CN113882677A - 面向混凝土3d打印的轨迹控制方法及系统 - Google Patents

面向混凝土3d打印的轨迹控制方法及系统 Download PDF

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CN113882677A CN202111477455.9A CN202111477455A CN113882677A CN 113882677 A CN113882677 A CN 113882677A CN 202111477455 A CN202111477455 A CN 202111477455A CN 113882677 A CN113882677 A CN 113882677A
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Abstract

本发明涉及一种面向混凝土3D打印的轨迹控制方法及系统。混凝土3D打印中不合理的打印路径会增加打印耗时和耗材，甚至还会导致打印失败。本发明的打印轨迹控制方法包括：获取打印路径点，创建路径向量；判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型；面向线段创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，计算打印换向点处所需的速度矢量；面向弧线创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，计算打印弧线每点上的速度矢量；在打印过程中根据路径类型实时调整当前打印喷头的运动速度。本发明将混凝土3D打印的路径类型分为线段类型和弧线类型，并进行速度矢量的优化，保证了3D打印在换向点和非换向点处的打印质量，同时又提高了打印效率。

Description

面向混凝土3D打印的轨迹控制方法及系统
技术领域
本发明涉及混凝土3D打印的轨迹数据处理方法，具体涉及一种面向混凝土3D打印的轨迹控制方法及系统。
背景技术
在混凝土建造领域，对于复杂的异形结构，传统的混凝土浇筑方式存在成本高、施工效率低、施工速度慢的缺陷，制约了传统混凝土浇筑在局部领域的发展。因此，结合现代工业发展，将混凝土浇筑和工业机器人相结合，应运而生了混凝土3D打印建造技术，其优点在于施工效率高，个性化程度强，尤其在异形结构构建中具有明显优势。
在3D打印之前，需要对打印路径进行预先规划，不合理的打印路径不仅会增加打印的耗时，增加耗材，甚至还会导致打印的失败，打印出残次品或废品。在实际打印中，合理的3D打印路径规划尤为重要，打印喷头根据所规划的路径以线成面，由面建体，在此过程中，由于打印喷头在平面中的快速联动，其惯性运动会造成打印轨迹不连续或者不规则的问题。如在直线路径打印的换向点上存在的换向打印突变问题，在曲线路径打印中的换向点上存在的曲率变形的问题等。因此3D打印的速度受到严格的控制，一般都采取缓慢均匀的打印方式，不仅降低了打印精度，更限制了打印速度，极大影响了3D打印的效率。因此如何设计一种面向混凝土3D打印的轨迹控制方法，使打印效率提升的同时不影响质量，成为3D打印需要解决的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向混凝土3D打印的轨迹控制方法及系统，以至少解决现有3D打印路径不规则、精度低，以及打印速度慢的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
面向混凝土3D打印的轨迹控制方法，所述方法包括以下步骤：
获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量；
基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型；
面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量；
面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量；
在打印过程中根据路径类型的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度。
进一步地，获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量包括：
对于任意打印路径L，得到打印路径点
Figure 216172DEST_PATH_IMAGE001
所述打印路径点表示为
Figure 371210DEST_PATH_IMAGE002
两个相邻打印路径点之间的向量表示为
Figure 437255DEST_PATH_IMAGE003
则路径向量
Figure 285125DEST_PATH_IMAGE004
为所有相邻打印路径点之间的向量逐次叠加，即
Figure 679197DEST_PATH_IMAGE006
。
进一步地，基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型包括：
取任意打印路径中的三个逐次相邻的打印路径点
Figure 513292DEST_PATH_IMAGE007
Figure 309210DEST_PATH_IMAGE008
Figure 327982DEST_PATH_IMAGE009
设定常数参数λ和μ，且
Figure 474929DEST_PATH_IMAGE010
若满足：
Figure 96403DEST_PATH_IMAGE011
则判断P 1 、P 2 和P 3 三点在同一条直线上，所打印的路径为线段类型，否则所打印的路径为弧线类型，将相邻打印路径点之间的向量表示为：
Figure 12407DEST_PATH_IMAGE013
。
进一步地，面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量包括：
在线段路径上，若存在打印路径点
Figure 936500DEST_PATH_IMAGE014
对于该点与前一打印路径点P k-1 和后一打印路径点P k+1 之间的向量分别为
Figure 446110DEST_PATH_IMAGE015
