CN114834044B - 一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，本发明通过向增材制造设备导入所需成型件的三维模型，获取每层的切片轮廓，然后切片轮廓依照所需的扫描方向进行旋转、偏置，偏置为路径的Offset部分；在Offset部分的基础上，得到路径Zigzag部分基准，在Zigzag部分基准的基础上生成扫描线，根据扫描线与交点数量进行分层和分区，并将分区结果和分区信息保存；根据分区信息，在每个分区在生成Z字形路径的同时沿分区图一侧建立可行的连接，当可行的连接不存在时，重新搜索分区图，当全部分区均被使用后，得到偏置部分外的所有路径。本发明通过优化后的分区连接算法可以减少增材制造成型中的起头次数并减少成型时间。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)是一种新兴的制造技术，具有节省原材料、生产效率高、能够成型复杂形状零件等优点，在航空、航天、医疗等领域具有广阔的应用前景。粉末床增材制造技术是增材制造技术研究与开发的一个重点方向，包括选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术、电子束熔化技术等。
增材制造是逐层沉积材料快速制造三维实体零件的工艺。区别于传统减材制造和等材制造，其在材料利用率、加工零件的复杂性、缩短产品周期等方面有很大优势。
增材制造路径规划算法对成型性能和成型时间有很大影响，目前主要使用的算法有Z字形，轮廓偏置，以及两者复合。
常规的扫描方式主要有平行线扫描、棋盘格扫描、等距线扫描等扫描方式，目前针对增材制造实体成型路径规划的分区复合算法中，对分区之间的处理往往没有明确的算法描述，存在不连接、怪异拐角、不提供连线算法等问题，
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法。
本发明的技术方案为：一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，包括以下步骤：
S1)、向增材制造设备导入所需成型件的三维模型；
S2)、根据成型件的三维模型，获取成型件每层的切片轮廓；
S3)、选择未进行路径规划的切片轮廓j0，并对该层切片轮廓j0依照所需的扫描方向旋转角度α，作为路径规划的基础j1；
S4)、根据工艺和输入的路径规划参数j1进行偏置，其中，偏置距离为poffset，然后保存所有偏置后的路径作为路径规划的Offset部分，记为joffset，并在Offset部分的最内侧路径组的基础上再进行一次偏置，其中，偏置距离为pzigzag，偏置得到的结果v2为路径Zigzag部分的基础；
S5)、在v2的基础上生成扫描线，根据扫描线与v2交点数量对v2进行分层和分区处理，并把扫描线与v2布尔交的结果保存在分区信息中；
S6)、根据分层分区信息，在相邻层的每个分区间建立单向边，得到分区图；
S7)、选择一个未使用的分区顶点作为起始分区v，如果起始分区v有起始扫描线方向相反的两种预计扫描方向，则将起始分区v标记为已使用；
如果没有，则将起始分区v标记未使用分区，然后转到步骤S10)；
S8)、在步骤S7)的基础上，选择与标记的起始分区v相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与标记的起始分区v两种情况下预计路径终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点，生成Zigzag路径，然后将生成的Zigzag路径和起始分区的路径合并，记为p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则将起始的一种预计Zigzag路径作为Zigzag部分的一个部分，然后转到步骤S7)；
S9)、选择与v3相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与p终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点生成Zigzag路径，然后将生成Zigzag的路径和起始分区的路径合并，代替p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则把p作为Zigzag部分的一个部分，清空p，转到步骤S7)；
重复步骤S9)；
S10)、然后将Zigzag部分和Offset部分保存到列表或数组中，旋转角度-α，得到此层的路径规划结果；
S11)、对各层切片轮廓重复步骤S3-10)，得到全部轮廓的路径规划。
作为优选的，步骤S8)中的满足的条件为：
所述的起始分区v的扫描线终点和其相邻的未使用分区v1的其中一个扫描线起点相连得到的线段满足如下条件：
1)、长度不大于两倍扫描线间隔；
2)、完全在Offset部分最内一层内部；
3)、如果v或者v1包含的扫描线数量为0，视为满足条件。
