WO2023087878A1 - 五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法 - Google Patents

五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法 Download PDF

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余谦
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing

Abstract

本发明提供的五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法，属于3D打印技术领域，五轴打印系统，其特征在于，包括：扫描仪、标定板、机床和处理器；标定板设置于机台上；扫描仪，用于扫描待打印物体，获取待打印物体在扫描仪坐标系下的坐标；标定板，用于辅助标示扫描仪坐标系与机床坐标系的位置关系；处理器，用于通过标定板获取扫描仪坐标系和机床坐标系的转化关系，将扫描仪坐标系下的三维模型数据转化到机床坐标系下，并生成五轴打印轨迹。本发明标定一次后可以通过获取的转化关系对任何打印模型进行位置定位，无需在每次打印前，重复标定待打印物体在机床坐标系下的打印位置，大大节省了打印前期耗时，提高了打印效率，且操作简单，便于投入生产。

Description

五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法 技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法。
 背景技术
传统3D打印仅能在平面上打印生成三维立体模型。五轴增材打印技术，在传统3D打印基础上新增加二个维度，通过带动立体实物转动，用于在立体实物除去底面的多表面上打印三维立体模型，实现立体增材。
但是现有技术中的五轴打印，在每次打印时都需要重新标定打印的实际位置，操作麻烦，打印效率低下，不利于投入生产。
 技术问题
本发明的技术问题是提供一种五轴打印系统及五轴打印轨迹确定方法，无需在每次打印前对打印位置进行重复标定，标定一次后可以对任何打印模型进行位置定位。
 技术解决方案
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为。
五轴打印系统，包括：扫描仪、标定板、机床和处理器；标定板设置于机台上；扫描仪，用于扫描待打印物体，获取待打印物体在扫描仪坐标系下的坐标；标定板，用于辅助标示扫描仪坐标系与机床坐标系的位置关系；处理器，用于通过标定板获取扫描仪坐标系和机床坐标系的转化关系，将扫描仪坐标系下的三维模型数据转化到机床坐标系下，并生成五轴打印轨迹。本方案获得的转化关系，除了在调整扫描仪的镜头位置后或经过长途运输外，后续打印时可直接将扫描仪坐标系下的三维模型数据转移到机床坐标系下，无需重新标定，大大节省了打印前期耗时，提高了打印效率，且操作简单，便于投入生产。
进一步地，处理器包括：坐标标定模块、扫描模块、轨迹规划模块和控制模块；坐标标定模块，用于通过图像识别算法计算得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系；扫描模块，用于获取扫描仪扫描的待打印物体的三维模型数据，并通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系将该三维模型数据转移到机床坐标系下；轨迹规划模块，用于在机床坐标系下进行规划并生成五轴打印轨迹；控制模块，用于根据五轴打印轨迹控制执行最终的五轴打印工作。
进一步地，五轴打印系统还包括：修复模块和配准模块；修复模块，用于修复扫描模块获取的三维模型数据中的孔洞；配准模块，用于任意经过修复模块修复后的模型在任意空间位置进行配准打印。
五轴打印轨迹确定方法，包括以下步骤：S1将扫描仪坐标系与机床坐标系进行统一，得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系；S2通过S1获得的扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系，将扫描仪获取的待打印物体的三维模型数据转移到机床坐标系下；S4轨迹规划模块确定待打印物体的五轴打印轨迹。
进一步地，S1包括：S11扫描仪扫描初始打印物体，获取初始打印物体在扫描仪坐标系下的三维数据模型；S12坐标标定模块识别标定板中原点、x方向和y方向三个点的相对于扫描仪坐标系的坐标位置；S13扫描模块将初始打印物体的三维模型数据投影到机床坐标系下，并获得扫描仪坐标系和机床坐标系的投影关系。
进一步地，S2包括：S21扫描仪扫描待打印物体，并将数据发送给扫描模块，生成扫描仪坐标系下的待打印物体的三维模型数据；S22修复模块对待打印物体的三维模型数据进行孔洞修复；S23扫描模块通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系，将修复好的三维模型数据投影到机床坐标系下。
进一步地，S4包括：S41根据需求选择合适的分层曲面；S42将分层曲面与三维模型进行布尔求交，求出其交线，并对轮廓进行内外轮廓的分类，最后把内轮廓与外轮廓进行匹配，确定填充区域；S43对于每个填充区域，根据填充方式，确定一条初始填充轨迹；通过对初始填充轨迹的偏置，对填充区域进行覆盖，最后通过填充区域边界轮廓对填充轨迹进行裁剪，去掉填充区域外的轨迹，得到实际的填充轨迹；S44根据工艺层厚的大小，对分层曲面进行等距偏置，得到下一个分层曲面，重复上述步骤，直到分层曲面与打印模型无相交区域。
进一步地，S22包括：S221在待打印物体的三维模型上，通过半边结构寻找所有没有伙伴半边的半边，存储到容器A1中；S222通过容器A1，获取首尾相连一圈孔洞信息；S223遍历容器A1，获取模型上所有的孔洞信息；S224计算每个孔洞中每一个点的面积加权法向和夹角；S225计算每个点的平展度；S226对所有点平展度进行排序；S227从平展度最低的点开始补洞，如果点的平展度小于90°，且补出来的面片都没有将其他孔洞点框入其中，进行补洞；否则判断下一个点；S228循环执行S227，直至所有的孔洞都填补完毕。
