CN112677488A - 一种打印路径规划方法、系统和3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种打印路径规划方法、系统和3D打印机，首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率。

Description

一种打印路径规划方法、系统和3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种打印路径规划方法、系统和3D打印机。

背景技术

近年来，快速成型(rapid prototyping，RP)即3D打印技术作为一种增材制造技术，已经广泛应用于各种模型生产和产品试验中，将物体的三维立体模型进行二维分层切片，得到多个二维分层切片图像，然后根据多个二维分层切片图像逐层累加打印形成实体模型，相比减材制造能够加工具有更为复杂结构的产品，3D打印技术经过多年的发展分化出许多不同的制造技术，其中，利用光敏树脂光聚合反应原理的光固化成型技术(Stereolithography Apparatus，SLA)最早开始研究发展，目前已经成为技术相对成熟和应用最为广泛的一种快速成型技术。具体地：

光固化成型技术通过控制特殊波段的光扫描液体光敏树脂，来使之在规定位置上发生聚合固化反应，并通过逐层叠加生成立体实物，从传统的激光按序扫描，逐渐发展到目前的面曝光和喷射成型等新型技术。其中，面曝光技术改变了光固化技术中由点到线、由线到面的成型方法，直接将激光聚焦到需要打印的整个平面进行打印，缩短了成型速度并且提高了打印精度；

面曝光技术目前主要基于数字光处理(DLP,Digital light Processing)和液晶显示器(LCD,Liquid Crystal Display)两种形式。DLP技术作为一种反射式投影技术，以数字微反射器(DMD，Digital Micromirror Device)作为光阀成像器件，利用投影镜头来放大DMD的反射镜像进行投影；而液晶LCD技术则是通过液晶的光电效应，来产生不同灰度和颜色的图像。相比起来，虽然DLP技术实现的价格较高，但它可以实现高清晰图像投影，像素结构感弱，而液晶LCD技术的关键部件显示器选择范围小且容易损耗，局限性比较大；目前面曝光大多配合DLP技术使用。

基于DLP技术的快速成型系统主要包括光学投影系统、机械系统和控制运算系统，可以采用上/下两种曝光模式，其中，采用下曝光模式的下曝光DLP打印系统的结构如图1所示，采用上曝光模式的上曝光DLP打印系统的结构如图2所示，具体地：投影系统通过投影仪将电脑计算的分层图像即二维分层切片图像投影在液槽内的光敏树脂的表面，当一层投影固化成型后，在机械运动系统的控制下，工作台会上移/下移，在新的成型表面补充树脂原料(刮板刮平)，依据主控系统即打印系统传来的新一层的分层图像即二维分层切片图像进行再次进行投影固化，重复上述步骤直至零件加工完毕。

其中，DLP技术的光学系统可依据不同的要求和机械结构形式调整为不同的形态，他们主要完成的功能都是将光源发出的光导入DMD芯片，经DMD芯片反射之后进入投影系统，DLP技术的光学系统将光导入投影系统的原理如图3所示，其中，DMD芯片由许多个方形微镜面和控制镜面偏转的电路系统构成，电路控制镜面的偏转角度从而实现光的“开关”来进行图像成像。依据图像分辨率，图像中的一个像素点可能由一个或几个光电单元共同成像即二维分层切片图像。

虽然DLP技术的图形即二维分层切片图像清晰度较高，并且基于DLP的光固化成型技术在小型件的打印上精度较高，但其无法同时满足大型打印幅面和高精度的双重要求。原因在于：

DMD芯片像素点在投影面上的大小决定了3D打印系统成型精度，而投影面像素点的尺寸主要由光学系统的放大率和DMD芯片的微镜尺寸两方面决定。增大光学系统的放大率会增大微镜偏转角度造成的投影误差，所以放大率有一定的要求极限值，那么只能更换更大尺寸(更高分辨率)的DMD芯片，而芯片尺寸也是有一定限制的。若想实现高精度打印，则必须将物体等比例缩小进行打印。

