CN112046006B - 一种薄壁件的3d打印扫描填充路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，涉及3D打印技术领域。本发明通过判定中轴点序列上的点垂线段是否大于预设的点垂线段长度阈值D₂将切片轮廓划分为第一填充区域以及第二填充区域，在进行区别填充。本发明判定中轴点序列上的点垂线段是否大于预设的点垂线段长度阈值D₂将切片轮廓划分为第一填充区域以及第二填充区域；对第一填充区域采用中轴线路径填充；对第二填充区域内的点垂线段通过线段连接并使用圆弧曲线过渡形成连续的填充路径，再进行路径填充；适用于制造单连通的零件；与平行扫描路径相比，空行程较短，提高加工效率；与偏置扫描路径相比，避免轮廓中心处出现空腔，空行程较少，通过优化拐角实现扫描速度平稳过渡。

Description

一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别是涉及一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法。

背景技术

在增材制造技术中，对三维模型分层切片后的切片轮廓进行扫描填充路径规划是其关键技术之一。目前多采用往复直线法或偏置轮廓法生成扫描填充路径；请参阅图5所示，扫描线沿与坐标轴夹角方向Z形填充，当采用往复直线法对复杂多边形生成填充路径时，难以形成一条连续的打印路径，并且拐角处的表面形貌较差；请参阅图6所示，沿与轮廓垂直方向的偏置轮廓填充，当采用偏置轮廓法生成填充路径时，由于多边形形状和填充宽度并不能保证完全填充整个轮廓区域，容易在几何中心处形成间隙。

传统的电弧熔丝增材制造技术通常采用示教的方式进行路径规划，该方法适用于结构简单，形状规则的产品；对于变截面构件而言，使用示教方式进行路径规划是非常困难的。因此，需要适用于电弧熔丝增材制造技术的高效便捷的自动路径规划方法。

为解决上述问题，本发明提供一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，通过判定中轴点序列上的点垂线段是否大于预设的点垂线段长度阈值D₂将切片轮廓划分为第一填充区域以及第二填充区域；对第一填充区域采用中轴线路径填充；对第二区域将其点垂线段通过直线段顺序连接形成连续的填充路径，并在拐角处使用圆弧过渡，再进行路径填充；解决了现有背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，包括如下步骤：

步骤一：构建待制造零件的三维模型，并对所述三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓；

步骤二：计算获取所述切片轮廓的中轴线；

所述中轴线，是距所述切片轮廓上不同边上的两个或两个以上点的等距离点的集合；

步骤三：对所述切片轮廓的中轴线重采样，沿所述中轴线以点垂线段间距D₁为间隔生成等距的中轴点序列{P^m ₀,P^m ₁,...,P^m _i,...,P^m _n-1,P^m _n}；

其中，P^m _i为第i个中轴点；

步骤四：计算过中轴点与中轴线垂直且与所述切片轮廓相交的点垂线段l_i；

其中，所述点垂线段与切片轮廓相交的两端点分别为左端点P^l _i和右端点P^r _i；

步骤五：沿所述中轴线方向，将所述中轴点处的点垂线段l_i长度小于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第一填充区域，将所述中轴点处的点垂线段L_i长度大于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第二填充区域；

步骤六：以第一填充区域的中轴线为填充路径，对第一填充区域进行中轴线路径填充；

步骤七：以所述第二填充区域的中轴线端点处的点垂线段L_i为起始填充线段，以所述起始填充线段另一端点作为终止填充点；

步骤八：顺序遍历所述第二填充区域内中轴点相对相应的点垂线段L_i进行填充。

优选地，所述点垂线段间距D₁范围为0.75d-1.2d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度。

优选地，所述点垂线段长度阈值D₂为预定义的划分第一填充区域以及第二填充区域的点垂线段长度临界值；所述点垂线段长度阈值D₂范围为1.2d-1.5d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度。

优选地，步骤八中：若前点垂线段L_i-1的填充终止点为左端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为左端点；若前点垂线段L_i-1的填充终止点为右端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为右端点；将前点垂线段L_i-1的填充终止点与当前点垂线段L_i的填充起始点连接形成连接线段；所述连接线段与前点垂线段L_i-1以及当前点垂线段L_i在连接拐角处均通过圆弧曲线段过渡连接。