作为优选的，步骤S9)中也相应满足上述条件。
本发明的有益效果为：
1、本发明使用扫描线分区，即使用扫描线与轮廓的交点个数为标志进行分区，其算法简单，规划路径效率高；
2、本发明通过轮廓分区方式当成轮廓拓扑结构并退化为图论问题解决，通过在图的顶点和路径中添加信息已在图论问题中不完全省略原问题信息；
3、本发明可以减少增材制造成型中的起头次数并减少成型时间，对于WAAM可以优化成型性能。
附图说明
图1为本发明的分区连接的总体流程图；
图2为本发明扫描线分区的流程图；
图3为本发明扫描线分区图和分区图示例；
图4为本发明分区连接流程图；
图5为本发明路径示例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图4所示，本实施例提供一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，包括以下步骤：
S1)、向增材制造设备导入所需成型件的三维模型；
S2)、根据成型件的三维模型，获取成型件每层的切片轮廓；
S3)、选择未进行路径规划的切片轮廓j0，并对该层切片轮廓j0依照所需的扫描方向旋转角度α，作为路径规划的基础j1；
S4)、根据工艺和输入的路径规划参数j1进行偏置，其中，偏置距离为poffset，然后保存所有偏置后的路径作为路径规划的Offset部分，记为joffset，并在Offset部分的最内侧路径组的基础上再进行一次偏置，其中，偏置距离为pzigzag，偏置得到的结果v2为路径Zigzag部分的基础；
S5)、在v2的基础上生成扫描线，根据扫描线与v2交点数量对v2进行分层和分区处理，并把扫描线与v2布尔交的结果保存在分区信息中；
S6)、根据分层分区信息，在相邻层的每个分区间建立单向边，得到分区图；
S7)、选择一个未使用的分区顶点作为起始分区v，如果起始分区v有起始扫描线方向相反的两种预计扫描方向，则将起始分区v标记为已使用；
如果没有，则将起始分区v标记未使用分区，然后转到步骤S10)；
S8)、在步骤S7)的基础上，选择与标记的起始分区v相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与标记的起始分区v两种情况下预计路径终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点，生成Zigzag路径，然后将生成的Zigzag路径和起始分区的路径合并，记为p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则将起始的一种预计Zigzag路径作为Zigzag部分的一个部分，然后转到步骤S7)；
S9)、选择与v3相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与p终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点生成Zigzag路径，然后将生成Zigzag的路径和起始分区的路径合并，代替p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则把p作为Zigzag部分的一个部分，清空p，转到步骤S7)；
重复步骤S9)；
S10)、然后将Zigzag部分和Offset部分保存到列表或数组中，旋转角度-α，得到此层的路径规划结果；
S11)、对各层切片轮廓重复步骤S3-10)，得到全部轮廓的路径规划。
作为优选的，步骤S8)中的满足的条件为：
所述的起始分区v的扫描线终点和其相邻的未使用分区v1的其中一个扫描线起点相连得到的线段满足如下条件：
1)、长度不大于两倍扫描线间隔；
2)、完全在Offset部分最内一层内部；
3)、如果v或者v1包含的扫描线数量为0，视为满足条件。
作为优选的，步骤S9)中也相应满足上述条件。
作为本实施例优选的，步骤S1)中，每层所述的切片轮廓分为Offset部分和Zigzag部分，其中，Offset部分是指路径的偏置，Zigzag部分是指Offset部分后未填充部分的Z字形路径。参见图1所示。
作为本实施例优选的，步骤S4)中，所述的偏置次数与工艺和成型模型有关，例如，FDM的偏置次数为10次以内，WAAM的偏置次数为1-2次，且偏置不宜出现自相交和互相交的情况，偏置部分完成后，在Offset部分的最内侧路径组的基础上偏置一段作为分区的基准轮廓。
作为本实施例优选的，步骤S5)中，使用扫描线与轮廓的交点个数为标志进行分区。分区流程图见图2所示。
作为本实施例优选的，规定Zigzag部分增材制造路径由扫描线与轮廓的布尔交结果相连组成，相连的直线必须是相邻扫描线求交的结果，且路径方向相反，其连接是直线或轮廓的偏置。
作为本实施例优选的，Zigzag部分的成型部分在Offset部分内部，规定分区连接在分区图的一个基本路径内描述，其起始分区的一个扫描线方向可以随意选择，其他则需要满足相邻反向原则。
