CN116373305B - 一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法 - Google Patents

一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法。通过对目标模型进行两次纵向切片（n，m）分割，实现目标模型轮廓的二维等分离散；两次切片相交得到阵列交线，对所有切片面内交线进行点的等分离散（k），所有点对应标记，以获得目标模型的整体三维离散点模型（n，m，k）。单一切面内相同k值标记点，以切割面m值顺序连接面内各切割面交线的离散点，得到单一切面内的空间曲线；相同k值标记点下，各切面内的空间曲线，以切面n值顺序首尾连接，得到单层空间曲面；单层空间曲面，以k值首尾顺序连接，层层叠加，得到目标模型整体空间曲面路径。该方法为多自由度打印复杂曲面结构提供了一种空间曲面路径规划的新思路。

Description

一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法
技术领域
本发明涉属于先进制造技术领域，尤其涉及一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法。
背景技术
传统的增材制造技术(3D打印)多基于三轴运动机构，通过平面切片分层，进行层层叠加成形。目前主流打印切片软件，如Cura、Simplify3D、Repetier Host也都基于平面开发相应路径规划方法。该类路径方法在构件该类路径方法在构件Z向力学性能和表面质量上均有所限制。具体来说，各切平面在XY面内结合性较差，该方向上的机械性能较其他方向有明显降低；由于层层叠加的固有属性，构件外表面受阶梯效应影响，表面光洁度较差，特别是针对连续纤维增强复合材料，层厚调节裕量小，无法通过层厚改善表面质量。
随着机器人学的发展，多自由度打印逐渐成为国内外研究热点方向，也为空间曲面打印路径规划提供了硬件基础，传统打印是平面路径规划，构件Z向性能较差，且构件表面阶梯效应影响表面质量。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，目的是改善传统3D打印平面切片路径规划在在成形构件Z向力学性能和表面质量上的限制。
一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，包括以下步骤：
步骤1：识别目标模型的形状特征，包括模型的空间长、宽、高边界特征信息；
步骤2：设定纵向等分切片间距d1，对目标模型在长度方向范围内以d1值进行纵向等分切片，记录各切片信息，顺序标记为“切片1”、“切片2”、…、“切片n”、…；
步骤3：设定切面纵向等分切割间距d2，对目标模型在宽度方向范围内以d2值进行切面纵向切割，即步骤2中所述切片得到交线信息，记录各切割面信息，顺序标记为“切割面1”、“切割面2”、…、“切割面m”、…；
步骤4：设定特征层厚值t，对各切片的交线，从下至上以t值进行等分离散，顺序标记为“离散点1”、“离散点2”、…、“离散点k”、…；
特征层厚值并非实际曲面层厚值，为该路径规划方法下的一种特征层厚。
步骤5：基于上述步骤1-4，目标模型离散化三维空间等距点阵[n，m，k]，任一离散点均被独立标记，标记信息不重复；
步骤6：单一切面内相同k值标记点，以切割面m值顺序连接面内各切割面交线的离散点，即得到单一切面内的空间曲线；
步骤7：相同k值标记点下，各切面内的空间曲线，以切面n值顺序首尾连接，即得到单层空间曲面，填充模式为“之字形”；
步骤8：单层空间曲面，以k值首尾顺序连接，层层叠加，即得到目标模型整体空间曲面路径。
进一步的，步骤1所述的目标模型为CAD模型，如STL格式，包含目标模型表面轮廓信息；
进一步的，步骤3-5所述的纵向等分切片数量、切面纵向切割面数量、交线离散点数量为整数，均向下求整；
进一步的，步骤3所述的纵向切割面与步骤2所述的纵向等分切片在空间上成一定夹角，为便于计算，推荐夹角为90°；
进一步的，步骤3所述的各切片的交线均可被所在切片的切割面标记；
进一步的，目标模型离散程度是由d1、d2、t决定，数值越小，模型离散程度越高，精度越高。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的上述基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，可改善传统3D打印平面切片路径规划在成形构件Z向力学性能和表面质量上的限制；
2、该方法为多自由度打印复杂曲面结构提供了一种空间曲面路径规划的新思路新方法。
3、本发明提出一种具体的离散方法对曲面进行分层，提高打印路径的精度。
附图说明
图1为基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法流程示意图，其中图1(a)为目标三维模型；图1(b)纵向等分切片；图1(c)切片纵向切割；图1(d)切面切割交点；图1(e)切面离散点处理；图1(f)空间离散点曲面。
图2为空间曲面切片打印效果示意图。
图3为传统平面切片打印效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本实施例的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，包括以下步骤：
步骤1：确定目标模型为头盔，识别头盔模型的形状特征，包括模型的空间长、宽、高边界特征信息，长133.8mm，宽148.3mm，高80.5mm，如图1(a)；
步骤2：设定纵向等分切片间距d1＝1mm，对目标模型在长度方向范围内以d1值进行纵向等分切片，记录各切片信息，顺序标记为“切片1”、“切片2”、…、“切片n”、…、“切片133”，如图1(b)；
步骤3：设定切面纵向等分切割间距d2＝1mm，对目标模型在宽度方向范围内以d2值进行切面纵向切割，即步骤2中所述切片得到交线信息，记录各切割面信息，顺序标记为“切割面1”、“切割面2”、…、“切割面m”、…、“切割面148”，如图1(c)；
步骤4：设定特征层厚值0.5mm，对各切片的交线，从下至上以t值进行等分离散，顺序标记为“离散点1”、“离散点2”、…、“离散点k”、…,如图1(d)-(e)；
特征层厚值并非实际曲面层厚值，为该路径规划方法下的一种特征层厚。
步骤5：基于上述步骤1-4，目标模型离散化三维空间等距点阵[n，m，k]，任一离散点均被独立标记，标记信息不重复；
步骤6：单一切面内相同k值标记点，以切割面m值顺序连接面内各切割面交线的离散点，即得到单一切面内的空间曲线,如图1(f)；
步骤7：相同k值标记点下，各切面内的空间曲线，以切面n值顺序首尾连接，即得到单层空间曲面，填充模式为“之字形”；
步骤8：单层空间曲面，以k值首尾顺序连接，层层叠加，即得到目标模型整体空间曲面路径。
空间曲面切片打印效果示意图，如图2所示；传统平面切片打印效果示意图，如图3所示。本发明的空间曲面打印路径规划可有效改善传统平面切片打印阶梯效应造成的表面质量损失，同时由于曲面层较平面层层间的接触面增大，可提升构件Z向力学性能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (6)

