CN114178553A - 一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法及系统 - Google Patents

一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法及系统，方法包括以下步骤：根据初始工艺参数，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据成型方向能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为若干个子集，以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；以第i个子集和第i‑1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复执行直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向；能扩大增材制造技术的模型一体化打印范围，将需要分体制造的工艺变为一体化直接制造工艺。

Description

一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法及系统
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法及系统。
背景技术
金属增材制造技术是以三维模型数据为驱动，以激光、电弧和电子束等作为热源将专用的金属材料熔化并按一定路径逐层堆积成型。按照材料的物理状态可以将其分为熔丝成型工艺和熔粉成型工艺两类。该工艺具有可加工材料种类广泛、成型件精度高、金属颗粒间发生冶金结合，零件力学性能优良等优点，广泛应用于航空工业和武器装备成型领域。但随着结构件的复杂性不断增加，传统工艺难以满足复杂精密构件直接一体化近净成型的要求。其中最佳成型方向的确定是其向复杂零件一体化制造方向推进的重要数据处理步骤之一。
(1)传统的处理方式主要依赖于人工经验，为了提高模型的打印成功率，一般将模型沿着与基板呈45°夹角的位置摆放。这种方式从全局角度考虑阶梯效应，难以控制模型的局部打印精度。
(2)复杂模型在打印过程中，其最佳成型方向会随着模型形心变化而改变。根据形心变化调整成型方向可以极大提高模型的可打印范围。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，在模型的前处理阶段找出最佳的成型方向，在最佳成型方向的基础上根据相邻轮廓的形心变化计算最佳实时方向。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，包括以下步骤：
初始化工艺参数，所述工艺参数包括层厚h、轮廓数m以及偏置距离d0；
根据初始工艺参数，在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；
以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h个子集，H为模型高度，h为层厚，以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
从第2层开始，以第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；
重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复寻找当前子集及其相邻的前一子集的切片轮廓形心连线，并将其作为下一子集的最佳成型方向，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向，具体如下：
以切片数目和体积偏差的加权和作为成型方向的能量函数：
Figure BDA0003385094980000021
式中vi为切片方向，ω为权因子(取ω＝0.5)，N(vi)为该方向的切片数，g(vi)取最小值得方向i即为模型的理论最佳切片方向；根据支撑数量对g(vi)进行修正，得到实际切片方向；权值ω确定后，根据(1)式的最小值确定初始最佳成型方向；以每层轮廓的外接矩形形心作为该轮廓的形心，若某一层仅存在一个形心时，则该层轮廓数据的最佳成型方向如式(2)所示：
Figure BDA0003385094980000031
式(2)中pi表示当前层的轮廓形心，pi-1表示上一层的轮廓形心，n总为层数；按照(2)式计算出当前层与上次层中所有成对出现的形心方向。
根据切片轮廓计算当前轮廓最小外接矩形，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形，当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，当轮廓为非对称图形时，分别求出偏置后的最小轮廓图形，同时更新轮廓数m，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。
按照(3)式计算出当前层的最佳成型方向，
Figure BDA0003385094980000032
式中ηk为当前轮廓的偏置次数，m为局部形心的数量，
Figure BDA0003385094980000033
为根据(2)式计算出的局部形心的最佳成型方向。
以初始成型方向作为z轴将模型摆正时，具体方法如下：
在成型之前对模型重新摆放，模型中各三角网格顶点的坐标更新方式如(4)式：
Figure BDA0003385094980000034
式中α，β和γ分别为成型方向与x，y，z轴的夹角，x1，y1，z1为模型重新摆放之前的数据坐标，x2，y2，z2为模型重新摆放之后的数据坐标。
另一方面，本发明提供一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定系统，包括初始化模块、初始成型方向确定模块、切片轮廓提取模块以及最佳成型方向计算模块；
初始化工艺参数，所述工艺参数包括层厚h、轮廓数m以及偏置距离d0；
初始成型方向确定模块用于根据初始工艺参数，在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；
切片轮廓提取模块用于以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h个子集，H为模型高度，h为层厚，以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
最佳成型方向计算模块用于从第2层开始，以第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复寻找当前子集及其相邻的前一子集的切片轮廓形心连线，并将其作为下一子集的最佳成型方向，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
最佳成型方向计算模块计算当前轮廓的最佳成型方向时，根据切片轮廓计算当前轮廓最小外接矩形，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形，当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，当轮廓为非对称图形时，分别求出偏置后的最小轮廓图形，同时更新轮廓数m，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。
