CN115056490B - 一种“s”型贴壁填充的连续路径生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，包括以下步骤：将STL模型输入切片软件，得到模型的切片轮廓文件；计算模型的包络盒AABB3D，设定壁厚、壁走线次数、填充密度；指定两个提升点，分别生成裁剪线段；生成剪裁矩形系列，每个剪裁矩形的四个顶点按指定顺序排列；对每一层轮廓，分别获得外壁的连续打印路径以及内壁“S”型填充路径，并将外壁与内壁路径合并；遍历每一层轮廓，连接第i层轮廓终点与第i+1层轮廓起点，获得整体打印路径规划方案。该方法实现了模型的外壁部分的连续打印方案，能够准确反映模型的特征信息，且处理效率高，能够显著减少材料使用，降低成本；方法逻辑简单，鲁棒性好。

Description

一种“S”型贴壁填充的连续路径生成方法
技术领域
本发明属于计算机辅助制造CAM(Computer aided manufacturing)技术领域，具体涉及一种”S”型贴壁填充的连续路径生成方法。
背景技术
随着计算机技术、材料成型技术的快速发展，三维打印技术成为了当前制造领域广泛应用的一种先进制造技术。利用分层制造的原理，三维打印技术逐层堆积材料以得到设计实现，特别适合制造具有复杂形状与拓扑的三维零件。
应用于聚合物的大规模3D打印技术是一种近年来新兴的3D打印技术，该打印方案以碳纤维聚合物作为打印原料。材料被加热后可呈熔浆状态，电机驱动挤出后，由位于挤出头的圆柱形压辊压实。得益于碳纤维聚合物材料的应用，打印产品成型后具有优异的力学性能表现。这种打印方式在模具制造方面具有明显的优势和较大的应用前景。
在三维打印技术中，主要包括制造工艺规划与设备制造实体零件两个关键环节。在硬件设备制造实体方面，由于该打印方法在制造原理上与挤出式三维打印机类似，通过在现有成熟三维打印成熟硬件设备上进行调整便可设计出可用于大规模三维打印的打印设备，现有市场上已有相关产品。然而，在制造工艺规划方面，仍然需要开展大量研究。
在打印过程中，为了更好利用碳纤维材料的优势，需要尽量减少跳刀过程(喷头移动不进行挤出动作)以保证碳纤维强度。同时，由于打印耗材较为昂贵，且材料性质较为优异，需要利用较少的填充使打印产品具有足够的性能。
在已公开的三维打印路径规划专利相关专利中，关于如何在有效减少跳刀过程，并以最少填充优化结构性能的讨论暂时较少。现有三维打印路径规划技术方法中存在多次跳刀，无法做到贴壁填充，导致技术方案很难在大规模3D打印技术中有效应用。
发明内容
为了解决大规模3D打印技术中的连续打印以及内壁填充问题，本发明提供一种”S”型贴壁填充的连续路径生成方法，该方法通过S型连接的方式，实现模型的贴壁填充；外壁部分通过螺旋线的规划方法，实现了外壁部分的路径规划。结合外壁及填充，本方法可以在不断刀的情况下完成整个模型的打印过程。该方法步骤明确，逻辑清晰，鲁棒性好。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种”S”型贴壁填充的连续路径生成方法，包括以下步骤：
步骤一：将STL模型输入切片软件，得到模型的切片轮廓文件；
步骤二：计算模型的包络盒AABB3D，设定壁厚S、壁走线次数N、填充密度D；
步骤三：指定两个提升点LPT1(x1,y1)与LPT2(x2,y2)，分别生成裁剪线段Cseg1与Cseg2；
步骤四：生成剪裁矩形系列Frect，每个剪裁矩形的四个顶点按指定顺序排列；
步骤五：对每一层轮廓，分别获得外壁的连续打印路径以及内壁“S”型填充路径，并将外壁与内壁路径合并；
其中，对于偶数层轮廓：
所述外壁的连续打印路径的执行步骤如下：
(1)对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
(2)将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg1求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT1最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
(3)遍历Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
所述内壁“S”型填充路径的执行步骤如下：
(1)将原始轮廓按照偏置距离(N+1)×S进行偏置，将剪裁矩形系列Frect与偏置后的轮廓求交，得到多个裁剪轮廓；
(2)调整轮廓方向，使之与对应剪裁矩形方向相同；
(3)对于每个裁剪轮廓，计算轮廓中与对应剪裁矩形中第1点最近的点作为裁剪轮廓起点；计算轮廓中与对应剪裁矩形中第3点最近的点作为轮廓终点；