Figure 746642DEST_PATH_IMAGE016
该两个向量之间的夹角θ为：
Figure 782731DEST_PATH_IMAGE018
在线段路径的非换向点处，均匀的运动速度为v；
在线段路径的换向点k处，采用m点平滑的窗口进行轨迹控制；在当前打印路径点z位于换向点k的距离m范围以内时，即k-m≤z≤k+m时，设定打印喷头的行进速度为
Figure 877726DEST_PATH_IMAGE019
当打印喷头在极限k-m点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 123899DEST_PATH_IMAGE020
当打印喷头在极限k点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 962542DEST_PATH_IMAGE021
而在k-m点和k点之间的打印路径点上，打印喷头的行进速度逐渐线性减小，从而完成了在换向点处的轨迹控制。
进一步地，面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量包括：
在弧线路径上，假设存在相邻的三个打印路径点
Figure 587559DEST_PATH_IMAGE022
Figure 994400DEST_PATH_IMAGE023
Figure 337657DEST_PATH_IMAGE024
这三个相邻的打印路径点能确定唯一的圆形c经过P 4 、P 5 、P 6 点；设圆方程为
Figure 245570DEST_PATH_IMAGE025
将三个打印路径点带入到圆方程中：
Figure 990672DEST_PATH_IMAGE026
解得圆心(x c ，y c )和半径r c ；
P 4 与P 6 点之间线段长度为
Figure 552104DEST_PATH_IMAGE027
则得到P 4 点和圆心之间的连线与P 6 点与圆心之间的连线的夹角为
Figure 648236DEST_PATH_IMAGE028
在P 4 与P 6 点的弧形路径上加入n个虚拟路径点，将夹角
Figure 94260DEST_PATH_IMAGE029
进行n等分，在3D打印过程中，保持速度大小不变的情况下，在n个虚拟路径点上每次改变小角度
Figure 303656DEST_PATH_IMAGE030
，即当前打印喷头的行进速度大小为v，当前打印喷头的速度方向与y轴之间的夹角为
Figure 176934DEST_PATH_IMAGE031
的情况下，下一时刻在虚拟路径点上的打印喷头的行进速度大小保持不变为v，而速度方向与y轴之间的夹角变为了
Figure 494783DEST_PATH_IMAGE032
从而平缓弧线类型打印路径所产生的曲率变形。
面向混凝土3D打印的轨迹控制系统，所述系统用于完成上述任一项实施例的方法，包括：
获取模块，用于获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量；
判断模块，用于基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型；
第一计算模块，用于面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量；
第二计算模块，用于面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量。
进一步地，所述系统还包括：
调整模块，用于在打印过程中根据打印路径的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明将混凝土3D打印的路径类型分为线段类型和弧线类型，并进行速度矢量的优化，保证了3D打印在换向点和非换向点处的打印质量，同时又提高了打印效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实施例的附图。
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明的打印路径点创建路径向量示意图；
图3为本发明的线段路径换向点判断示意图；
图4为本发明的线段路径换向点处轨迹控制方法；
图5为本发明的弧线路径换向点处轨迹控制方法。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
应注意到，相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语 “第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。当然的，这样的对象在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”等以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
另外，本发明实施例中涉及的步骤“S1”、“S2”等仅为了方便技术方案的描述，便于理解实施例的具体步骤和内容，不应被理解为对步骤顺序的限制，任何仅对步骤顺序的变化都应在本发明的保护范围之内。
实施例1：
本发明提供的一种面向混凝土3D打印的轨迹控制方法，用于3D打印中进行轨迹控制。步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量。
S2：基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型。
S3：面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量。
S4：面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量。
S5 ：在打印过程中根据路径类型的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度。
如图2所示，对于3D打印中的任意路径L，可以得到打印路径点
Figure 478920DEST_PATH_IMAGE033
3D打印路径为平面范围内的可行路径，则打印路径点可以表示为
