CN116039093A - 一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法 - Google Patents

一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，属于增材制造技术领域。包括如下步骤：S1.获取模型的切片轮廓多边形；S2.计算多边形的辅助线；S3.分割辅助线；将辅助线等距分割成n段；S4.设置填充路径；按照骨架线方向分别将所有辅助线上的第一个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，然后依次将其它分割点连接；S5.路径连续处理；在辅助线连接的两相邻的填充路径之间通过双圆弧过渡，所有填充路径顺序连接后生成螺旋路径。本发明采用自适应的螺旋路径，实现连续打印，避免了机器在路径之间频繁开启；自适应填充宽度能避免填充中心部分出现尖锐区域，提高打印效率和增材制造的质量。

Description

一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体是一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法。
背景技术
增材制造作为一种低成本、高质量的构件生产工艺已经成为国内外研究热门。基于零件模型的增材制造的系统的研究开发主要有三个部分：零件模型获取系统，模型处理系统和监控系统。其中，模型处理系统负责做空间变换，选择加工方向，进行模型分层，截面轮廓数据处理以及扫描路径规划等。
目前，常用的路径规划为二维轮廓偏置和填充网格；如图8所示，这种偏置路径规划存在缺陷是：偏置路径为等间距填充，在区域中心部分容易出现尖锐区域，导致在打印时这些区域容易形成堆料，成型后的工件形貌不好，降低了工件的整体质量。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明提供一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法。
本发明采用如下技术方案：一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，包括如下步骤：
S1.获取模型的切片轮廓多边形；
S2.计算多边形的辅助线段；
S2-1.定义骨架线的支撑边为在骨架线两侧且距离该骨架线最短多边形边；
所述骨架线由多个骨架分支构成，骨架分支是由骨架线段顺序连接构成的一条没有分叉的连续折线段；骨架分支之间的连接点为分叉点，骨架点包括骨架线段端点和分叉点；
S2-2.定义骨架点的支撑点为其所在骨架线段两侧支撑边的端点，或骨架线两侧距离该骨架点最短的多边形顶点；
S2-3.定义骨架线的辅助线段为骨架点与其对应的支撑点之间的线段；
S3.分割辅助线段；
将辅助线段等距分割成n段，则每个辅助线段上的分割段长度为
Figure BDA0004078493930000011
li为辅助线段长度，同时该分割段长度wi为该分割点处的填充宽度；
S4.设置填充路径；
按照骨架线方向分别将所有辅助线段上的第一个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，将所有辅助线段上的第二个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，然后同理，依次将其它分割点连接，形成完整的填充路径。
其进一步是：所述步骤S3中，已知填充间距范围为[wmin,wmax]，假设最短和最长辅助线段的长度分别为lmin,lmax，则辅助线段可以分割的最小数量是
Figure BDA0004078493930000021
和最大数量是
Figure BDA0004078493930000022
确定辅助线段分割的数量为n∈[nmin,nmax]。
还包括步骤S5.路径连续处理，将两相邻的填充路径之间通过过渡线段连接成一条连续路径，然后以此将所有填充路径顺序连接生成螺旋路径。
所述步骤S5中，两相邻的填充路径之间通过双圆弧线段连接；
首先，构造一条两相邻填充路径j和填充路径j+1的公垂线段，其交点分别为oj,oj+1，其长度为lj,j+1，取该公垂线段的中点为m；
然后在填充路径j、填充路径j+1上取与交点oj、oj+1的距离为lj,j+1/2的过渡点p、q；
最后计算过点p,m且与公垂线段和填充路径j相切的圆弧，和过点m,q且与公垂线段和填充路径j+1相切的圆弧，得到所述双圆弧线段；删除填充路径j和填充路径j+1上交点oj、oj+1和过渡点p、q之间的线段。
所述步骤S5中，选择一条所有填充路径的近似垂线段，在近似垂线段位置处生成连接相邻两填充路径的双圆弧线段。
本发明的有益效果在于：各路径之间通过曲线过渡，实现连续打印，加工更加流畅，避免了机器在路径之间频繁开启，提高了打印效率和增材制造的质量；填充路径采用自适应螺旋路径，实现变截面形状的填充宽度自适应，避免填充中心部分出现尖锐区域，解决了打印时堆料问题，提高零部件的打印质量和形貌精度。
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为切片轮廓多边形和骨架线示意图。
图2为骨架线的辅助线示意图。
图3为辅助线间的连接路径示意图。
图4为相邻连接路径过渡点示意图。
图5为双圆弧过渡路径示意图。
图6为连续螺旋路径示意图。
图7为不规则轮廓的自适应螺旋路径示意图。
图8为现有的一种偏置路径规划示意图。
具体实施方式
下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，包括如下步骤：
结合图1和图2所示，
S1.获取模型的切片轮廓多边形；
S2.计算多边形的辅助线；
S2-1.定义骨架线L0的支撑边L1、L2、L3、L4、L5、L6为在骨架线两侧且距离该骨架线最短多边形边；
定义骨架线距离两侧的支撑边距离相等，骨架线由多个骨架分支构成，骨架分支是由骨架线段顺序连接构成的一条没有分叉的连续折线段；骨架分支之间的连接点为分叉点。骨架线上的所有点均为骨架点，包括骨架线段端点、骨架分支端点和分叉点；
S2-2.定义骨架点O1、O2、O3、04等的支撑点A、B、C、D、E、F为其所在骨架线段支撑边的端点，或骨架线两侧距离该骨架点最短的多边形顶点；