优选地，步骤六中对第一填充区域进行中轴线路径填充具体包括如下：

进行中轴线路径填充速度为：V₁＝(d/D₃+a)*V₀；

其中，V₀为喷涂填充宽度为d时所需的喷头移动速度；D₃为第一填充区域中不同位置点垂线段的长度值，D₃范围为1.2d-1.5d；

d为3D打印时喷头喷浆宽度；a为第一调整系数，a的范围为[-0.01,0.01]。

优选地，步骤八中对第二填充区域内中轴点相对相应的点垂线段L_i进行填充过程具体如下：

对点垂线段L_i进行填充速度为：V₂＝(1+bx)*(2-D₁/d)*V₀；

其中，x为在点垂线段上的喷涂喷头距离当前中轴点的位移，且沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的外轮廓为正方向，沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的内轮廓为负方向；

b为第二调整系数，b的范围为[0.01-0.03]；

对第二填充区域内的连接线段以及圆弧曲线段的填充速度均采用与其相连的点垂线段端点的速度值。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过判定中轴点序列上的点垂线段是否大于预设的点垂线段长度阈值D₂将切片轮廓划分为第一填充区域以及第二填充区域；对第一填充区域采用中轴线路径填充；对第二区域将其点垂线段通过直线段顺序连接形成连续的填充路径，并在拐角处使用圆弧过渡，再进行路径填充；适用于制造单连通的薄壁零件；与平行扫描路径相比，空行程较短，提高了加工效率；与偏置扫描路径相比，避免轮廓中心处出现空腔和路径相交的情况，空行程较少，通过优化拐角实现扫描速度平稳过渡。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法的流程图；

图2为本发明中对于第二填充区域轮廓分区和区域填充策略示意图；

图3为本发明中通过控制扫描速度实现可变间距填充的示意图；

图4为本发明中通过优化拐角实现扫描速度平稳过渡的示意图；

图5为背景技术中扫描线沿与坐标轴夹角方向Z形填充的示意图；

图6为背景技术中沿与轮廓垂直方向的偏置轮廓填充的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4所示，本发明为一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，包括如下步骤：

步骤一：构建待制造零件的三维模型，并对三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓；

步骤二：计算获取切片轮廓的中轴线；

中轴线，是距切片轮廓上不同边上的两个或两个以上点的等距离点的集合；

步骤三：对切片轮廓的中轴线重采样，沿中轴线以点垂线段间距D₁为间隔生成等距的中轴点序列{P^m ₀,P^m ₁,...,P^m _i,...,P^m _n-1,P^m _n}；

其中，P^m _i为第i个中轴点；点垂线段间距D₁范围为0.75d-1.2d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度；

步骤四：计算过中轴点与中轴线垂直且与切片轮廓相交的点垂线段l_i；

其中，点垂线段与切片轮廓相交的两端点分别为左端点P^l _i和右端点P^r _i；

步骤五：沿中轴线方向，将中轴点处的点垂线段l_i长度小于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第一填充区域，将中轴点处的点垂线段L_i长度大于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第二填充区域；具体的，点垂线段长度阈值D₂为预定义的划分第一填充区域以及第二填充区域的点垂线段长度临界值；点垂线段长度阈值D₂范围为1.2d-1.5d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度；

请参阅图2所示，以环形切片轮廓为例，该环形切片轮廓的内轮廓为偏心圆；图2中虚线标识出来的区域内的中轴线段小于划分第一填充区域以及第二填充区域的点垂线段长度临界值，为第一填充区域R1，采用中轴线路径填充；第一填充区域R1以外的区域内的中轴线段大于等于划分第一填充区域以及第二填充区域的点垂线段长度临界值，为第二填充区域R2，采用轴向往复填充路径；

步骤六：以第一填充区域的中轴线为填充路径，对第一填充区域进行中轴线路径填充；

其中，进行中轴线路径填充速度为：V₁＝(d/D₃+a)*V₀；实际进行喷涂填充时，通过降低涂料的填充速度，使得实际填充时涂料宽度增加，而在一定区域范围1.2d-1.5d内，达到喷涂效果时，喷涂速度V₁与D₃大致呈反比例关系，实际存在的偏差值通过a调整，以达到更好的效果；

其中，V₀为喷涂填充宽度为d时所需的喷头移动速度；D₃为第一填充区域中不同位置点垂线段的长度值，D₃范围为1.2d-1.5d；d为3D打印时喷头喷浆宽度；a为第一调整系数，a的范围为[-0.01,0.01]；

步骤七：以第二填充区域的中轴线端点处的点垂线段L_i为起始填充线段，以起始填充线段另一端点作为终止填充点；具体的，对起始填充线段，以起始填充线段一端点作为起始填充点，以起始填充线段另一端点作为终止填充点；也即，若起始填充点为起始填充线段的左端点，则终止填充点为起始填充线段的右端点；

步骤八：顺序遍历第二填充区域内中轴点相对相应的点垂线段L_i进行填充；请参阅图2-4所示，若前点垂线段L_i-1的填充终止点为左端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为左端点；若前点垂线段L_i-1的填充终止点为右端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为右端点；将前点垂线段L_i-1的填充终止点与当前点垂线段L_i的填充起始点连接形成连接线段；连接线段与前点垂线段L_i-1以及当前点垂线段L_i在连接拐角处均通过圆弧曲线段过渡连接；生成连续的填充路径，直至该区域的另一个中轴线端点。