(4)将调整后的裁剪轮廓按顺序连接，获得“S”型贴壁填充路径；
其中，对于奇数层轮廓：
所述外壁的连续打印路径的执行步骤如下：
(1)对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
(2)将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg2求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT2最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
(3)遍历Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
所述内壁“S”型填充路径的执行步骤如下：按照偶数层轮廓内壁“S”型填充方法获得贴壁填充路径，将该路径取反，获得反向的“S”型填充路径作为奇数层填充路径。
步骤六：遍历每一层轮廓，连接第i层轮廓终点与第i+1层轮廓起点，获得整体打印路径规划方案。
进一步地，步骤二中，模型的包络盒为矩形包络盒，通过遍历切片文件或者数据中的点得到包络盒最小值点min3D(Xmin,Ymin,Zmin)，最大值点max3D(Xmax,Ymax,Zmax)，它们组成包络盒AABB3D。
进一步地，步骤三中，所述外壁起始点裁剪线段生成的步骤如下：
(1)将模型的包络盒AABB3D在XOY平面投影，判断包络盒长边方向：若 (Ymax-Ymin)>(Xmax-Xmin),则长边方向定义为Y方向；反之，长边方向为X方向；
(2)从投影后的包络盒AABB3D的轮廓上的长边上选取两点，作为提升点LPT1(x1,y1) 与LPT2(x2,y2)；
(3)根据长边方向，分别利用提升点LPT1与提升点LPT2生成裁剪线段Cseg1和Cseg2:若长边方向为Y方向，裁剪线段Cseg1的两个端点分别为(Xmin,y1),(Xmax,y1)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(Xmin,y2),(Xmax,y2)；若长边方向为X方向，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x1,Ymin),(x1,Ymax)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x2,Ymin),(x2,Ymax)。
进一步地，所述剪裁矩形系列Frect通过如下方式生成：
(1)若长边方向为Y方向，则定义填充方向为Y方向，令填充距离Flength＝(y2-y1)；反之，则定义填充方向为X方向，Flength＝(x2-x1)；
(2)沿着填充方向，按照线段间隔Fdis＝Flength/D，将模型的包络盒AABB3D在XOY平面的投影划分成多个矩形，形成填充矩形集Frect；
若填充方向为Y方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(Xmin,y1)…(Xmin, y1+n×Fdis)…(Xmin,y1+(D)×Fdis)以及(Xmax,y1)…(Xmax,y1+n×Fdis)…(Xmax,y1+(D)× Fdis)的顺序存入填充点集合Fpts；
若填充方向为X方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(x1,Ymin)…(x1+n×Fdis,Ymin)…(x1+(D)×Fdis,Ymin)以及(x1,Ymax)…(x1+n×Fdis,Ymax)…(x1+(D)× Fdis,Ymax)的顺序存入填充点集合Fpts；
所述填充点集合Fpts中有2D+2个点；
所述填充矩形集Frect中每个矩形的四个顶点的存储顺序为i,D+1+i,D+2+i,i+1；
(3)根据提升点LPT1调整矩形中点的存储顺序：
在首个剪裁矩形中，若剪裁矩形中第1点与提升点LPT1的距离小于等于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序不变，第奇数个矩形中点的顺序调整为：单一矩形中的四个点的顺序修改方案为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；
在首个剪裁矩形中，若矩形中第1点与提升点LPT1的距离大于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序调整为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；第奇数个矩形中点的顺序不变。
进一步地，所述步骤五中的外壁的连续打印路径的生成步骤如下：
