提取和筛选的数据提取筛选模块，用于拓扑关系计算的拓扑关系构建模块两方面。首先，数据提取筛选模块，从STL格式的三维模型文件中，根据编码规律在指定位置提取出点坐标和法向量，作为原始数据。STL文件同时兼容ASCLL与二进制格式。其中，ASCll码文件具有可读性高的特点，可根据文件模板中的文字进行定位提取；二进制文件需要对单位数据进行长度计算，进制转换，最终得到十进制的原始图形数据。接下来要根据实际情况对原始数据进行优化，设置内置阈值进行筛选和规范化，去掉冗余点、冗余线段，使保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内。最后，利用拓扑关系构建模块对模型基本单位进行拓扑关系计算，包括面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，形成一张完整的关系网，结合每个三角网格的边界框、高度范围等信息，构建起了一个自定义的包含拓扑信息的三维模型。

切片模块包含三维模型的切片算法：根据用户给出的切平面高度差，形成一系列与模型形成相交的互相平行的切平面。每个切平面的切片流程为：对于高度为h_i的切平面，首先根据预处理中的拓扑关系提取出此高度上相关的所有三角网格，再依次将这组三角网格按照相邻的顺序与切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到h_i高度上的二维轮廓。对于切片结果为非封闭二维轮廓，或封闭轮廓之外剩余冗余线段的情况，进行优化处理，对一定距离阈值范围内的线段进行合并或筛除，最终得到每个高度上的二维切面。

路径规划模块，包括：骨骼偏置路径规划算法模块，之字形填充路径规划算法模块，用于规划焊接时实际工作的路径；用户可根据模型特点自行选择规划算法。

骨骼偏置路径规划算法模块包含的骨骼偏置路径规划算法的实现方式为：利用中轴转换算法将封闭的二维轮廓转换为图形的骨骼。并根据用户设置的路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置。二维图形的中轴被定义为由一系列圆心组成，这些圆分别是在图形内部的每个地方可以得到的最大的圆形。将这些局部最大圆的圆心连接在一起就得到了图形的中轴。中轴转换算法的实现简单来说，首先计算每一对轮廓线段的二等分线，在这些二等分线划分出来的每个区域中，选取距离边界最近的那段二等分线作为中轴。每个区域所选取的二等分线组合起来就是这个封闭轮廓的中轴。

例如，对于一个形状为空心的锥形方台的三维模型，切片产生的二维轮廓为一组空心的矩形，对其进行骨骼提取产生实际路径，计算过程如图4所示。

之字形填充路径规划算法模块包含的之字形填充路径规划算法的实现方式为：在选定的方向上生成一组间隔为用户设置的焊缝间距的无限长光谱线，与二维轮廓求交点后获得一组轮廓内的光谱线段。

图5展示了获取即将应用到路径中的光谱线段的计算流程。

其中，线段p₀p₁所涉及的光谱线段计算方法的细节如图6所示。

获得二维轮廓内的所有光谱线段之后，想获得完整的层片焊接路径还需要进行线段的排序与方向确定，从而顺势连接形成完整路径。本发明使用打分机制来完成这些任务。需要提到的是，打分机制的使用基于之字形填充算法的全过程随时进行网格化处理，也就是对所有数据的精度进行调控，达到计算过程中的每个点都在格点上的效果，使对某个半径范围内的点的查找成为可能。如图7所示，使用打分机制前，会进行候选线段的查找，在已排序的最后一条线段周围的设定范围内，判断每个格点是否是某条线段的端点，而进行判断的前提就是网格化处理。

本发明中的打分机制由距离和角度两个维度综合考评。对候选的每条线段使用如下公式所表示的方法计算自己的得分，得分由长度分lengthScore和角度分angleScore相加得到，得分最小的线段则为下一条线段。假设已排序路径中最后一条线段为p_ip_j，正在计算得分的候选线段为p_sp_q。其中，长度分lengthScore为p_sp_q的起点距离p_ip_j终点的距离，默认候选线段距离终点最近的点为其起点。角度分为

的单位向量与

的点积，

垂直于上一条光谱线段p_ip_j。对比长度分和角度分，长度分为主要影响因素，而角度分的主要作用为避免冗余线段的干扰。

lengthScore＝|p_sp_j|

在打分机制运行完毕之后，顺势连接可获得一条或多条完整的之字形路径(根据内部有无孔洞情况)。实际计算得到的路径规划结果如图8所示。

机器人控制控制模块，包含机器人运动指令文件生成的运动指令生成模块以及实时数据传输模块两个主要内容。运动指令生成模块在本实施例中的应用主要包括以下内容：本实验平台及系统均基于FANUC机器人构建，出于技术保护，FANUC不接受其他机器人通用的GCODE作为运动指令的输入，拥有一套自主研发的运动指令和运动文件格式。针对这种情况，控制模块首先将ASCll码文件转码生成FANUC自研加密的基于ASCll码的LS运动文件，再将LS文件转换为机器人实际运行的TP运动文件。TP文件即为实际运行在FANUC机器人中的运动指令文件。

