CN115157656B - 一种用于大型3d打印的辊压整形拐角补偿算法 - Google Patents

Abstract

一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，步骤1：对打印模型切片得到单层轮廓；整理归纳，确认轮廓线段前序后继关系，作为轮廓序列；步骤2：遍历判定每个拐角的凹凸性及计算对应的拐角角度，保存数据在轮廓每个拐角结构中；步骤3：指定拐角角度生效范围，进行范围判定，标记为待处理拐角；步骤4：指定两个距离分别为起偏距离与反向延伸距离，对拐角打断，保存端点坐标信息；步骤5：在拐角的两个断点之间生成一段过渡曲线；步骤6：将生成过渡曲线合并到拐角，对所有的轮廓线进行辊压机构转角计算以及机器代码生成；步骤7：优化整理所有机器代码，插补运动，进行机器代码的运行。本发明拓宽了成型工件在高精度模具行业的应用范围。

Description

一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法

技术领域

本发明涉及增材制造，尤其是一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法。

背景技术

大型复合材料FDM打印中，使用辊压方式对熔体进行整形时，需要保证整形后的工件拐角与理论模型近似一致。但是辊压机构经过拐角时由于碾压方向变化，熔体变形会产生一定的缺角，造成模型拐角形状无法保证的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，包括有以下步骤：

步骤1：对打印模型进行切片处理，得到单层轮廓；对得到的轮廓进行整理归纳，按照一个约定的方向作为打印方向，依次确认轮廓线段的前序后继关系，作为轮廓序列；

步骤2：根据轮廓序列，依次遍历判定每一个拐角的凹凸性及计算对应的拐角角度；并将数据(包括拐角凹凸性及拐角角度)保存在轮廓每一个拐角结构中；

步骤3：拐角补偿算法只针对凸角属性的拐角区域生效，指定一个拐角角度生效范围，进行范围判定，在满足指定角度范围且为凸角的情况标记为待处理拐角；

步骤4：通过大批量实际打印测试，总结打印效果做实验数据分析得到“两个距离”；针对目前待处理拐角，指定两个距离分别为起偏距离与反向延伸距离，在打印方向上对每个满足条件的拐角进行打断，保存端点坐标信息；

步骤5：针对打断的拐角序列，指定一个系数a为补偿系数，范围0～1，在拐角的两个断点之间生成一段过渡曲线；过渡曲线的弯曲程度由补偿系数确定，当补偿系数为0时，过渡曲线退化成直线；过渡曲线为1时，过渡曲线为经过端点1和端点2且分别相切的圆弧；在0～1变化时，过渡曲线在上述两种极限中变化；

步骤6：将过渡曲线连接到端点1和端点2，在对应的数据结构中插入过渡曲线的坐标即可，将生成过渡曲线合并到拐角，并统一归整到轮廓线中，对所有的轮廓线进行辊压机构转角计算以及机器代码生成；

步骤7：优化整理所有机器代码，按照轨迹点的坐标，顺序依次生成机器G代码(GCode)，并在打印设备控制系统中独立辊压机构的插补运动，进行机器代码的实际运行。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

优点1：辊压机构独立插补，提高了5％～15％的打印效率，24小时内的打印量可以减少提高3小时左右的打印时间。

优点2：拐角补偿生效后，以前因为拐角缺角失败的工件，现在可以用拐角补偿方式打印，成功率可以提高20％左右。

优点3：没有实时拐角补偿之前，只能打印经过至少圆角半径15mm的理论拐角；实施了拐角补偿之后，可以打印理论拐角无圆角的情况，实际打印成品的圆角在5mm左右，工件拐角更加趋近于理论模型，提高了打印精度。

优点4：拐角打印精度提高后，拓宽了成型工件在高精度模具行业的应用范围。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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的附图。

图1是本发明辊压缺角生成机理示意图；

图2是本发明辊压整形打印机理示意图；

图3是本发明计算拐角角度并判定凹凸角示意图；

图4是本发明判定待处理拐角示意图；

图5是本发明拐角打断示意图；

图6是本发明添加过渡曲线示意图；

图7是本发明拐角的凹凸性的判定计算示意图；

图8是本发明辊压机构转角计算示意图；

图9是本发明算法流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，包括有以下步骤：

步骤1：对打印模型进行切片处理，得到单层轮廓；对得到的轮廓进行整理归纳，按照一个约定的方向作为打印方向，依次确认轮廓线段的前序后继关系，作为轮廓序列。

步骤1的切片处理中，切片层高由用户根据工艺指定输入，每个模型切片的数量≈模型高度/层高，即模型切片的数量与模型的总高度有关。

步骤1的整理归纳包括两点：

第一点是对单层的轮廓进行整理优化，优化的目的主要将那些小于指定长度(这个参数也是动态可变更)的小线段合并，避免了单层轮廓出现大量小的线段。

第二点将单层轮廓按照指定的打印方向(打印方向可用户输入，比如逆时针或者顺时针)将轮廓上的线段按照首尾相连的顺序将线段的各个端点坐标保存起来，方便后续处理。

步骤2：根据轮廓序列，依次遍历判定每一个拐角的凹凸性及计算对应的拐角角度；并将数据(包括拐角凹凸性及拐角角度)保存在轮廓每一个拐角结构中。

步骤2中，拐角的凹凸性的判定计算公式为：如图7所示，

ret＝(B.x-A.x)·(C.y-B.y)-(B.y-A.y)·(C.x-B.x)