实际使用时，由于点垂线段间距D₁范围为0.75d-1.2d，为保证喷涂饱满，相邻两点垂线段L_i的点垂线段间距D₁是小于3D打印时喷头喷浆宽度d的；而此时，相邻两点垂线段L_i的喷涂过程中会存在部分重复的部分；

此时，喷涂速度的降低量与重叠宽度(D₁-d)/d成正比；同时，与沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的外轮廓的距离成正比，与沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的内轮廓的距离成反比；因此，对点垂线段L_i进行填充速度为：V₂＝(1+bx)*(2-D₁/d)*V₀；

其中，x为在点垂线段上的喷涂喷头距离当前中轴点的位移，且沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的外轮廓为正方向，沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的内轮廓为负方向；b为第二调整系数，b的范围为[0.01-0.03]；

而对第二填充区域内的连接线段以及圆弧曲线段的填充速度均采用与其相连的点垂线段端点的速度值，以保证较好的喷涂效果。

本发明实际使用时，通过判定中轴点序列上的点垂线段是否大于预设的点垂线段长度阈值D₂将切片轮廓划分为第一填充区域以及第二填充区域；对第一填充区域采用中轴线路径填充；对第二区域将其点垂线段通过直线段顺序连接形成连续的填充路径，并在拐角处使用圆弧过渡，再进行路径填充；适用于制造单连通的薄壁零件；与平行扫描路径相比，空行程较短，提高了加工效率；与偏置扫描路径相比，避免轮廓中心处出现空腔和路径相交的情况，空行程较少，通过优化拐角实现扫描速度平稳过渡。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：构建待制造零件的三维模型，并对所述三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓；

步骤二：计算获取所述切片轮廓的中轴线；

所述中轴线，是距所述切片轮廓上不同边上的两个或两个以上点的等距离点的集合；

步骤三：对所述切片轮廓的中轴线重采样，沿所述中轴线以点垂线段间距D₁为间隔生成等距的中轴点序列{P^m ₀,P^m ₁,...,P^m _i,...,P^m _n-1,P^m _n}；

其中，P^m _i为第i个中轴点；

步骤四：计算过中轴点与中轴线垂直且与所述切片轮廓相交的点垂线段L_i；

其中，所述点垂线段与切片轮廓相交的两端点分别为左端点P^l _i和右端点P^r _i；

步骤五：沿所述中轴线方向，将所述中轴点处的点垂线段L_i长度小于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第一填充区域，将所述中轴点处的点垂线段L_i长度大于预设的点垂线段长度阈值D₂所对应的区域划分为第二填充区域；

步骤六：以第一填充区域的中轴线为填充路径，对第一填充区域进行中轴线路径填充；

步骤七：以所述第二填充区域的中轴线端点处的点垂线段L_i为起始填充线段，以所述起始填充线段另一端点作为终止填充点；

步骤八：顺序遍历所述第二填充区域内中轴点相对相应的点垂线段L_i进行填充。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，所述点垂线段间距D₁范围为0.75d-1.2d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度。

3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，所述点垂线段长度阈值D₂为预定义的划分第一填充区域以及第二填充区域的点垂线段长度临界值；所述点垂线段长度阈值D₂范围为1.2d-1.5d；其中，d为3D打印时喷头喷浆宽度。

4.根据权利要求3所述的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，步骤八中：若前点垂线段L_i-1的填充终止点为左端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为左端点；若前点垂线段L_i-1的填充终止点为右端点，则当前点垂线段L_i的填充起始点为右端点；将前点垂线段L_i-1的填充终止点与当前点垂线段L_i的填充起始点连接形成连接线段；所述连接线段与前点垂线段L_i-1以及当前点垂线段L_i在连接拐角处均通过圆弧曲线段过渡连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，步骤六中对第一填充区域进行中轴线路径填充具体包括如下：

进行中轴线路径填充速度为：V₁＝(d/D₃+a)*V₀；

其中，V₀为喷涂填充宽度为d时所需的喷头移动速度；D₃为第一填充区域中不同位置点垂线段的长度值，D₃范围为1.2d-1.5d；

d为3D打印时喷头喷浆宽度；a为第一调整系数，a的范围为[-0.01,0.01]。

6.根据权利要求5所述的一种薄壁件的3D打印扫描填充路径规划方法，其特征在于，步骤八中对第二填充区域内中轴点相对相应的点垂线段L_i进行填充过程具体如下：

对点垂线段L_i进行填充速度为：V₂＝(1+bx)*(2-D₁/d)*V₀；

其中，x为在点垂线段上的喷涂喷头距离当前中轴点的位移，且沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的外轮廓为正方向，沿点垂线段由当前中轴点向切片轮廓的内轮廓为负方向；

b为第二调整系数，b的范围为[0.01-0.03]；

对第二填充区域内的连接线段以及圆弧曲线段的填充速度均采用与其相连的点垂线段端点的速度值。

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