此外，实时数据传输模块主要包括以下内容：FANUC机器人内置的位置寄存器仅有100个位置，对于增材所需要的路径点存储空间来说远远不够。本发明使用数据实时传输的方式换取存储空间的节省，跟踪焊接进度，传输适当容量的数据。可以使用RobotInterface通讯接口获取机器人的实时焊接进度，使用观察者模式在适当的时机通知工控机中的软件系统，焊接进度已经运行到此。通知动作的完成是通过在运动文件指定进度处放置信号发射指令来实现的。系统接收到指定信号后得知进度至此，将寄存器中的部分已使用过的坐标值替换为接下来要使用的新坐标值，如此循环往复，可实现电弧增材全过程所使用的坐标个数无上限，极大地提升了整个增材制造系统的实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块；

所述模型预处理模块，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；

所述切片模块，将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；

所述路径规划模块，对各层二维切面进行路径规划；

所述机器人控制模块，将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。

2.根据权利要求1所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述模型预处理模块，进一步包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块；

所述数据提取筛选模块，从所述三维模型文件中，提取出点坐标和法向量，作为原始数据，对所述原始数据进行优化，设置内置阀值进行筛选和规范化，去掉冗余点和冗余线段，保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内；

所述三维模型文件为STL文件，同时兼容ASCII与二进制格式的STL文件；

所述拓扑关系构建模块，对几何单位进行拓扑关系计算，建立起整个所述三维模型的邻接关系，构建成一个自定义的所述包含拓扑信息的所述三维模型；具体来说，拓扑关系计算，包括，面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，转化为软件内自定义的所述几何单位，并且与所述模型所有三角网格的边界框、高度范围等信息相结合，形成一张完整的关系网。

3.根据权利要求1所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述切片模块，进一步包括，对每个所述切平面进行计算：

对于高度为h_i的所述切平面，从所述包含拓扑信息的三维模型中，提取出拓扑关系中高度h_i上相关的所有三角网格，依次将所述三角网格按照相邻的顺序与所述切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到高度h_i上的二维轮廓；

若所述二维轮廓为非封闭的，或者所述二维轮廓封闭，但除所述二维轮廓封闭部分之外还存在剩余冗余线段，对一定距离阀值范围内所述线段进行合并或剔除，最终得到每个高度上的所述二维切面。

4.根据权利要求3所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述路径规划模块采用骨骼偏置路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括；

利用中轴转化算法，将封闭的所述二维轮廓转换为图形的骨骼；根据路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置，对所述骨骼提取产生实际路径。

5.根据权利要求3所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述路径规划模块采用之字形填充路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括：

所述之字形填充路径规划算法模块，在选定的方向上生成一组间隔为焊缝间距的无线长光谱线，与所述二维轮廓求交点后获得一组轮廓内的光谱线段，利用打分机制进行线段的排序与方向确定，连接形成完整路径。

6.根据权利要求5所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述打分机制，具体为：

基于所述之字形填充路径规划算法的全过程随时进行网格化处理；

使用所述打分机制前，进行候选线段的查找，在已排序的最后一条线段的周围的设定范围内，判断每个格点是否为某条线路的端点；

所述打分机制包括距离和角度两个维度，对候选的每条线段使用如下公式计算得分，得分由长度分lengthScore和角度分angleScore相加得到，得分最小的线段为下一条线段；假设已排序路径中最后一条线段为p_ip_j，正在计算得分的候选线段为p_sp_q，其中，所述长度分lengthScore为p_sp_q的起点距离p_ip_j终点的距离，默认所述候选线路距离终点最近的点为起点；所述角度分为

的单位向量与

的点积，

为垂直于上一条光谱线段p_ip_j的向量，对比所述长度分和所述角度分，具体计算公式如下：

lengthScore＝|p_sp_j|

在所述打分机制运行完毕之后，连接所述线段，获得一条或多条完整的之字形路径。

7.根据权利要求1所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述焊接控制模块，进一步包括：运动指令生成模块，实时数据传输模块；

所述运动指令生成模块，用于将所述原始数据转化成机器人接受的LS运动文件，再将所述LS运动文件转化成所述机器人实际运行的TP运动文件；所述LS运动文件包括路径的焊接模式、位置信息、运动方式；

所述实时数据传输模块，用于在运行所述TP运动文件时，所述实时数据传输模块可根据当前的焊接进度实时向所述机器人的位置寄存器中传输接下来路径中的点坐标。

8.一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

导入三维模型文件，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；

将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；

选择模型规划算法，对各层二维切面进行路径规划；

将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。

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