若ret＜0则为凸角，反之为凹角。

拐角角度的计算公式为：

“拐角结构”的数据包括有：拐角凹凸性、拐角角度；还包括拐角的基础信息，比如组成这个拐角的三个坐标点，三个坐标点的顺序(由打印方向决定)，还有一些据此可以计算的附加属性，比如拐角第一条边的长度，拐角第二条边的长度。

步骤3：拐角补偿算法只针对凸角属性的拐角区域生效，指定一个拐角角度生效范围，进行范围判定，在满足指定角度范围且为凸角的情况标记为待处理拐角。

“拐角补偿算法”指根据起偏距离，反向延伸距离，补偿系数生成的过渡曲线去补偿的算法。

“拐角角度生效范围”的范围是由用户输入的，范围大小由工艺决定，比如范围大小为45°<拐角角度<120°，此范围之外的拐角不做处理。

步骤4：通过大批量实际打印测试，总结打印效果做实验数据分析得到“两个距离”；针对目前待处理拐角，指定两个距离分别为起偏距离与反向延伸距离，在打印方向上对每个满足条件的拐角进行打断，保存端点坐标信息。

步骤5：针对打断的拐角序列，指定一个系数a为补偿系数，范围0～1，在拐角的两个断点之间生成一段过渡曲线；过渡曲线的弯曲程度由补偿系数确定，当补偿系数为0时，过渡曲线退化成直线；过渡曲线为1时，过渡曲线为经过端点1和端点2且分别相切的圆弧；在0～1变化时，过渡曲线在上述两种极限中变化。

步骤6：将过渡曲线连接到端点1和端点2，在对应的数据结构中插入过渡曲线的坐标即可，将生成过渡曲线合并到拐角，并统一归整到轮廓线中，对所有的轮廓线进行辊压机构转角计算以及机器代码生成。

如图8所示，辊压机构(辊筒)转角指的是辊筒法线与X轴正向的夹角，辊筒的法线也就是轮廓线上打印点的切线，如图8所示。如果定义打印点切线向量为t＝(x_t,y_t)，辊压机构(辊筒)转角为RollerAngle＝atan2(y_t,x_t)。

步骤7：优化整理所有机器代码，按照轨迹点的坐标，顺序依次生成机器G代码(GCode)，并在打印设备控制系统中独立辊压机构的插补运动，进行机器代码的实际运行。插补运动是打印设备按照指定的约束关系控制各个轴的运动；对应到这里，一般的插补运动都是G01直线插补，所以就是打印设备的各个运动轴时刻保持直线运动控制各个轴，从而完成G代码中所有的G01指令。

用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法的原理是：

本算法的提出来源于大量的实验打印和高速摄影技术的微观分析。通过高速摄影技术在拍摄辊筒碾压机构对熔体进行碾压整型时，在拐角处由于辊压机构转角的突变，导致部分熔体在接触辊压筒时由于表面张力的影响，会被辊筒牵扯多卷走了一部分熔体，多卷走的部分熔体形成一个小的缺角，缺角的产生影响了理论模型的成型精度。

在分析清楚了缺角产生的原理之后，就会分析解决方案。既然是熔体被多卷走了，那首先可以做的就是补偿那部分卷走的熔体，因此对拐角进行补偿，任务的通过添加一定的过渡曲线，在辊筒运行方向上让喷嘴多走一部分距离，也就是多挤出一些熔体。这样辊筒碾压之后即使还是会卷走部分熔体，但是喷嘴多挤出的部分刚好可以补充卷走的熔体，这样即可减少缺角的产生，提高成型精度。

实际在算法层面操作的时候，基本上按照下述的几个流程来实现的：

(1)将碾压机构的运动控制从插补轴组中独立出来，形成独立运动。

形成独立运动的目的是让碾压机构(辊筒)的运动不受其他轴的影响，能够快速的响应转角的变化。

(2)识别打印模型各层轮廓拐角类型，判别凹凸角。

实际打印发现只有凸角对成型精度敏感，因此只针对每层轮廓中的凸角进行补偿。因此需要通过一定的方法识别出每层的凸角，一个角度的构成往往是前后三个点组成的，在一个轮廓上而言依次的三个点均能构成一个角，需要对轮廓上的每个角凹凸性判定。