(1)在clipper库中新建Paths对象Spaths，将原始轮廓Tpoly输入clipper库，并输入偏置距离，偏置次数为N次；其中，首次偏置的偏置距离为壁厚S，第n次的偏置距离为(n+1)× S；将原始轮廓Tpoly同偏置轮廓按照偏置顺序依次存入Spaths对象中；
(2)统一Spaths对象中轮廓的方向：计算Spaths对象中每个闭合轮廓的面积，当闭合轮廓的面积为正时，轮廓方向为顺时针；当闭合轮廓的面积为负时，轮廓方向为逆时针；依次遍历轮廓，将轮廓方向为逆时针的闭合轮廓取反，从而将所有闭合轮廓的方向统一为顺时针。
进一步地，步骤五中，为了使不同层壁之间的连接为了更加连续，提升光滑度，在对轮廓的数据点重新排序后，在轮廓的起点和终点之间指定连接过渡距离，具体为：按照轮廓的反方向求得与起始点距离为连接过渡距离的点作为轮廓的终点，并沿着轮廓的反方向，将当前的轮廓的起始点与终点之间的点舍弃。
进一步地，步骤五中，所述内壁“S”型填充路径的具体步骤如下：
(1)利用clipper对原始轮廓做偏置运算，偏置距离为(N+1)×S，得到偏置轮廓ToffsetPath；
(2)在clipper库将偏置轮廓ToffsetPath和剪裁矩形系列Frect输入clipper库，进行求交处理，获得裁剪轮廓系列Tpaths，剪裁轮廓系列与剪裁矩形系列一一对应；
(3)对于每个裁剪轮廓Tpath，调整轮廓方向，具体方法为：在clipper中，分别计算裁剪轮廓Tpath与对应剪裁矩形的面积，若两者面积的乘积小于0，则将裁剪轮廓反向；反之，裁剪轮廓方向不变。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的路径规划方案分为模型外壁部分的路径规划以及模型填充部分的路径规划。在外壁部分的路径规划方案中，提出了能够适应多圈外壁的不断丝的连续路径生成算法。通过基于原始模型的偏置，得到偏置轮廓，然后统一偏置轮廓的起始点以及方向，基于”外圈尾部点练内圈头部点”的螺旋形连接方法。从而实现了模型的外壁部分的连续打印方案。该方案能够准确反映模型的特征信息。
(2)在填充部分的路径规划方案中，提出了能够贴合模型内壁的”S”型路径填充生成算法。利用裁剪矩形分别与偏置轮廓的不同求交方法，得到了S型的内部路径连接方案。得到填充方案能够贴合模型的内壁，起到提高模型内部强度的作用，并明显减少了填充材料的使用量。
(3)将模型外壁部分路径规划方案以及贴壁”S”型填充方案组合使用，便可实现模型单层路径规划，生成连续的路径。
(4)在不同层的连接过程中，提出了交替提升点的方法，创造性实现了不同层之间的连续打印功能。
(5)本发明的规划方案因运算量小具有较高的处理效率，同时能够显著减少材料使用，降低成本。算法逻辑简单，鲁棒性好，可以作为大规模3D打印的连续路径规划方法。
附图说明
图1为本发明的”S”型贴壁填充的连续路径生成方法的流程示意图。
图2为模型外壁部分的连续路径规划示意图。
图3为模型填充部分的”S”型贴壁填充路径规划示意图。
图4为举例的一种模具的三维模型。
图5为模型的外壁及”S”型填充路径实例图。
图6为模型整体打印路径规划实例图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于”S”型贴壁填充的连续路径规划方法，具体实施步骤如下：
步骤一：将STL模型输入切片软件，得到模型的切片轮廓文件；
以上步骤一中，针对的切片轮廓文件可由切片获得，切片轮廓应为单连通轮廓；由于多连通轮廓的特点，连续打印会增加走线，浪费材料，无需遵守连续打印规则。在处理时直接跳过。
步骤二：计算模型的包络盒AABB3D，设定壁厚S、壁走线次数N、填充密度D；
以上步骤二中，壁厚S、壁走线次数N以及填充密度D一般根据具体情况来定，因不同的打印要求而异。
模型的包络盒为aabb矩形包络盒，通过遍历切片文件或者数据中的点获得，属于三维模型处理中的基础运算，不再详述。得到包络盒最小值点min3D(Xmin,Ymin,Zmin)，最大值点 max3D(Xmax,Ymax,Zmax)，它们组成包络盒AABB3D。
步骤三：指定两个提升点LPT1(x1,y1)与LPT2(x2,y2)，分别生成裁剪线段Cseg1与Cseg2；
如图2所示，以上步骤三中，提升点指定可由用户选择；提升点指定的目的在于统一喷头的提升位置，使得喷头在同一位置提升。提升点通常被指定在模具的非加工面，原因是非加工面对加工过程中精度要求不高。依据实际应用中的应用需求，作为一种优选，选择模型包络盒AABB3D在在长边同侧位置指定提升点，提升点关于包络盒的中心对称。所述外壁起始点裁剪线段生成的步骤如下：
(1)将模型的包络盒AABB3D在XOY平面投影，判断包络盒长边方向：若(Ymax-Ymin)>(Xmax-Xmin),则长边方向定义为Y方向；反之，长边方向为X方向；