为了增加打印幅面的大小，研究人员开始提出类似于选择性激光烧结(SLS，Selective Laser Sintering)技术和熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling,FDM)技术所采用的移动填充来利用投影仪进行移动曝光，完成大面积打印区域的成型。移动方式大多采用工作台面全域直线z字遍历的模式，路径采用标准的格子化处理来遍历所有区域。

为了提高遍历速度，打印的路径规划在FDM与SLS技术上已经开始普遍使用，利用分区扫描路径算法、多连通域的遗传算法等来减少填充中的空行程问题，大大提高了成型的速度。但是在光固化面曝光成型方面关于面曝光的路径规划研究较少，仍然采用全遍历的模式进行成型。同时，光固化移动成型无法照搬FDM或SLS的扫描模式，因为面曝光需要一定的曝光停留时间，并且为保证曝光的均匀性，投影设备无法进行曲线行走，只能直线行进，同时也要考虑到行进速度、多轴控制机械移动系统误差对总体精度的影响。具体地：

目前在光固化领域常采用网格逐步遍历的方法，例如：专利CN 104981339 A；文献一：“Ha,Y.M.,Choi,J.W.,Lee,S.H.,2008.Mass production of 3-D microstructuresusing projection microstereolithography.Journal of Mechanical Science andTechnology 22,514–521..doi:10.1007/s12206-007-1031-8”；文献二：“Zheng,X.,Deotte,J.,Alonso,M.P.,Farquar,G.R.,Weisgraber,T.H.,Gemberling,S.,Lee,H.,Fang,N.,Spadaccini,C.M.,2012.Design and optimization of a light-emitting diodeprojection micro-stereolithography three-dimensional manufacturingsystem.Review of Scientific Instruments 83,125001doi:10.1063/1.4769050”；具体地：

将整个工作面按照x、y轴两个垂直方向按照投影大小分成一定规格的方格，从初始位置开始，先沿x方向按方格投影，一定曝光时间之后投影结束，向前移动投影下一个格子，直到本行所有的方格投影完毕，之后沿y方向移动到下一行继续投影直至全部方格都被投影完毕，如图4所示。

虽然全局的网格逐步遍历的方法虽然可以完整地拼接好整个图像即二维分层切片图像，但是因为其没有针对每个图像即二维分层切片图像进行逐个分析，极有可能出现时间浪费现象，例如，当二维分层切片图像很小时，但仍需遍历完整个工作区域，也有与FDM技术相似的空行程的问题，每个二维分层切片图像的空行程所浪费的时间累加，会大大增加整个零件的打印时间，打印效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种打印路径规划方法、系统和3D打印机。

本发明的一种打印路径规划方法的技术方案如下：

S1、根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

S2、利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

S3、采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

S4、根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

本发明的一种打印路径规划方法的有益效果如下：

首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率。

本发明的一种打印路径规划系统的技术方案如下：

包括获取模块、分块模块、分区模块和确定最优打印路径模块；

所述获取模块用于根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

所述分块模块用于利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

所述分区模块用于采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

所述确定最优打印路径模块用于根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

本发明的一种打印路径规划系统的有益效果如下：

首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率。

本发明的一种3D打印机的技术方案如下：

包括控制器，所述控制器用于执行上述任一项所述的一种打印路径规划方法的步骤。

本发明的一种3D打印机的有益效果如下：

首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率，由此实现了一种既能保证打印精度、又能降低打印时间和提高打印效率的3D打印机。

附图说明

图1为下曝光DLP打印系统的结构示意图；

图2为上曝光DLP打印系统的结构示意图；

图3为DLP光学系统将光导入投影系统的示意图；

图4为采用网格逐步遍历的方法进行打印的示意图；

图5为本发明实施例的一种打印路径规划方法的流程示意图；

图6为按照第一个角度进行分块的示意图；

图7为按照第二个角度进行分块的示意图；

图8为第一种交点选取情况的示意图；

图9为第二种交点选取情况的示意图；

图10为第三种交点选取情况的示意图；

图11为第四种交点选取情况的示意图；

图12为最优打印路径的示意图；

图13为本发明实施例的一种打印路径规划系统的结构示意图。

具体实施方式

如图5所示，本发明实施例的一种打印路径规划方法，包括如下步骤：

S1、根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

S2、利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

S3、采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

S4、根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率。

其中，S1中根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状的具体实现方式可为：

1)通过图像识别的方法从打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

2)考虑到平面曲线求解交点非常复杂，且利用曲线方程判断极值点或利用连贯性的性能也不如多边形，故可采用跨平台计算机视觉库OpenCV中的approxPolyDP函数从待打印模型的任一二维分层切片图像得到所述待打印形状。