另外，提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
同时提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：基于本申请所述最佳成型方向确定方法能扩大增材制造技术的模型一体化打印范围，将原本需要“分体制造+粘结剂连接”和“分体制造+焊接”的工艺变为一体化直接制造工艺，建立成型误差和打印时间之间的定量关系，可在给定误差范围内选定合理的层厚以提高成型效率。
附图说明
图1为原始的多重曲面模型。
图2为采用三角公差离散后的三角网格模型。
图3为不同位置的截面轮廓图，图中的剪头为对应层的最佳切片方向。
图4为初始成型方向确定的示意图。
图5为截面对称轮廓形心求取方案的情况示意图。
图6为截面非对称轮廓形心求取方案的情况示意图。
图7为当前轮廓的最佳成型方向计算流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
参考图1，增材制造中常用的三维模型为STL数据格式，STL格式是按照给定的离散精度采用三角面片逼近三维模型，存储过程中将每个三角面片的三个顶点坐标和法向量以二进制或ASCII的形式写入到STL文件中，不记录三角面片之间位置关系和毗邻信息。
参考图2、图3和图7，本发明提供一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，具体包括以下步骤：
根据成型工艺要求初始化层厚h、偏置间距d等初始工艺参数；在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据(1)(2)式计算最佳的初始成型方向；
以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h(H为模型高度，h为层厚)个子集；以以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
从第2层开始，根据(3)式分别计算第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；
按照(4)式重新摆放第i+1个子集中的三角面片，并重复执行第5)-6)步，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
成型方向确定是在加工前的数据处理阶段进行，避免由于计算时间的不确定性引起运动干涉。在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，如图4所示。
金属成型中最终成型件的质量主要受系统偏差(机械系统的随机扰动，境因素不确定等)和用户自定义参数(分区方式，扫描策略，层厚，扫描速度等)的影响。除成型系统随机因素而产生的不可控误差之外，用户自定义参数是否合理设置是决定最终成型质量的关键环节。其中分区方式，扫描策略和成型速度主要影响温度场的分布，通过仿真分析和在线监控手段对工艺参数调整，形成闭环控制；层厚是与模型密切相关的一个参数，当成型方向一定，层厚越小层数越多成型效率越低，因此，以切片数目和体积偏差的加权和作为成型方向的能量函数：
Figure BDA0003385094980000061
式中vi为切片方向，ω为权因子(取ω＝0.5)，N(vi)为该方向的切片数，g(vi)取最小值得方向i即为模型的理论最佳切片方向；根据支撑数量对g(vi)进行修正，得到实际切片方向。
权值ω确定后，可根据(1)式的最小值确定初始最佳成型方向；以每层轮廓的外接矩形形心作为该轮廓的形心。若某一层仅存在一个形心时，则该层轮廓数据的最佳成型方向如式(2)所示：
Figure BDA0003385094980000071
式(2)中pi表示当前层的轮廓形心，pi-1表示上一层的轮廓形心，n总为层数。
参考图7，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形。当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，如图5所示,当轮廓为非对称图形时，分别求出片偏置之后的最小轮廓图形，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，最小外接矩形如图6中所示。一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。忽略当前层新出现的局部形心对成型方向的影响，按照(2)式计算出当前层与上次层中所有成对出现的形心方向，按照(3)式计算出当前层的最佳成型方向。
Figure BDA0003385094980000072
式中ηk为当前轮廓的偏置次数，m为局部形心的数量，dm为根据(2)式计算出的局部形心的最佳成型方向。
由于当前切片方向为三维空间向量，因此需要在成型之前对模型重新摆放。模型中各三角网格顶点的坐标更新方式如(4)式所示。
Figure BDA0003385094980000073
式中α，β和γ分别为成型方向与x，y，z轴的夹角。x1，y1，z1为模型重新摆放之前的数据坐标。x2，y2，z2为模型重新摆放之后的数据坐标。
另一方面，本发明提供一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定系统，包括初始化模块、初始成型方向确定模块、切片轮廓提取模块以及最佳成型方向计算模块；
初始化模块用于初始化层厚h、轮廓数m，偏置距离d0等工艺参数；
初始成型方向确定模块用于根据初始工艺参数，在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；
切片轮廓提取模块用于以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h个子集，H为模型高度，h为层厚，以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
最佳成型方向计算模块用于从第2层开始，以第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复寻找当前子集及其相邻的前一子集的切片轮廓形心连线，并将其作为下一子集的最佳成型方向，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
最佳成型方向计算模块计算当前轮廓的最佳成型方向时，根据切片轮廓计算当前轮廓最小外接矩形，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形，当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，当轮廓为非对称图形时，分别求出偏置后的最小轮廓图形，同时更新轮廓数m，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于压缩感知和中心频率的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于压缩感知和中心频率的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。