在本实施例中，骨架分支端点处的骨架点O1、O2与该骨架点两侧支撑边的端点A、B、D、E对应；骨架点O3、04之间的所有骨架点与两侧距离该骨架点最短的多边形顶点C、F对应，O3、04之间的骨架线段整体形状为弯曲状；
S2-3.定义骨架线的辅助线为骨架点与其对应的支撑点之间的线段。
S3.分割辅助线，结合图3所示；
S3-1.已知填充间距范围为[wmin,wmax]，假设最短和最长辅助线的长度分别为lmin,lmax，则辅助线可以分割的最小数量是
Figure BDA0004078493930000031
和最大数量是
Figure BDA0004078493930000032
确定辅助线分割的数量为n∈[nmin,nmax]；
S3-2.将辅助线等距分割成n段，则每个辅助线上的分割段长度为
Figure BDA0004078493930000033
li为辅助线长度，同时该分割段长度wi为该分割点处的填充宽度。
S4.设置填充路径；
按照骨架线方向分别将所有辅助线上的第一个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，然后将所有辅助线上的第二个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，最后依次将其它分割点连接。因为辅助线的长度不等，所以填充路径的分割点的填充宽度不等，两个分割点之间的填充宽度产生线性变化，便生成了填充宽度自适应的路径。这种填充宽度自适应的路径避免了填充中心部分出现尖锐区域。
S5.路径连续处理；
在辅助线连接的两相邻的填充路径之间通过双圆弧过渡，以此将两相邻的填充路径连接成一条连续路径，所有填充路径顺序连接后生成螺旋路径。这种连续性螺旋路径避免了机器在路径之间频繁开启，实现连续打印。根据具体工况需求，也可以采用双圆弧之外的其他线段连接相邻的填充路径，例如斜线、曲线等。
双圆弧生成方法为：
结合图4和图5所示，
S5-1.构造一条两相邻填充路径j和填充路径j+1的公垂线，其交点分别为oj,oj+1，其长度为lj,j+1，取该公垂线的中点为m；
S5-2.然后在填充路径j、填充路径j+1上取与交点oj、oj+1的距离为lj,j+1/2的过渡点p、q；
S5-3.最后计算过点p,m且与公垂线和填充路径j相切的圆弧，和过点m,q且与公垂线和填充路径j+1相切的圆弧，即两相邻填充路径j和填充路径j+1之间的连接路径为过p、m、q且相切的双圆弧；
S5-4.删除填充路径j和填充路径j+1上交点oj、oj+1和过渡点p、q之间的线段。
优选的：如图6和图7所示，生成双圆弧连接路径时，可以选择一条所有填充路径的近似垂线为过渡线段，在过渡线段位置处生成相邻两填充路径间的双圆弧连接路径，最后将相邻的连接路径顺序连接生成螺旋路径。这样所有双圆弧线段基本上位于同一线段上，便于后续打印工作。
上述实施例可以看出，本发明中各路径之间通过曲线过渡，实现连续打印，加工更加流畅，避免了机器在路径之间频繁开启，提高了打印效率和增材制造的质量；填充路径采用自适应螺旋路径，实现变截面形状的填充宽度自适应，避免填充中心部分出现尖锐区域，解决了零部件残余应力过大和翘曲变形等问题，提高零部件的力学性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取模型的切片轮廓多边形；
S2.计算多边形的辅助线段；
S2-1.定义骨架线的支撑边为在骨架线两侧且距离该骨架线最短多边形边；
所述骨架线由多个骨架分支构成，骨架分支是由骨架线段顺序连接构成的一条没有分叉的连续折线段；骨架分支之间的连接点为分叉点，骨架点包括骨架线段端点和分叉点；
S2-2.定义骨架点的支撑点为其所在骨架线段两侧支撑边的端点，或骨架线两侧距离该骨架点最短的多边形顶点；
S2-3.定义骨架线的辅助线段为骨架点与其对应的支撑点之间的线段；
S3.分割辅助线段；
将辅助线段等距分割成n段，则每个辅助线段上的分割段长度为
Figure FDA0004078493920000011
li为辅助线段长度，同时该分割段长度wi为该分割点处的填充宽度；
S4.设置填充路径；
按照骨架线方向分别将所有辅助线段上的第一个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，将所有辅助线段上的第二个分割点顺序连接生成封闭的填充路径，然后同理，依次将其它分割点连接，形成完整的填充路径。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，其特征在于：所述步骤S3中，已知填充间距范围为[wmin,wmax]，假设最短和最长辅助线段的长度分别为lmin,lmax，则辅助线段可以分割的最小数量是
Figure FDA0004078493920000012
和最大数量是
Figure FDA0004078493920000013
确定辅助线段分割的数量为n∈[nmin,nmax]。
3.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，其特征在于：还包括步骤S5.路径连续处理，将两相邻的填充路径之间通过过渡线段连接成一条连续路径，然后以此将所有填充路径顺序连接生成螺旋路径。
4.根据权利要求3所述的一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，其特征在于：所述步骤S5中，两相邻的填充路径之间通过双圆弧线段连接；
首先，构造一条两相邻填充路径j和填充路径j+1的公垂线段，其交点分别为oj,oj+1，其长度为lj,j+1，取该公垂线段的中点为m；
然后在填充路径j、填充路径j+1上取与交点oj、oj+1的距离为lj,j+1/2的过渡点p、q；
最后计算过点p,m且与公垂线段和填充路径j相切的圆弧，和过点m,q且与公垂线段和填充路径j+1相切的圆弧，得到所述双圆弧线段；删除填充路径j和填充路径j+1上交点oj、oj+1和过渡点p、q之间的线段。
5.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的自适应螺旋路径规划方法，其特征在于：所述步骤S5中，选择一条所有填充路径的近似垂线段，在近似垂线段位置处生成连接相邻两填充路径的双圆弧线段。
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