其中，对于一个相同的图形，不同方向即按照不同角度进行分块的结果可能很大，进而导致每个角度对应的打印耗时不同，所以要按照不同的角度进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，具体地：

如图6和图7所示，按照第一个角度进行分块所得到的多个预设矩形的分布与按照第二个角度进行分块所得到的多个预设矩形的分布不同，即按照不同角度进行分块的结果不同，用户根据经验或实际情况确定或调整预设矩形的长宽。

预设角度增量可理解为：在二维分层切片图像上沿任一方向如水平方向、竖直方向等设置一条直线，以该直线为x轴即对应的角度为0°，采用优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到该角度即0°对应的多个预设矩形；然后，利用多边形齐次坐标的二维仿射变换向反方向即与x轴夹角逆时针或顺时针旋转预设角度增量θ，得到一条新的直线，以该直线作为x轴即对应的角度为θ，采用优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到该角度即θ对应的多个预设矩形，以此类推，得到2θ、3θ、4θ……所分别对应的多个预设矩形，即得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

其中，可人为调整预设角度增量θ的值，如预设角度增量θ为5°、10°、20°等，当预设角度增量θ为10°时，则得到0°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°所分别对应的多个预设矩形。

较优地，在上述技术方案中，所述S2包括：

S20、利用改进x扫描方法对待打印形状按照任一角度进行x轴扫描，获取x轴与待打印形状的交点，利用预设矩形对已获得的多个交点之间的区域进行覆盖，得到该角度对应的多个预设矩形，直至得到每个角度所分别对应的多个预设矩形。

优化的改进x扫描方法可理解为在现有的改进x扫描方法上进行进一步优化，达到面扫描的目的，具体地：

改进x扫描方法原用于计算图形学的多边形填充问题，采用的是线扫描的形式，利用多边形直线连贯性，采用增量的方法，进行扫描求交，具体地：

设置两个链表，第一个链表作为边表NET，用于储存多边形即待打印形状中每条边被扫描到的最小y值；第二个链表作为活性边表AET，只存储当前与扫描线有交点的边，那么：

每次扫描前检查第一个链表即边表NET中是否有新的相交边，若有，进入活性边表AET进行扫描，同时将其从第一个链表即边表NET中删除，在当前x扫描线扫描结束后再检查第二个链表即活性边表AET中的边是否含有下次扫描超过其能扫描到的最大y值，若有，将其从第二个链表即活性边表AET中删除，同时采用增量的思想：当x扫描线向上平移，y值增加时，x值的增加量即为y的增加量/边的斜率k；重复以上过程，直到两个链表皆空，扫描结束。利用本发明中使用的扫描方法为面扫描的方式即优化的改进x扫描方法，需要用到两条交线决定是否覆盖矩形，与直接线性填充有一定区别，常见判断并进行交点选取的几个情况如下：

1)第一种交点选取情况，如图8所示，上扫描线只有两个交点，下扫描线也只有两个交点，则说明该上扫描线、下扫描线以及待打印形状合围成的区域不含内圈，或者即便含有内圈，该内圈的面积也小于预设矩形，此时，比较每个交点和待打印形状在该区域内的端点的x轴坐标值即可，第一个交点取X_min，即最小的x轴坐标值，第二个交点取X_max，即最大的x轴坐标值；

2)第二种交点选取情况，如图9所示，上扫描线有偶数个交点，下扫描线也有偶数个交点，且上扫描线的交点的数量与下扫描线的交点的数量相等，则说明上扫描线和下扫描线都经过相同个数的内圈，等价于第一种情况的多个子域，选取方法参考第一种交点选取情况，在此不做赘述；