进一步地，S2后还包括：S3通过配准模块将三维模型与待打印物体进行配准。
进一步地，S3包括：S31根据待打印物体的实物尺寸，按照需求对三维模型进行任意比例缩放；S32旋转待打印物体，并移动三维模型到待打印物体；S33对三维模型和待打印物体进行求交，完成配准。
 有益效果
本方案获得的转化关系，除了在调整扫描仪的镜头位置后或经过长途运输外，后续打印时可直接将扫描仪坐标系下的三维模型数据转移到机床坐标系下，无需重新标定，大大节省了打印前期耗时，提高了打印效率，且操作简单，便于投入生产。
 附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明实施例提供的五轴打印轨迹确定方法的简要流程图。
 本发明的最佳实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
五轴打印系统，包括：扫描仪、标定板、机床和处理器；标定板设置于机台上；扫描仪，用于扫描待打印物体，获取待打印物体在扫描仪坐标系下的坐标；标定板，用于辅助标示扫描仪坐标系与机床坐标系的位置关系；处理器，用于通过标定板获取扫描仪坐标系和机床坐标系的转化关系，将扫描仪坐标系下的三维模型数据转化到机床坐标系下，并生成五轴打印轨迹。处理器主要包括：坐标标定模块、扫描模块、修复模块、配准模块轨迹规划模块和控制模块；坐标标定模块，用于通过图像识别算法计算得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系；扫描模块，用于获取扫描仪扫描的待打印物体的三维模型数据，并通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系将该三维模型数据转移到机床坐标系下；修复模块，用于修复扫描模块获取的三维模型数据中的孔洞；配准模块，用于任意经过修复模块修复后的模型在任意空间位置进行配准打印；轨迹规划模块，用于在机床坐标系下进行规划并生成五轴打印轨迹；控制模块，用于根据五轴打印轨迹控制执行最终的五轴打印工作。
五轴打印系统投入打印工作前，如图1所示，首先要将扫描仪坐标系与机床坐标系进行统一，得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系。即扫描仪扫描初始打印物体，获取初始打印物体在扫描仪坐标系下的三维数据模型；坐标标定模块识别标定板中原点、x方向和y方向三个点的相对于扫描仪坐标系的坐标位置；扫描模块将初始打印物体的三维模型数据投影到机床坐标系下，并获得扫描仪坐标系和机床坐标系的投影关系。利用该投影关系，除了调整扫描仪的镜头位置后或经过长途运输外，后续打印时可直接将扫描仪坐标系下的三维数据转移到机床坐标系下，无需重新标定，大大节省了打印前期耗时，提高了打印效率，且操作简单，便于投入生产。
接着扫描仪扫描待打印物体，并将数据发送给扫描模块，生成扫描仪坐标系下的待打印物体的三维模型数据；修复模块对待打印物体的三维模型数据进行孔洞修复：在待打印物体的三维模型上，通过半边结构寻找所有没有伙伴半边的半边，存储到容器A1中；通过容器A1，获取首尾相连一圈孔洞信息，即vector<hole>；遍历容器A1，获取模型上所有的孔洞信息，即vector<vector<hole>>。
计算每个孔洞中每一个点的面积加权法向和夹角；计算每个点的平展度；对所有点平展度进行排序；从平展度最低的点开始补洞，如果点的平展度小于90°，且补出来的面片都没有将其他孔洞点框入其中，进行补洞；否则判断下一个点；循环执行上一步骤，直至所有的孔洞都填补完毕。
然后通过配准模块将待打印物体的三维模型与待打印物体进行配准。根据待打印物体的实物尺寸，按照需求对三维模型进行任意比例缩放；旋转待打印物体，并移动三维模型到待打印物体；对三维模型和待打印物体进行求交，完成配准。扫描模块通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系，将修复好的三维模型数据投影到机床坐标系下。
最后轨迹规划模块根据需求选择合适的分层曲面；将分层曲面与待打印物体的三维模型进行布尔求交，求出其交线，并对轮廓进行内外轮廓的分类，最后把内轮廓与外轮廓进行匹配，确定填充区域；对于每个填充区域，根据填充方式，确定一条初始填充轨迹；通过对初始填充轨迹的偏置，对填充区域进行覆盖，最后通过填充区域边界轮廓对填充轨迹进行裁剪，去掉填充区域外的轨迹，得到实际的填充轨迹；根据工艺层厚的大小，对分层曲面进行等距偏置，得到下一个分层曲面，重复上述步骤，直到分层曲面与打印模型无相交区域。
本发明中控制模块还包括数控单元和运动控制单元，经过扫描、修复、配准和轨迹规划后，数控单元会主动将中间路径转换为G代码，并由数控单元发送给运动控制单元，由运动控制单元控制五轴打印设备执行最后的打印。
在传统的FDM三轴领域，打印零件的成型都是基于平面进行堆叠的，这有个最大的缺陷在于沿着成型方向的拉伸性能很差，也因为这个缺陷，传统的三轴工艺打印出来的零件难以应用于力学性能要求高的场合。
本发明提供的该轨迹是基于多轴打印平台的，即五轴打印系统，得益于多轴平台的多自由度，零件的成型不再以平面堆叠的方式进行成型，而是采用曲面堆叠的方式，以此消除了传统三轴由于采用平面堆叠的方式所带来的缺陷，因此采用多轴，曲面堆叠所打印的零件力学性能能够得到很好的提升，能应用于力学性能要求高的场合。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述；需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容；因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