(2)从投影后的包络盒AABB3D的轮廓上的长边上选取两点，作为提升点LPT1(x1,y1) 与LPT2(x2,y2)；
(3)根据长边方向，分别利用提升点LPT1与提升点LPT2生成裁剪线段Cseg1和Cseg2:若长边方向为Y方向，裁剪线段Cseg1的两个端点分别为(Xmin,y1),(Xmax,y1)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(Xmin,y2),(Xmax,y2)；若长边方向为X方向，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x1,Ymin),(x1,Ymax)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x2,Ymin),(x2,Ymax)。
步骤四：生成剪裁矩形系列Frect，每个剪裁矩形的四个顶点按指定顺序排列；
如图3所示，以上步骤四中，所述剪裁矩形系列Frect通过如下方式生成：
(1)若长边方向为Y方向，则定义填充方向为Y方向，令填充距离Flength＝(y2-y1)；反之，则定义填充方向为X方向，Flength＝(x2-x1)；
(2)沿着填充方向，按照线段间隔Fdis＝Flength/D，将模型的包络盒AABB3D在XOY平面的投影划分成多个矩形，形成填充矩形集Frect；
若填充方向为Y方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(Xmin,y1)…(Xmin, y1+n×Fdis)…(Xmin,y1+(D)×Fdis)以及(Xmax,y1)…(Xmax,y1+n×Fdis)…(Xmax,y1+(D)× Fdis)的顺序存入填充点集合Fpts；
若填充方向为X方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(x1,Ymin)…(x1+n×Fdis,Ymin)…(x1+(D)×Fdis,Ymin)以及(x1,Ymax)…(x1+n×Fdis,Ymax)…(x1+(D)× Fdis,Ymax)的顺序存入填充点集合Fpts；
所述填充点集合Fpts中有2D+2个点；
所述填充矩形集Frect中每个矩形的四个顶点的存储顺序为i,D+1+i,D+2+i,i+1；
(3)根据提升点LPT1调整矩形中点的存储顺序：
在首个剪裁矩形中，若剪裁矩形中第1点与提升点LPT1的距离小于等于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序不变，第奇数个矩形中点的顺序调整为：单一矩形中的四个点的顺序修改方案为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；
在首个剪裁矩形中，若矩形中第1点与提升点LPT1的距离大于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序调整为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；第奇数个矩形中点的顺序不变。
步骤五：对每一层轮廓，分别获得外壁的连续打印路径以及内壁S型填充路径；
从文件中取出第i层轮廓Polyline[i],令Tpoly＝Polyline[i]。初始时令i＝0。
当i为偶数时，即当前层为偶数层时，分别获得其外壁打印路径及内壁填充路径。其中，获得外壁的连续打印路径的子步骤如下：
①对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
以上步骤中，作为一种优选，使用clipper库对轮廓进行偏置运算。clipper是一种图形处理库，可用于解决平面二维图形的交、并、差等运算和偏置处理，在3D打印领域有着广泛应用。在clipper库中，所有算法的输入输出都是path对象(二维多段线)，在本发明中，封闭轮廓都是path对象。在clipper库中，输入的轮廓按其作用可被分为两个类别，一类是subject，一类是clip。在求交运算中，clip与subject等价可互换，求得的结果是两个轮廓同时覆盖到的平面区域，不重合的部分将被舍弃。在求偏置的运算中，可将轮廓转化为path对象，并输入到offset函数中，设定需要偏置的距离Doffset求得的结果是输入轮廓偏置指定距离后的二维多段线。输出结构的形式是Paths对象，Paths对象是Path对象的集合。函数中还可进行其它参数设置，例如圆角以及是否闭合等。