作为本实施例优选的，在分区流程中，把扫描线和分区按扫描线层片作为分区图顶点处理，按序号最小方式判断连接的存在性，连接不存在则另起一个基本路径，但完全基本路径集合完成时，Zigzag部分即完成。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、向增材制造设备导入所需成型件的三维模型；
S2)、根据成型件的三维模型，获取成型件每层的切片轮廓；
S3)、选择未进行路径规划的切片轮廓j0，并对该层切片轮廓j0依照所需的扫描方向旋转角度α，作为路径规划的基础j1；
S4)、根据工艺和输入的路径规划参数j1进行偏置，其中，偏置距离为poffset，然后保存所有偏置后的路径作为路径规划的Offset部分，记为joffset，并在Offset部分的最内侧路径组的基础上再进行一次偏置，其中，偏置距离为pzigzag，偏置得到的结果v2为路径Zigzag部分的基础；
S5)、在v2的基础上生成扫描线，根据扫描线与v2交点数量对v2进行分层和分区处理，并把扫描线与v2布尔交的结果保存在分区信息中；
S6)、根据分层分区信息，在相邻层的每个分区间建立单向边，得到分区图；
S7)、选择一个未使用的分区顶点作为起始分区v，如果起始分区v有起始扫描线方向相反的两种预计扫描方向，则将起始分区v标记为已使用；
如果没有，则将起始分区v标记未使用分区，然后转到步骤S10)；
S8)、在步骤S7)的基础上，选择与标记的起始分区v相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与标记的起始分区v两种情况下预计路径终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点，生成Zigzag路径，然后将生成的Zigzag路径和起始分区的路径合并，记为p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则将起始的一种预计Zigzag路径作为Zigzag部分的一个部分，然后转到步骤S7)；
S9)、在步骤S8)的基础上，选择与v相邻的未使用分区v1，考察其第一条扫描线与p终点连线的情况，如果满足条件，则将已满足条件的顶点作为此分区的起点生成Zigzag路径，然后将生成Zigzag的路径和起始分区的路径合并，代替p，并把此分区标记为已使用，并替换v；
如果不满足条件或者没有相邻的未使用分区，则把p作为Zigzag部分的一个部分，清空p，转到步骤S7)；
重复步骤S9)；
S10)、然后将Zigzag部分和Offset部分保存到列表或数组中，旋转角度-α，得到此层的路径规划结果；
S11)、对各层切片轮廓重复步骤S3-10)，得到全部轮廓的路径规划；
其中，步骤S8)和S9)满足的条件为：
所述的起始分区v的扫描线终点和其相邻的未使用分区v1的其中一个扫描线起点相连得到的线段满足如下条件：
1)、长度不大于两倍扫描线间隔；
2)、完全在Offset部分最内一层内部；
3)、如果v或者v1包含的扫描线数量为0，视为满足条件。
2.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：每层所述的切片轮廓分为Offset部分和Zigzag部分，其中，Offset部分是指路径的偏置，Zigzag部分是指Offset部分最内一层的偏置为基准的Z字形路径。
3.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：偏置次数与工艺和成型模型有关，其中，FDM的偏置次数为10次以内，WAAM的偏置次数为1-2次，且偏置不宜出现自相交和互相交的情况，偏置部分完成后，在Offset部分的最内侧路径组的基础上再偏置一段距离作为分区的基准轮廓。
4.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：使用扫描线与轮廓的交点个数为标志进行分区。
5.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：规定Zigzag部分增材制造路径由扫描线与轮廓的布尔交结果相连组成，相连的直线必须是相邻扫描线求交的结果，且路径方向相反，其连接是直线或轮廓的偏置。
6.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：Zigzag部分的成型部分在Offset部分内部，规定分区连接在分区图的一个基本路径内描述，其起始分区的一个扫描线方向可以随意选择，其他则需要满足相邻反向原则。
7.根据权利要求1所述的一种无权重的扫描线分区连接增材制造路径规划方法，其特征在于：在分区流程中，把扫描线和分区按扫描线层片作为分区图顶点处理，按序号最小方式判断连接的存在性，连接不存在则另起一个基本路径，当基本路径集合完全完成，Zigzag部分即完成。
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