3)第三种交点选取情况，如图10所示，当上扫描线有偶数个交点且下扫描线有奇数个交点时，或者，当上扫描线有奇数个交点且下扫描线有偶数个交点时，则说明有一条扫描线正好通过内圈的边界，则认为其中单个交点为两个交点，选取方法参考第二种交点选取情况，但是，要注意相邻两个交点的x轴坐标值的大小，若后一个交点的x轴坐标值小于前一个交点的x轴坐标值，则将前一个交点的x轴坐标值赋值为后一个交点的x轴坐标值；

4)上扫描线有偶数个交点，下扫描线也有偶数个交点，且上扫描线的交点的数量与下扫描线的交点的数量不相等，则说明一条扫描线经过内圈，另外一条扫描线未经过内圈，此时，相当于内圈没有起作用；如图11所示，上扫描线的交点的数量为4个即偶数个，下扫描线的交点的数量为2个即偶数个，且4≠2，即上扫描线经过内圈，下扫描线未经过内圈。

上述内容中，内圈指：待打印图形中包围的且不用进行打印的部分，上扫描线的交点指：上扫描线与待打印图形的边相交的点，下扫描线的交点指：下扫描线与待打印图形的边相交的点。

伪代码即以代码形式实现S2的流程的过程如下：

其中，预设算法可采用神经网络和遗传退火算法，当预设算法为遗传退火算法时，那么：当矩形划分完毕之后，利用记录下来的预设矩形的中心点进行全遍历，矩形中点即为投影仪停留的中心，将预设矩形退化到这些点之后，会得到一个大型的旅行商问题(投影仪行走时已由系统设定一个起始点(终止点))，使用全局搜索搜索最优解的解空间过大，于是采用一种基于遗传退火和分区扫描的近似算法来尽可能地使效率最大化。

分区的目的主要是用来减少空程，矩形划分的图形最后呈点阵状，不容易仿照FDM填充方法直接列出分区，所以采取最优距离原则，先扫描一遍，将区域划分出来，具体方法如下(针对单个子域)：

从y_max开始，按z字原则(横向优先)即z字扫描的方式并基于最优距离原则进行扫描，其中，z字扫描的方式可参考图4，若无法再按这个规则走动(即进入死区)，则移动一个未遍历到的最近的点进行上述过程，并将上一阶段走动完成的点组合成一个分区，直到遍历完所有的点，即得到单个子域分区的情况。其中，最优距离原则指：当扫描完一个子域的其中一个分区时，选取离当前分区最近的分区进行继续扫描。

当确定某一子域中各分区的遍历顺序时，由于该子域中分区个数可能比较多，例如该子域有M个分区，按照需要计算2M！种排列顺序，即需要计算2M！种遍历顺序，效率非常低，本申请只需考虑2M个遍历起始点，可认为从该分区内选取一个预设矩形的分区端点即中心点作为遍历起始点，每次选定一个分区作为起始遍历分区，从该分区开始遍历，当遍历完毕后再选择相邻最近的分区遍历，作为起始遍历分区，因为分区之间的相对距离是一定的，所以存在2M种确定的遍历序列，极大降低了计算量。

而对于各连通域的排序，连接各分区顺序的问题，本发明采用启发式的遗传退火算法来进行求解，它结合了遗传算法种群的进化和模拟退火在进化中改进温度以加强限制的特点，可以使路径优化快速收敛，具体地：

当所述预设算法为遗传退火算法，则S4包括：

S40、确定遗传退火算法中每个角度对应的染色体的形式，其中，第q个角度对应的染色体的形式为：

从第q个角度中的第j个子域选取第i个分区的分区端点作为该子域的遍历起始点N_ijq，i＝1,2,……2m_qj，m_qj表示第q个角度中第j个子域的分区个数，S_jq表示第q个角度对应的第j个子域，1≤j≤n，n表示第q个角度对应的子域个数，分区端点为预设矩形的中心点；

S41、确定遗传退火算法中每个角度对应的适值函数，其中，T_q＝W(q)×t1+∑D_j(q)/v1+d/v2，T_q表示第q个角度对应的打印耗时，W(q)表示第q个角度对应的预设矩形的个数，t1表示单个预设矩形的曝光打印时间，D_j(q)表示第q个角度的第j个子域对应的路径长度，d表示中连接第q个角度对应的所有子域的空程长度，v1表示曝光移动速度，v2为空程移动速度；

