基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法技术

基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，以零件单层切片为对象，识别并提取当前层切片中的各个多边形连通区域，求取多边形连通区域的主轴方向后利用投影法分别求取多边形连通区域在主轴方向及与主轴垂直方向的跨度，将两个方向的跨度均大于用户设定阈值的多边形连通区域采用岛型扫描方式规划扫描路径，不满足的多边形连通区域采用平行扫描方式规划扫描路径。本发明专利技术可避免对小连通区域进行岛型扫描路径规划，提高计算效率及小连通区域的加工效率、成形质量；有效避免过长扫描线的出现，减少零件变形量；保障层间搭接，均衡温度场；减少了实际加工中激光跳转的空行程，提高了加工效率。

A method of laser scanning path region planning based on polygon geometric feature recognition

【技术实现步骤摘要】
基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法
本专利技术属于激光选区熔化增材制造
，具体涉及一种基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法。
技术介绍
近年来，激光选区熔化技术得到了广泛关注与快速发展，在航空、航天、模具、医疗等领域展现出广阔的应用前景与技术优势。其通过专用软件对零件三维模型进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束有选择地按照一定的扫描方式作用于金属粉末，使扫描过后的粉末熔化凝固，通过逐层堆积，制造三维实体零件。对于激光选区熔化技术，粉末在快速熔化凝固过程中产生的热量及其传递对应力集中和零件变形开裂有直接影响。因此，合理的激光扫描路径可以对热量进行有效管理和控制，从而均衡成形件温度场、减少应力集中、防止变形开裂，改善零件成形质量。例如，ConceptLaser公司提出的岛型扫描策略，将模型的每一层加工区域划分为多个岛型区域，利用随机曝光策略依次加工各个岛，大大降低了加工过程中内应力的产生。但若小区域采用岛型扫描不仅降低扫描路径的计算效率和零件的加工效率，还容易形成过短的扫描线，造成激光的频繁开关，且不易控制岛之间的搭接从而影响最终的成形质量。随着激光选区熔化技术应用范围的扩大，所加工的零件也愈发复杂，零件模型各层切片的多边形连通区域的大小、数量不断变化，单一的扫描方式不再适合整个模型的加工制造，因此有必要依据各个切片的多边形连通区域的几何特征信息采用合适的扫描方式进行扫描路径规划，保证零件的最终成形质量。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法。该方法能够识别提取切片中的多边形连通区域，然后依据连通区域几何信息决策合适的扫描方式进行路径规划，有效保证扫描路径的计算效率、零件的加工效率，且能够均衡零件成形过程中的温度场、保证零件的成形质量。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入零件三维模型的所有层的切片信息，根据实际制造需要确定扫描间距d、岛边长L；步骤2：读取用户定义的连通区域采用岛型扫描方式所需的最小跨度Sp；步骤3：读取单层切片中的轮廓多边形，判断轮廓之间的包含关系，依据各个轮廓之间的包含关系以及被包含的次数构建轮廓树结构，其中外轮廓被其它轮廓包含的次数为偶数，内轮廓被其它轮廓包含的次数为奇数；步骤4：利用轮廓树结构提取各个多边形连通区域，每个多边形连通区域包含一条外轮廓和N条内轮廓，N≥0，且每个多边形连通区域内的外轮廓被包含次数比其内轮廓被包含次数小1；步骤5：以多边形连通区域为对象，求取当前多边形连通区域的主轴方向；步骤6：调取当前多边形连通区域的外轮廓，利用投影法求取所有轮廓顶点在主轴方向和与主轴垂直方向的投影值，通过投影值计算当前多边形连通区域在两个方向的跨度S1和S2，通过将S1和S2分别与Sp比较，进行该多边形连通区域的扫描路径规划；步骤7：依次读取各个多边形连通区域，完成当前切片层的扫描路径规划；步骤8：遍历整个零件模型的切片信息，完成零件激光扫描路径的规划并输出扫描路径。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，步骤3中，利用射线法判断轮廓之间的包含关系。进一步地，步骤5中，利用协方差矩阵求取当前多边形连通区域的主轴方向。进一步地，步骤6中，通过投影值的最大最小值之差得到当前多边形连通区域在两个方向的跨度S1和S2，将S1和S2分别与Sp比较，均大于Sp则对该多边形连通区域采用岛型扫描方式规划路径，否则采用平行扫描方式规划路径；在进行扫描路径规划时，扫描方向由主轴方向确定。进一步地，采用平行扫描方式规划路径时，奇数层的切片求取多边形连通区域的主轴方向后，将其旋转角度θ后作为扫描方向；偶数层的切片求取多边形连通区域的主轴方向后，将其旋转角度(180°-θ)后作为扫描方向，从而保证相邻层的扫描方向互相交叉。进一步地，采用岛型扫描方式规划路径时，各个岛采用平行扫描路径规划，且相邻岛的扫描方向互相垂直；奇数层的切片求取多边形连通区域的主轴方向后，将其旋转角度θ后作为其中一个基础岛的扫描方向，再以这个基础岛的扫描方向衍生出其他岛的扫描方向；偶数层的切片求取多边形连通区域的主轴方向后，将其旋转角度(180°-θ)后作为其中一个基础岛的扫描方向，再以这个基础岛的扫描方向衍生出其他岛的扫描方向；从而保证相邻层的扫描方向互相交叉。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术以多边形连通区域为对象进行扫描路径规划，求取连通区域的主轴方向后利用投影法分别求取多边形连通区域在主轴方向及与主轴垂直方向的跨度，通过与用户定义的跨度阈值比较可避免对小连通区域进行岛型扫描路径规划，提高计算效率及小连通区域的加工效率、成形质量；2、本专利技术以多边形连通区域为对象进行扫描路径规划，通过求取多边形连通区域的主轴方向确定扫描方向，可有效避免过长扫描线的出现，减少零件变形量；3、本专利技术对奇数层的多边形连通区域的主轴方向旋转角度θ作为扫描方向、偶数层的多边形连通区域的主轴方向旋转角度(180°-θ)作为扫描方向，保证相邻层的扫描方向互相交叉，可以保障层间搭接，均衡温度场；4、本专利技术以多边形连通区域为对象进行扫描路径规划，减少了实际加工中激光跳转的空行程，提高了加工效率。附图说明图1为本专利技术进行扫描路径规划的流程示意图。图2为本专利技术进行扫描路径规划的模型示例图。图3a到3b为对图2所示模型采用本专利技术方法得到的扫描路径示意图，其中图3a为对于大面积的底座采用岛型扫描方式，图3b为对于晶格填充部分采用平行扫描方式。图4为对包含大面积的多边形连通区域和小面积的多边形连通区域的切片采用本专利技术方法得到的扫描路径示意图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术公开了一种基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，如图1所示，包括：以零件单层切片为对象，识别并提取当前层切片中的各个多边形连通区域，求取多边形连通区域的主轴方向后利用投影法分别求取多边形连通区域在主轴方向及与主轴垂直方向的跨度，将两个方向的跨度均大于用户设定阈值的多边形连通区域采用岛型扫描方式规划扫描路径，不满足的多边形连通区域采用平行扫描方式规划扫描路径。其中，采用岛型扫描路径规划时各个岛采用平行扫描路径规划，且相邻岛的扫描方向互相垂直。此外，通过对奇偶层多边形连通区域的主轴方向旋转不同角度作为扫描方向，保证相邻层的扫描方向互相交叉。该方法具体包括以下步骤：步骤1：输入零件三维模型的所有层的切片信息，根据实际制造需要确定扫描间距d、岛边长L。步骤2：读取用户定义的连通区域采用岛型扫描方式所需的最小跨度S。。步骤3：读取单层切片轮廓多边形，利用射线法判断轮廓之间的包含关系，依据各个轮廓之间的包含关系以及被包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：输入零件三维模型的所有层的切片信息，根据实际制造需要确定扫描间距d、岛边长L；/n步骤2：读取用户定义的连通区域采用岛型扫描方式所需的最小跨度S