以上步骤中，在clipper库中新建Paths对象Spaths，将原始轮廓Tpoly输入clipper库，并输入偏置距离，偏置次数为N次；其中，首次偏置的偏置距离为壁厚S，第n次的偏置距离为(n+1)×S；将原始轮廓Tpoly同偏置轮廓按照偏置顺序依次存入Spaths对象中；
以上步骤中，统一Spaths对象中轮廓的方向：计算Spaths对象中每个闭合轮廓的面积，当闭合轮廓的面积为正时，轮廓方向为顺时针；当闭合轮廓的面积为负时，轮廓方向为逆时针；依次遍历轮廓，将轮廓方向为逆时针的闭合轮廓取反，从而将所有闭合轮廓的方向统一为顺时针。
②将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg1求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT1最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
以上步骤中，如图2所示，新建Paths对象Rpaths，用以存储调整后的路径Spaths。遍历Spaths，从Spaths中取出第j个轮廓Spaths[j]，与裁剪线段Cseg1求交，得到与交线的交点，并将与提升点最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓Spaths[j]重排。重排完成后，将重排的轮廓存入Rpaths中。
轮廓Spaths[j]重排的具体操作为：不改变当前轮廓中点的排列顺序，计算起始点在当前轮廓中序号StartIndex位置，以该位置为起点按顺序存入轮廓中的点。详细地，Startindex的计算方法具体为：遍历轮廓中的点，判断Pstart是否在当前轮廓中位于点[s-1]到点[s]的线段之间，如果是，则StartIndex＝s，如果不是，继续遍历。
以上步骤中，作为一种优选，在实际加工中，不同层壁之间的连接为了更加连续，提升光滑度，需要指定一个连接过渡距离，使得不同壁之间可以平滑连接。对连接线进行过渡处理，过渡长度设为Ltrans，按照轮廓的反方向求得与起始点距离为Ltrans的点作为轮廓的终点，并将轮廓反方向上起始点与终点之间的轮廓舍弃。
③遍历Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
获得内壁的连续打印路径的子步骤如下：
①将原始轮廓按照偏置距离(N+1)×S进行偏置，将剪裁矩形系列Frect与偏置后的轮廓求交，得到多个裁剪轮廓；
以上步骤中，利用clipper对原始轮廓做偏置运算，得到偏置轮廓ToffsetPath；
以上步骤中，在clipper库将偏置轮廓ToffsetPath和剪裁矩形系列Frect输入clipper库，进行求交处理，获得裁剪轮廓系列Tpaths，剪裁轮廓系列与剪裁矩形系列一一对应；
②调整轮廓方向，使之与对应剪裁矩形方向相同；
以上步骤中，对于每个裁剪轮廓Tpath，调整轮廓方向，具体方法为：在clipper中，分别计算裁剪轮廓Tpath与对应剪裁矩形的面积，若两者面积的乘积小于0，则将裁剪轮廓反向；反之，裁剪轮廓方向不变。
③对于每个裁剪轮廓，计算轮廓中与对应剪裁矩形中第1点最近的点作为裁剪轮廓起点；计算轮廓中与对应剪裁矩形中第3点最近的点作为轮廓终点。
当前层为奇数层时，即i为奇数时，分别获得其外壁打印路径及内壁填充路径。其中，获得外壁的连续打印路径的子步骤如下：
①对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
②将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg2求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT2最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
③遍历Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
获得外壁的连续打印路径的子步骤如下：
按照偶数层轮廓内壁“S”型填充方法获得贴壁填充路径，将该路径取反，获得反向的“S”型填充路径作为奇数层填充路径。
步骤六：判断是否处理完最后一层输入轮廓，如果不是，i＝i+1,转步骤五；如果是，转步骤七。
步骤七：输出整体路径规划方案Result。
本发明的典型实施例：
1、取模具模型如图4所示，模型尺寸800mm×240mm×1200mm；
2、设定壁厚S＝10mm，壁走线次数N＝2，填充密度D＝5,提升点指定在模型非加工面；
3、图5为单层的规划结果，图6为多层的规划结果。从图5中可以看出，在外壁的路径规划中，本方法给出了连续打印2圈外壁的方案，在外壁打印方案中，能如实反映轮廓的外形。在填充的路径规划方案中，生成了连续的”S”型填充轮廓，”S”型填充能够准确贴合内壁。能够有效起到支撑模型，减少材料使用的目的。