S42、利用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径。

采用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，极大降低了计算量且能保证打印精度。其中，遗传退火算法的具体的算法设计及相关元素如下：

1)线路加权的机制：①每个点的盖章时间即单个预设矩形的曝光打印时间t1；②曝光移动速度v1③空程移动速度为v2③精度问题：直线误差与速度成正比(考虑到多轴控制系数不同)ε＝βv1(β为与控制系统有关的系数)，在选取曝光移动速度v1时要考虑精度要求；

2)确定遗传退火算法中每个角度对应的染色体的形式，第q个角度对应的染色体的形式为：

由此，可得到每个角度对应的染色体的形式，其中，N_i1q为人为预设置，不能改变；

3)确定遗传退火算法中每个角度对应的适值函数，其中，T_q＝W(q)×t1+∑D_j(q)/v1+d/v2，由此得到每个角度对应的适值函数；

4)确定交叉算子和变异算子：

①子域顺序进化主要靠交配来实现：对于这种非常规码的交配有两种方法可以选择：(1)常规交配法：随机选择一个交配位，两个后代交配位之前的基因分别继承双亲交配位之前的机翼，交配位之后的基因分别按异方基因的顺序选取不重基因；(2)不变位法：随机产生一个与染色体等维数的不变位向量，每个分量随机产生0/1，其中1表示不变，0表示变，变化方式按照(1)的方法顺序选取不重基因；

②分区排序进化靠变异来实现(子域遍历起点取范围内的随机数)，子域顺序变异采用移位遍历来实现(随机两个位置交换顺序)；

5)选择种群：利用模拟退火接受概率进行接受和拒绝并且选择种群，其中，退火接受概率为A_ij(t_k)＝min{1，exp(-(T(j)-T(i))/t_k},A_ij(t_k)为在i(染色体)状态下，接收j(染色体)状态的概率。

6)控制参数选择：①种群大小N：既要防止选择种群过大而造成计算量过大，也要防止种群过小导致收敛于局部最优(本发明取子域数的两倍)；②杂交概率P_c：取值适中，防止种群过快被破坏并且能得到最优解；③变异率P_n：各子域分区进化主要变异，所以分区子域变异率取较高值；而子域排序的变异率取较小值；

7)终止条件：①进化次数设定小于一定值；或者，②连续3-4代都没有出现更好的解；

8)初始群体：随机选取，防止早熟。

9)设置初始温度及温度迭代：采用数值计算估计的方法，给定X₀为0.9和迭代步数计算出t₀；温度迭代采用等比例下降。

执行S40至S42即利用遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时的过程，如下：

SCANNING()

{

for(n连通域)

{从(x_min，y_max)开始，按z字原则(横向优先)进行扫描，若无法再按这个规则走动(即进入死区)，则移动一个未遍历到的最近的点进行上述过程，并将上一阶段走动完成的点组合成一个分区，直到遍历完所有的点，即得到单个子域分区的情况}

计算初始温度值t₀；

给定群体规模maxpop，k:＝0；

初始温度tk:＝t0,群体随机选取；

While(不满足终止条件)

{在群体pop(k)中的每个染色体i∈pop(k)的邻域中随机选择以状态j∈N(i)计算模拟退火中的接受概率决定是否接受j；

迭代出新群体newpop(k+1)，记录下最小值T_min；

在newpop(k+1)中计算适应函数；

交配、变异得到mutpop(k+1)；

tk+1＝d(tk)；k＝k+1；pop(k)＝mutpop(k)；}

由此，确定出最低打印耗时对应的打印路径即最优打印路径，最优打印路径如图12中的虚线所示，也就是说，从起点到终点即恢复到起点之间的虚线和粗实线即为最优打印路径。

本申请的一种打印路径方法与“盖印章”相似，投影就是“盖”好一个“印章”(需要一定时间)之后在去下一个需要投影的地方“盖”下一个“印章”，直至所有存在图像的地方都被“印章”覆盖，“印章”即为预设矩形，印章的大小即预设矩形的大小，为投影仪所能(在精度要求范围内)投影的区域的大小，为了缩减盖印章的次数，不采用规则网格进行分块。而是针对不同的分块角度，用最少的矩形(矩形相对方向相同)将整个图像投影区域覆盖进行逐一“盖章”。