Claims (9)

1.一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化工艺参数，所述工艺参数包括层厚h、轮廓数m以及偏置距离d0；
根据初始工艺参数，在单位球表面初始化若干均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据备选成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；
以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h个子集，H为模型高度，h为层厚，以以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
从第2层开始，以第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；
重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复寻找当前子集及其相邻的前一子集的切片轮廓形心连线，并将其作为下一子集的最佳成型方向，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
2.根据权利要求1所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，其特征在于，根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向，以切片数目和体积偏差的加权和作为成型方向的能量函数，具体如下：
Figure FDA0003385094970000011
式中vi为切片方向，ω为权因子(取ω＝0.5)，N(vi)为该方向的切片数，g(vi)取最小值得方向i即为模型的理论最佳切片方向；
根据支撑数量对g(vi)进行修正，得到实际切片方向；权值ω确定后，根据(1)式的最小值确定初始最佳成型方向；以每层轮廓的外接矩形形心作为该轮廓的形心，若某一层仅存在一个形心时，则该层轮廓数据的最佳成型方向如式(2)所示：
Figure FDA0003385094970000021
式(2)中pi表示当前层的轮廓形心，pi-1表示上一层的轮廓形心，n总为层数；按照(2)式计算出当前层与上次层中所有成对出现的形心方向。
3.根据权利要求2所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，其特征在于，根据切片轮廓计算当前轮廓最小外接矩形，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形，当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，当轮廓为非对称图形时，分别求出偏置后的最小轮廓图形，同时更新轮廓数m，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。
4.根据权利要求2所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，其特征在于按照(3)式计算出当前层的最佳成型方向，
Figure FDA0003385094970000022
式中ηk为当前轮廓的偏置次数，m为局部形心的数量，
Figure FDA0003385094970000023
为根据(2)式计算出的局部形心的最佳成型方向。
5.根据权利要求1所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法，其特征在于，以初始成型方向作为z轴将模型摆正时，具体方法如下：
在成型之前对模型重新摆放，模型中各三角网格顶点的坐标更新方式如(4)式：
Figure FDA0003385094970000024
式中α，β和γ分别为成型方向与x，y，z轴的夹角，x1，y1，z1为模型重新摆放之前的数据坐标，x2，y2，z2为模型重新摆放之后的数据坐标。
6.一种增材制造工艺中工件最佳成型方向确定系统，其特征在于，包括初始化模块、初始成型方向确定模块、切片轮廓提取模块以及最佳成型方向计算模块；
初始化模块用于初始化工艺参数，所述工艺参数包括层厚h、轮廓数m以及偏置距离d0；
初始成型方向确定模块用于根据初始工艺参数，在单位球表面初始化1000个均匀分布的坐标点，以原点到每个坐标点的单位向量为备选的成型方向，根据成型方向的能量函数和轮廓的外接矩形形心计算最佳的初始成型方向；
切片轮廓提取模块用于以初始成型方向作为z轴将模型摆正，同时按照三维模型中的三角面片z坐标最大值的大小顺序将其分为H/h个子集，H为模型高度，h为层厚，以初始成型方向为第1个子集的切片方向对其切片，并提取切片轮廓；
最佳成型方向计算模块用于从第2层开始，以第i个子集和第i-1个子集的切片轮廓形心连线作为第i+1个子集的最佳成型方向；重新摆放第i+1个子集中的三角面片，重复寻找当前子集及其相邻的前一子集的切片轮廓形心连线，并将其作为下一子集的最佳成型方向，直到切片结束，得到每一层的最佳成型方向。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，计算当前轮廓的最佳成型方向时，根据切片轮廓计算当前轮廓最小外接矩形，当单一轮廓数据的最小外接矩形长宽比大于0.8时，则将该轮廓判定为对称图形，反之为非对称图形，当轮廓为对称图形时以其外接矩形的形心近似代表轮廓形心，当轮廓为非对称图形时，分别求出偏置后的最小轮廓图形，同时更新轮廓数m，然后以其最小外接矩形的中心作为该轮廓所在区域的局部形心，一次求出同一层中所有轮廓的局部形心。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现权利要求1～5中任一项所述增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1～5中任一项所述的增材制造工艺中工件最佳成型方向确定方法。
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