1.一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：识别目标模型的形状特征，包括模型的空间长、宽、高边界特征信息；
步骤2：设定纵向等分切片间距d1，对目标模型在长度方向范围内以d1值进行纵向等分切片，记录各切片信息，顺序标记为“切片1”、“切片2”、…、“切片n”、…；
步骤3：设定切面纵向等分切割间距d2，对目标模型在宽度方向范围内以d2值进行切面纵向切割，即步骤2中所述切片得到交线信息，记录各切割面信息，顺序标记为“切割面1”、“切割面2”、…、“切割面m”、…；
步骤4：设定特征层厚值t，对各切片的交线，从下至上以t值进行等分离散，顺序标记为“离散点1”、“离散点2”、…、“离散点k”、…；其中特征层厚值并非实际曲面层厚值，为该路径规划方法下的一种特征层厚；
步骤5：基于上述步骤1-4，目标模型离散化三维空间等距点阵[n，m，k]，任一离散点均被独立标记，标记信息不重复；
步骤6：单一切面内相同k值标记点，以切割面m值顺序连接面内各切割面交线的离散点，即得到单一切面内的空间曲线；
步骤7：相同k值标记点下，各切面内的空间曲线，以切面n值顺序首尾连接，即得到单层空间曲面，填充模式为“之字形”；
步骤8：单层空间曲面，以k值首尾顺序连接，层层叠加，即得到目标模型整体空间曲面路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤2-4中纵向等分切片数量、切面纵向切割面数量、交线离散点数量为整数，均向下求整。
3.根据权利要求1所述的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤3的纵向切割面与所述步骤2的纵向等分切片在空间上成夹角。
4.根据权利要求3所述的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，所述夹角为90°。
5.根据权利要求1所述的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤3：各切片的交线均可被所在切片的切割面标记。
6.根据权利要求1所述的一种基于等距离散的空间曲面打印路径规划方法，其特征在于，目标模型离散程度是由d1、d2、t决定，数值越小，模型离散程度越高，精度越高。
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