(3)识别打印模型凸角拐角角度，标识为待处理拐角区域。

实际打印发现，并不是所有角度的拐角都需要进行补偿，比如说接近180°左右的拐角就非常接近一条直线，此时的角度并不需要进行拐角补偿。因此在指定的拐角角度范围内才能让拐角补偿生效，而这些生效的拐角组成的区域就是待处理拐角区域。

(4)待处理区域的拐角轨迹进行打断，重新生成补偿拐角。

这一步为过渡曲线的实际生成，通过起偏距离，反向延伸距离，补偿系统三个参数可以生成一段连接拐角打断后的端点1，端点2的混接曲线；针对每个待处理拐角都实时这种操作，即可完成所有轮廓拐角的过渡曲线生成。

(5)组合轮廓与补偿轨迹进行生成，最终通过补偿的形状抵消辊压造成的缺角。组合轮廓指的是将原有的轮廓剩下的那部分与生成的过渡曲线进行顺序合并，也就是按顺序一次合并形成一个完整的组合轮廓。对这个补偿后的组合轮廓进行后续机器代码生成导出GCode代码，通过打印设备实际打印出工件。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤1：对打印模型进行切片处理，得到单层轮廓；对得到的轮廓进行整理归纳，按照一个约定的方向作为打印方向，依次确认轮廓线段的前序后继关系，作为轮廓序列；

步骤1的整理归纳包括两点：

第一点是对单层的轮廓进行整理优化，优化的目的主要将那些小于指定长度的小线段合并，避免了单层轮廓出现大量小的线段；

第二点将单层轮廓按照指定的打印方向将轮廓上的线段按照首尾相连的顺序将线段的各个端点坐标保存起来，方便后续处理；

步骤2：根据轮廓序列，依次遍历判定每一个拐角的凹凸性及计算对应的拐角角度；并将数据保存在轮廓每一个拐角结构中；

步骤2中，拐角的凹凸性的判定计算公式为：

ret＝(B.x-A.x)·(C.y-B.y)-(B.y-A.y)·(C.x-B.x)

若ret＜0则为凸角，反之为凹角；

拐角角度的计算公式为：

拐角结构的数据包括有：拐角凹凸性、拐角角度、拐角的基础信息，还有据此能够计算的附加属性；

步骤3：拐角补偿算法只针对凸角属性的拐角区域生效，指定一个拐角角度生效范围，进行范围判定，在满足指定角度范围且为凸角的情况标记为待处理拐角；

步骤4：通过大批量实际打印测试，总结打印效果做实验数据分析得到两个距离；针对目前待处理拐角，指定两个距离分别为起偏距离与反向延伸距离，在打印方向上对每个满足条件的拐角进行打断，保存端点坐标信息；

步骤5：针对打断的拐角序列，指定一个系数a为补偿系数，范围0～1，在拐角的两个断点之间生成一段过渡曲线；过渡曲线的弯曲程度由补偿系数确定，当补偿系数为0时，过渡曲线退化成直线；过渡曲线为1时，过渡曲线为经过端点一和端点二且分别相切的圆弧；在0～1变化时，过渡曲线在上述两种极限中变化；

步骤6：将过渡曲线连接到端点一和端点二，在对应的数据结构中插入过渡曲线的坐标即可，将生成过渡曲线合并到拐角，并统一归整到轮廓线中，对所有的轮廓线进行辊压机构转角计算以及机器代码生成；

步骤7：优化整理所有机器代码，按照轨迹点的坐标，顺序依次生成机器G代码，并在打印设备控制系统中独立辊压机构的插补运动，进行机器代码的实际运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，其特征在于：步骤1的切片处理中，切片层高由用户根据工艺指定输入，每个模型切片的数量＝模型高度/层高，即模型切片的数量与模型的总高度有关。

3.根据权利要求1所述的一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，其特征在于：步骤3中，拐角补偿算法指根据起偏距离，反向延伸距离，补偿系数生成的过渡曲线去补偿的算法；

拐角角度生效范围是由用户输入的，范围大小由工艺决定，范围之外的拐角不做处理。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，其特征在于：步骤6中，辊压机构转角指的是辊筒法线与X轴正向的夹角，辊筒的法线也就是轮廓线上打印点的切线；定义打印点切线向量为t＝(x_t,y_t)，辊压机构转角为RollerAngle＝atan2(y_t,x_t)。

5.根据权利要求1所述的一种用于大型3D打印的辊压整形拐角补偿算法，其特征在于：步骤7中，插补运动是打印设备按照指定的约束关系控制各个轴的运动。