如图5所示，在单层的规划路径中，在实际的加工过程中，打印喷头首先从外壁轮廓的起点开始运动，绕着外壁行进一圈后经过圆滑过渡进入外壁的内圈继续进行打印；当打印喷头在外壁部分运动完毕后，打印喷头进入内壁S形填充打印过程，内壁填充与外壁部分准确无断开衔接，并且过渡圆滑。完成内壁部分打印；在当前单一层，生成了包括填充及外壁在内的不断刀连续打印路径。
当打印喷头在当前单层运动完毕后，由当前单层终点，即内部S形填充终点的轨迹开始，打印喷头开始提升高度，并准确衔接到下一层轨迹起点。从下一轨迹起点开始，同样可以完成前述的单层连续打印过程。
在图6中展示了连续路径的走线方式。所示的多层打印结果中，可以看出，在提升点的交替变化中，实现了整体模型的连续打印路径。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将STL模型输入切片软件，得到模型的切片轮廓文件；
步骤二：计算模型的包络盒AABB3D，设定壁厚S、壁走线次数N、填充密度D；
步骤三：指定两个提升点LPT1(x1,y1)与LPT2(x2,y2)，分别生成裁剪线段Cseg1与Cseg2；
步骤四：生成剪裁矩形系列Frect，每个剪裁矩形的四个顶点按指定顺序排列；
步骤五：对每一层轮廓，分别获得外壁的连续打印路径以及内壁“S”型填充路径，并将外壁与内壁路径合并；
其中，对于偶数层轮廓：
所述外壁的连续打印路径的执行步骤如下：
(1)对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
(2)将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg1求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT1最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
(3)遍历偏置路径Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
所述内壁“S”型填充路径的执行步骤如下：
(1)将原始轮廓按照偏置距离(N+1)×S进行偏置，将剪裁矩形系列Frect与偏置后的轮廓求交，得到多个裁剪轮廓；
(2)调整轮廓方向，使之与对应剪裁矩形方向相同；
(3)对于每个裁剪轮廓，计算轮廓中与对应剪裁矩形中第1点最近的点作为裁剪轮廓起点；计算轮廓中与对应剪裁矩形中第3点最近的点作为轮廓终点；
(4)将调整后的裁剪轮廓按顺序连接，获得“S”型贴壁填充路径；
其中，对于奇数层轮廓：
所述外壁的连续打印路径的执行步骤如下：
(1)对该轮廓进行偏置运算，获得偏置路径Spaths，并统一轮廓方向；
(2)将偏置路径Spaths中的每个轮廓与裁剪线段Cseg2求交，得到与交线的交点，并将与提升点LPT2最近的交点作为轮廓的起始点Pstart，进行轮廓的数据点重新排序；
(3)遍历偏置路径Spaths，将第i个轮廓的终点与第i+1个轮廓的起点进行首尾的线段连接，获得外壁的连续打印路径；
所述内壁“S”型填充路径的执行步骤如下：按照偶数层轮廓内壁“S”型填充方法获得贴壁填充路径，将该路径取反，获得反向的“S”型填充路径作为奇数层填充路径；
步骤六：遍历每一层轮廓，连接第i层轮廓终点与第i+1层轮廓起点，获得整体打印路径。
2.根据权利要求1所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，步骤二中，模型的包络盒为矩形包络盒，通过遍历切片文件或者数据中的点得到包络盒最小值点min3D(Xmin,Ymin,Zmin)，最大值点max3D(Xmax,Ymax,Zmax)，它们组成包络盒AABB3D。
3.根据权利要求2所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，步骤三中，所述裁剪线段生成的步骤如下：
(1)将模型的包络盒AABB3D在XOY平面投影，判断包络盒长边方向：若(Ymax-Ymin)>(Xmax-Xmin),则长边方向定义为Y方向；反之，长边方向为X方向；
(2)从投影后的包络盒AABB3D的轮廓上的长边上选取两点，作为提升点LPT1(x1,y1)与LPT2(x2,y2)；