本发明以基于改进的x扫描的矩形分块方法覆盖图形，并且利用分块思想和遗传退火算法进行图像的多子域遍历能够优化基于DLP技术的光固化投影的遍历路径，结合精度要求，通过加权计算可以选取优化的路径从而大大缩短投影仪投影大幅面的时间，继而缩短整个零件辐照固化的打印时间。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况对调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图13所示，本发明实施例的一种打印路径规划系统200，包括获取模块210、分块模块220、分区模块230和确定最优打印路径模块240；

所述获取模块210用于根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

所述分块模块220用于利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

所述分区模块230用于采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

所述确定最优打印路径模块240用于根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

首先，通过优化的改进x扫描方法对待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形，然后采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，最后，根据预设算法优化遍历每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形的路径，既能保证打印精度，又能极大缩减打印二维分层切片图像中的待打印形状的空程长度，其中，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，进一步降低打印时间，提高打印效率。

较优地，在上述技术方案中，所述分块模块220具体用于：

利用改进x扫描方法对待打印形状按照任一角度进行x轴扫描，获取x轴与待打印形状的交点，利用预设矩形对已获得的多个交点之间的区域进行覆盖，得到该角度对应的多个预设矩形，直至得到每个角度所分别对应的多个预设矩形。

较优地，在上述技术方案中，当所述预设算法为遗传退火算法时，所述确定最优打印路径模块240具体用于：

确定遗传退火算法中每个角度对应的染色体的形式，其中，第q个角度对应的染色体的形式为：

从第q个角度中的第j个子域选取第i个分区的分区端点作为该子域的遍历起始点N_ijq，i＝1,2,……2m_qj，m_qj表示第q个角度中第j个子域的分区个数，S_jq表示第q个角度对应的第j个子域，1≤j≤n，n表示第q个角度对应的子域个数，分区端点为预设矩形的中心点；

确定遗传退火算法中每个角度对应的适值函数，其中，T_q＝W(q)×t1+∑D_j(q)/v1+d/v2，T_q表示第q个角度对应的打印耗时，W(q)表示第q个角度对应的预设矩形的个数，t1表示单个预设矩形的曝光打印时间，D_j(q)表示第q个角度的第j个子域对应的路径长度，d表示中连接第q个角度对应的所有子域的空程长度，v1表示曝光移动速度，v2为空程移动速度；

利用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径。

当确定某一子域中各分区的遍历顺序时，由于该子域中分区个数可能比较多，例如该子域有M个分区，按照需要计算2M！种排列顺序，即需要计算2M！种遍历顺序，效率非常低，本申请只需考虑2M个遍历起始点，可认为从该分区内选取一个预设矩形的分区端点即中心点作为遍历起始点，每次选定一个分区作为起始遍历分区，从该分区开始遍历，当遍历完毕后再选择相邻最近的分区遍历，作为起始遍历分区，因为分区之间的相对距离是一定的，所以存在2M种确定的遍历序列，然后，采用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径，极大降低了计算量。

较优地，在上述技术方案中，所述获取模块210具体用于：

采用跨平台计算机视觉库OpenCV中的approxPolyDP函数从待打印模型的任一二维分层切片图像得到所述待打印形状。

上述关于本发明的一种打印路径规划系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种打印路径规划方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例的一种3D打印机，包括控制器，所述控制器用于执行上述任一项所述的一种打印路径规划方法的步骤。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种打印路径规划方法，其特征在于，包括：

S1、根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

S2、利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

S3、采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

S4、根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

2.根据权利要求1所述的一种打印路径规划方法，其特征在于，所述S2包括：

利用改进x扫描方法对待打印形状按照任一角度进行x轴扫描，获取x轴与待打印形状的交点，利用预设矩形对已获得的多个交点之间的区域进行覆盖，得到该角度对应的多个预设矩形，直至得到每个角度所分别对应的多个预设矩形。