【技术特征摘要】
1.基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：输入零件三维模型的所有层的切片信息，根据实际制造需要确定扫描间距d、岛边长L；
步骤2：读取用户定义的连通区域采用岛型扫描方式所需的最小跨度Sp；
步骤3：读取单层切片中的轮廓多边形，判断轮廓之间的包含关系，依据各个轮廓之间的包含关系以及被包含的次数构建轮廓树结构，其中外轮廓被其它轮廓包含的次数为偶数，内轮廓被其它轮廓包含的次数为奇数；
步骤4：利用轮廓树结构提取各个多边形连通区域，每个多边形连通区域包含一条外轮廓和N条内轮廓，N≥0，且每个多边形连通区域内的外轮廓被包含次数比其内轮廓被包含次数小1；
步骤5：以多边形连通区域为对象，求取当前多边形连通区域的主轴方向；
步骤6：调取当前多边形连通区域的外轮廓，利用投影法求取所有轮廓顶点在主轴方向和与主轴垂直方向的投影值，通过投影值计算当前多边形连通区域在两个方向的跨度S1和S2，通过将S1和S2分别与Sp比较，进行该多边形连通区域的扫描路径规划；
步骤7：依次读取各个多边形连通区域，完成当前切片层的扫描路径规划；
步骤8：遍历整个零件模型的切片信息，完成零件激光扫描路径的规划并输出扫描路径。


2.如权利要求1所述的基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，其特征在于：步骤3中，首先利用轮廓包围盒大小对轮廓进行预排序，然后结合坐标极值法和射线法判断轮廓之间的包含关系。


3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文和，管志方，刘婷婷，张长东，施昕，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32