  1. 五轴打印系统，其特征在于，包括：扫描仪、标定板、机床和处理器；所述标定板设置于所述机台上；
    所述扫描仪，用于扫描待打印物体，获取待打印物体在扫描仪坐标系下的坐标；
    所述标定板，用于辅助标示扫描仪坐标系与机床坐标系的位置关系；
    所述处理器，用于通过所述标定板获取扫描仪坐标系和机床坐标系的转化关系，将扫描仪坐标系下的三维模型数据转化到机床坐标系下，并生成五轴打印轨迹。
  2. 如权利要求1所述五轴打印系统，其特征在于，所述处理器包括：坐标标定模块、扫描模块、轨迹规划模块和控制模块；
    所述坐标标定模块，用于通过图像识别算法计算得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系；
    所述扫描模块，用于获取所述扫描仪扫描的待打印物体的三维模型数据，并通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系将该三维模型数据转移到机床坐标系下；
    所述轨迹规划模块，用于在机床坐标系下进行规划并生成五轴打印轨迹；
    所述控制模块，用于根据五轴打印轨迹控制执行最终的五轴打印工作。
  3. 如权利要求2所述的五轴打印系统，其特征在于，还包括：修复模块和配准模块；
    所述修复模块，用于修复所述扫描模块获取的三维模型数据中的孔洞；
    所述配准模块，用于任意经过所述修复模块修复后的模型在任意空间位置进行配准打印。
  4. 五轴打印轨迹确定方法，基于权利要求1至3任意所述的五轴打印系统，其特征在于，包括以下步骤：
    S1将扫描仪坐标系与机床坐标系进行统一，得到扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系；
    S2通过S1获得的扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系，将扫描仪获取的待打印物体的三维模型数据转移到机床坐标系下；
    S4轨迹规划模块确定待打印物体的五轴打印轨迹。
  5. 如权利要求4所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S1包括：
    S11扫描仪扫描初始打印物体，获取初始打印物体在扫描仪坐标系下的三维数据模型；
    S12坐标标定模块识别标定板中原点、x方向和y方向三个点的相对于扫描仪坐标系的坐标位置；
    S13扫描模块将初始打印物体的三维模型数据投影到机床坐标系下，并获得扫描仪坐标系和机床坐标系的投影关系。
  6. 如权利要求5所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S2包括：
    S21扫描仪扫描待打印物体，并将数据发送给扫描模块，生成扫描仪坐标系下的待打印物体的三维模型数据；
    S22修复模块对待打印物体的三维模型数据进行孔洞修复；
    S23扫描模块通过扫描仪坐标系与机床坐标系的投影关系，将修复好的三维模型数据投影到机床坐标系下。
  7. 如权利要求6所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S4包括：
    S41根据需求选择合适的分层曲面；
    S42将分层曲面与三维模型进行布尔求交，求出其交线，并对轮廓进行内外轮廓的分类，最后把内轮廓与外轮廓进行匹配，确定填充区域；
    S43对于每个填充区域，根据填充方式，确定一条初始填充轨迹；通过对初始填充轨迹的偏置，对填充区域进行覆盖，最后通过填充区域边界轮廓对填充轨迹进行裁剪，去掉填充区域外的轨迹，得到实际的填充轨迹；
    S44根据工艺层厚的大小，对分层曲面进行等距偏置，得到下一个分层曲面，重复上述步骤，直到分层曲面与打印模型无相交区域。
  8. 如权利要求6所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S22包括：
    S221在待打印物体的三维模型上，通过半边结构寻找所有没有伙伴半边的半边，存储到容器A1中；
    S222通过容器A1，获取首尾相连一圈孔洞信息；
    S223遍历容器A1，获取模型上所有的孔洞信息；
    S224计算每个孔洞中每一个点的面积加权法向和夹角；
    S225计算每个点的平展度；
    S226对所有点平展度进行排序；
    S227从平展度最低的点开始补洞，如果点的平展度小于90°，且补出来的面片都没有将其他孔洞点框入其中，进行补洞；否则判断下一个点；
    S226循环执行S227，直至所有的孔洞都填补完毕。
  9. 如权利要求6所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S2后还包括：
    S3通过配准模块将三维模型与待打印物体进行配准。
  10. 如权利要求9所述的五轴打印轨迹确定方法，其特征在于，所述S3包括：
    S31根据待打印物体的实物尺寸，按照需求对三维模型进行任意比例缩放；
    S32旋转待打印物体，并移动三维模型到待打印物体；
    S33对三维模型和待打印物体进行求交，完成配准。
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