Figure 323248DEST_PATH_IMAGE002
两个相邻打印路径点之间的向量可以表示为
Figure 101848DEST_PATH_IMAGE034
则路径向量
Figure 172572DEST_PATH_IMAGE004
为所有相邻打印路径点之间的向量逐次叠加，即
Figure 960399DEST_PATH_IMAGE035
。
在3D打印中，对于不同的路径类型需要采用不同的打印方法，一般路径类型可以分为线段类型和弧线类型，由此两种类型的不断重复形成打印面，最终形成打印体。
取任意打印路径中的三个逐次相邻的打印路径点
Figure 144387DEST_PATH_IMAGE036
Figure 359468DEST_PATH_IMAGE037
Figure 386330DEST_PATH_IMAGE038
设定常数参数λ和μ，且
Figure 102482DEST_PATH_IMAGE039
若满足：
Figure 531189DEST_PATH_IMAGE011
则判断P 1 、P 2 和P 3 三点在同一条直线上，所打印的路径为线段类型，否则所打印的路径为弧线类型，将相邻打印路径点之间的向量表示为：
Figure 651592DEST_PATH_IMAGE041
对于线段类型的打印路径，在直线运动时，打印喷头均匀出料，可以满足混凝土3D打印的要求，但是在线段尽头的换向点处，由于打印喷头的加速度突变，需要将速度从当前降至0，再反向加速到打印速度，若还采取匀速打印的方式，则换向点处的打印不仅会造成材料冗余，更严重导致整个混凝土打印的失败。因此需要在临近换向点处和换向点处进行打印轨迹控制。
如图3所示，若存在打印路径点
Figure 696908DEST_PATH_IMAGE042
对于该点与前一打印路径点P k-1 和后一打印路径点P k+1 之间的向量分别为
Figure 701905DEST_PATH_IMAGE043
Figure 719539DEST_PATH_IMAGE044
该两个向量之间的夹角θ为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
如图4所示，在线段路径的非换向点处，均匀的运动速度为v。在线段路径的换向点k处，采用m点平滑的窗口进行轨迹控制；在当前打印路径点z位于换向点k的距离m范围以内时，即k-m≤z≤k+m时，设定打印喷头的行进速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE047
当打印喷头在极限k-m点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 135477DEST_PATH_IMAGE020
当打印喷头在极限k点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 136931DEST_PATH_IMAGE021
而在k-m点和k点之间的打印路径点上，打印喷头的行进速度逐渐线性减小，从而完成了在换向点处的轨迹控制。
对于弧线类型的打印路径，由于打印路径的相邻点之间形成的打印点向量在随处变化，并且在不同弧线路径上所产生的变化不同，因此很难规划出一种轨迹控制方法控制打印喷头的速度矢量，从而满足弧线路径的加速度矢量和速度矢量的变化要求。
如图5所示，假设在弧线类型的打印路径上存在相邻的三个打印路径点
Figure 680039DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE049
这三个相邻的打印路径点能确定唯一的圆形c经过P 4 、P 5 、P 6 点；设圆方程为
Figure 286601DEST_PATH_IMAGE025
将三个打印路径点带入到圆方程中：
Figure 545544DEST_PATH_IMAGE026
解得圆心(x c ，y c )和半径r c 。
P 4 与P 6 点之间线段长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
则得到P 4 点和圆心之间的连线与P 6 点与圆心之间的连线的夹角为
Figure 627769DEST_PATH_IMAGE028
。
在P 4 与P 6 点的弧形路径上加入n个虚拟路径点，将夹角
Figure 99202DEST_PATH_IMAGE029
进行n等分，在3D打印过程中，保持速度大小不变的情况下，在n个虚拟路径点上每次改变小角度
Figure 232374DEST_PATH_IMAGE030
，即当前打印喷头的行进速度大小为v，当前打印喷头的速度方向与y轴之间的夹角为
Figure 396639DEST_PATH_IMAGE031
的情况下，下一时刻在虚拟路径点上的打印喷头的行进速度大小保持不变为v，而速度方向与y轴之间的夹角变为了
Figure 107106DEST_PATH_IMAGE032
从而平缓弧线类型打印路径所产生的曲率变形。
实施例2：
本发明涉及了一种面向混凝土3D打印的轨迹控制系统，用于实现实施例1所涉及的方法，所述系统包括：
获取模块，用于获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量，用于实现实施例1中的步骤S1。
判断模块，用于基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型，用于实现实施例1中的步骤S2。
第一计算模块，用于面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量，用于实现实施例1中的步骤S3。
第二计算模块，用于面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量，用于实现实施例1中的步骤S4。
调整模块，用于在打印过程中根据打印路径的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度，用于实现实施例1中的步骤S5。
本领域技术人员可以理解，本发明实施例的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.面向混凝土3D打印的轨迹控制方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量；