(3)根据长边方向，分别利用提升点LPT1与提升点LPT2生成裁剪线段Cseg1和Cseg2:若长边方向为Y方向，裁剪线段Cseg1的两个端点分别为(Xmin,y1),(Xmax,y1)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(Xmin,y2),(Xmax,y2)；若长边方向为X方向，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x1,Ymin),(x1,Ymax)，裁剪线段Cseg2的两个端点分别为(x2,Ymin),(x2,Ymax)。
4.根据权利要求3所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，所述剪裁矩形系列Frect通过如下方式生成：
(1)若长边方向为Y方向，则定义填充方向为Y方向，令填充距离Flength＝(y2-y1)；反之，则定义填充方向为X方向，Flength＝(x2-x1)；
(2)沿着填充方向，按照线段间隔Fdis＝Flength/D，将模型的包络盒AABB3D在XOY平面的投影划分成多个矩形，形成填充矩形集Frect；
若填充方向为Y方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(Xmin,y1)…(Xmin,y1+n×Fdis)…(Xmin,y1+D×Fdis)以及(Xmax,y1)…(Xmax,y1+n×Fdis)…(Xmax,y1+D×Fdis)的顺序存入填充点集合Fpts；
若填充方向为X方向，则将组成填充矩形集Frect中的填充点按照(x1,Ymin)…(x1+n×Fdis,Ymin)…(x1+D×Fdis,Ymin)以及(x1,Ymax)…(x1+n×Fdis,Ymax)…(x1+D×Fdis,Ymax)的顺序存入填充点集合Fpts；
所述填充点集合Fpts中有2D+2个点；
所述填充矩形集Frect中每个矩形的四个顶点的存储顺序为i,D+1+i,D+2+i,i+1；
(3)根据提升点LPT1调整矩形中点的存储顺序：
在首个剪裁矩形中，若剪裁矩形中第1点与提升点LPT1的距离小于等于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序不变，第奇数个矩形中点的顺序调整为：单一矩形中的四个点的顺序修改方案为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；
在首个剪裁矩形中，若矩形中第1点与提升点LPT1的距离大于第2点到提升点LPT1的距离，则执行如下步骤：
在剪裁矩形系列中，从第0到第N-1个剪裁矩形，第偶数个矩形中点的存储顺序调整为：原第2点调整为第1点，原第1点调整为第2点，原第4点调整为第3点，原第3点调整为第4点；第奇数个矩形中点的顺序不变。
5.根据权利要求1所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，所述步骤五中的外壁的连续打印路径的获得步骤如下：
(1)在clipper库中新建Paths对象偏置路径Spaths，将原始轮廓Tpoly输入clipper库，并输入偏置距离，偏置次数为N次；其中，首次偏置的偏置距离为壁厚S，第m次的偏置距离为(m+1)×S；将原始轮廓Tpoly同偏置轮廓按照偏置顺序依次存入偏置路径Spaths对象中；
(2)统一偏置路径Spaths对象中轮廓的方向：计算偏置路径Spaths对象中每个闭合轮廓的面积，当闭合轮廓的面积为正时，轮廓方向为顺时针；当闭合轮廓的面积为负时，轮廓方向为逆时针；依次遍历轮廓，将轮廓方向为逆时针的闭合轮廓取反，从而将所有闭合轮廓的方向统一为顺时针。
6.根据权利要求1所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，步骤五中，为了使不同层壁之间的连接为了更加连续，提升光滑度，在对轮廓的数据点重新排序后，在轮廓的起点和终点之间指定连接过渡距离，具体为：按照轮廓的反方向求得与起始点距离为连接过渡距离的点作为轮廓的终点，并沿着轮廓的反方向，将当前的轮廓的起始点与终点之间的点舍弃。
7.根据权利要求1所述的“S”型贴壁填充的连续路径生成方法，其特征在于，步骤五中，所述内壁“S”型填充路径的具体步骤如下：
(1)利用clipper对原始轮廓做偏置运算，偏置距离为(N+1)×S，得到偏置轮廓ToffsetPath；
(2)在clipper库将偏置轮廓ToffsetPath和剪裁矩形系列Frect输入clipper库，进行求交处理，获得裁剪轮廓系列Tpaths，剪裁轮廓系列与剪裁矩形系列一一对应；
(3)对于每个裁剪轮廓Tpath，调整轮廓方向，具体方法为：在clipper中，分别计算裁剪轮廓Tpath与对应剪裁矩形的面积，若两者面积的乘积小于0，则将裁剪轮廓反向；反之，裁剪轮廓方向不变。
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