3.根据权利要求1或2所述的一种打印路径规划方法，其特征在于，所述预设算法为遗传退火算法，则S4包括：

S40、确定遗传退火算法中每个角度对应的染色体的形式，其中，第q个角度对应的染色体的形式为：

从第q个角度中的第j个子域选取第i个分区的分区端点作为该子域的遍历起始点N_ijq，i＝1,2,……2m_qj，m_qj表示第q个角度中第j个子域的分区个数，S_jq表示第q个角度对应的第j个子域，1≤j≤n，n表示第q个角度对应的子域个数，分区端点为预设矩形的中心点；

S41、确定遗传退火算法中每个角度对应的适值函数，其中，T_q＝W(q)×t1+∑D_j(q)/v1+d/v2，T_q表示第q个角度对应的打印耗时，W(q)表示第q个角度对应的预设矩形的个数，t1表示单个预设矩形的曝光打印时间，D_j(q)表示第q个角度的第j个子域对应的路径长度，d表示中连接第q个角度对应的所有子域的空程长度，v1表示曝光移动速度，v2为空程移动速度；

S42、利用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径。

4.根据权利要求1或2所述的一种打印路径规划方法，其特征在于，所述S1包括：

采用跨平台计算机视觉库OpenCV中的approxPolyDP函数从待打印模型的任一二维分层切片图像得到所述待打印形状。

5.一种打印路径规划系统，其特征在于，包括获取模块、分块模块、分区模块和确定最优打印路径模块；

所述获取模块用于根据待打印模型的任一二维分层切片图像得到待打印形状；

所述分块模块用于利用优化的改进x扫描方法，并按照预设角度增量对所述待打印形状进行分块，得到每个角度所分别对应的多个预设矩形；

所述分区模块用于采用按照z字扫描的方式并基于最优距离原则对每个角度所分别对应的多个预设矩形进行分区处理，得到每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形；

所述确定最优打印路径模块用于根据预设算法和每个角度对应的每个子域的每个分区的预设矩形得到最低打印耗时对应的打印路径，将所述最低打印耗时对应的打印路径确定为最优打印路径。

6.根据权利要求5所述的一种打印路径规划系统，其特征在于，所述分块模块具体用于：

利用改进x扫描方法对待打印形状按照任一角度进行x轴扫描，获取x轴与待打印形状的交点，利用预设矩形对已获得的多个交点之间的区域进行覆盖，得到该角度对应的多个预设矩形，直至得到每个角度所分别对应的多个预设矩形。

7.根据权利要求5或6所述的一种打印路径规划系统，其特征在于，当所述预设算法为遗传退火算法时，所述确定最优打印路径模块具体用于：

确定遗传退火算法中每个角度对应的染色体的形式，其中，第q个角度对应的染色体的形式为：

从第q个角度中的第j个子域选取第i个分区的分区端点作为该子域的遍历起始点N_ijq，i＝1,2,……2m_qj，m_qj表示第q个角度中第j个子域的分区个数，S_jq表示第q个角度对应的第j个子域，1≤j≤n，n表示第q个角度对应的子域个数，分区端点为预设矩形的中心点；

确定遗传退火算法中每个角度对应的适值函数，其中，T_q＝W(q)×t1+∑D_j(q)/v1+d/v2，T_q表示第q个角度对应的打印耗时，W(q)表示第q个角度对应的预设矩形的个数，t1表示单个预设矩形的曝光打印时间，D_j(q)表示第q个角度的第j个子域对应的路径长度，d表示中连接第q个角度对应的所有子域的空程长度，v1表示曝光移动速度，v2为空程移动速度；

利用配置每个角度对应的染色体和每个角度对应的适值函数的遗传退火算法得到每个角度对应的打印路径和打印耗时，选取最低打印耗时对应的打印路径作为最优打印路径。

8.根据权利要求5或6所述的一种打印路径规划系统，其特征在于，所述获取模块具体用于：

采用跨平台计算机视觉库OpenCV中的approxPolyDP函数从待打印模型的任一二维分层切片图像得到所述待打印形状。

9.一种3D打印机，其特征在于，包括控制器，所述控制器用于执行权利要求1至4任一项所述的一种打印路径规划方法的步骤。

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