基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型；
面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量；
面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量；
在打印过程中根据路径类型的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量包括：
对于任意打印路径L，得到打印路径点
Figure 366543DEST_PATH_IMAGE001
所述打印路径点表示为
Figure 486946DEST_PATH_IMAGE002
两个相邻打印路径点之间的向量表示为
Figure 532262DEST_PATH_IMAGE003
则路径向量
Figure 255368DEST_PATH_IMAGE004
为所有相邻打印路径点之间的向量逐次叠加，即
Figure 335319DEST_PATH_IMAGE006
。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型包括：
取任意打印路径中的三个逐次相邻的打印路径点
Figure 361044DEST_PATH_IMAGE007
Figure 972285DEST_PATH_IMAGE008
Figure 436764DEST_PATH_IMAGE009
设定常数参数λ和μ，且
Figure 308905DEST_PATH_IMAGE010
若满足：
Figure 567848DEST_PATH_IMAGE011
则判断P 1 、P 2 和P 3 三点在同一条直线上，所打印的路径为线段类型，否则所打印的路径为弧线类型，将相邻打印路径点之间的向量表示为：
Figure 650074DEST_PATH_IMAGE013
。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量包括：
在线段路径上，若存在打印路径点
Figure 652665DEST_PATH_IMAGE014
对于该点与前一打印路径点P k-1 和后一打印路径点P k+1 之间的向量分别为
Figure 379312DEST_PATH_IMAGE015
Figure 74736DEST_PATH_IMAGE016
该两个向量之间的夹角θ为：
Figure 660569DEST_PATH_IMAGE018
在线段路径的非换向点处，均匀的运动速度为v；
在线段路径的换向点k处，采用m点平滑的窗口进行轨迹控制；在当前打印路径点z位于换向点k的距离m范围以内时，即k-m≤z≤k+m时，设定打印喷头的行进速度为
Figure 138955DEST_PATH_IMAGE019
当打印喷头在极限k-m点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 782426DEST_PATH_IMAGE020
当打印喷头在极限k点时，当前打印喷头的行进速度为
Figure 711068DEST_PATH_IMAGE021
而在k-m点和k点之间的打印路径点上，打印喷头的行进速度逐渐线性减小，从而完成了在换向点处的轨迹控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量包括：
在弧线路径上，假设存在相邻的三个打印路径点
Figure 705569DEST_PATH_IMAGE022
Figure 987645DEST_PATH_IMAGE023
Figure 751202DEST_PATH_IMAGE024
这三个相邻的打印路径点能确定唯一的圆形c经过P 4 、P 5 、P 6 点；设圆方程为
Figure 601478DEST_PATH_IMAGE025
将三个打印路径点带入到圆方程中：
Figure 20958DEST_PATH_IMAGE026
解得圆心(x c ，y c )和半径r c ；
P 4 与P 6 点之间线段长度为
Figure 169042DEST_PATH_IMAGE027
则得到P 4 点和圆心之间的连线与P 6 点与圆心之间的连线的夹角为
Figure 521526DEST_PATH_IMAGE028
在P 4 与P 6 点的弧形路径上加入n个虚拟路径点，将夹角
Figure 57550DEST_PATH_IMAGE029
进行n等分，在3D打印过程中，保持速度大小不变的情况下，在n个虚拟路径点上每次改变小角度
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，即当前打印喷头的行进速度大小为v，当前打印喷头的速度方向与y轴之间的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的情况下，下一时刻在虚拟路径点上的打印喷头的行进速度大小保持不变为v，而速度方向与y轴之间的夹角变为了
Figure DEST_PATH_IMAGE032
从而平缓弧线类型打印路径所产生的曲率变形。
6.面向混凝土3D打印的轨迹控制系统，其特征在于：
所述系统用于完成权利要求1-5任一项所述的方法，包括：
获取模块，用于获取打印路径点，根据所述打印路径点创建路径向量；
判断模块，用于基于所述路径向量，判断所打印的路径类型为线段类型还是弧线类型；
第一计算模块，用于面向所述线段类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印换向点处所需的速度矢量；
第二计算模块，用于面向所述弧线类型，创建三个相邻节点的路径矢量矩阵，根据该路径矢量矩阵计算打印弧线每点上的速度矢量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述系统包括：
调整模块，用于在打印过程中根据打印路径的不同，实时调整当前打印喷头的运动速度。
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