一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法技术

本发明专利技术提供一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法。首先对目标模型进行横向等分切片，标记单/双轮廓；其次对模型中心切片，离散曲率轮廓，并基于模型表面轮廓曲率，计算各切片层轮廓偏置特征值，实现各水平切片内轮廓动态偏置填充；然后对切片进行纵向等分切割，获得目标模型空间离散点；最后对单轮廓构建虚拟双轮廓，进行离散点标记处理，以获得目标模型离散化三维空间等距点阵[n，j，m，0/1，r]。单一切割面内相同r值标记的离散点顺序连接，即得到单一切割面内的空间曲线；以切面m值顺序首尾连接，各切割面内的空间曲线，即得到单层空间曲面；以r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。即得到目标模型整体空间曲面路径。即得到目标模型整体空间曲面路径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法


[0001]本专利技术涉属于先进制造
，尤其涉及一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法，可结合多自由度打印设备实现空间曲面打印。

技术介绍

[0002]传统的增材制造技术(3D打印)多通过平面分层切片，进行层层叠加成形。核心思想在于将三维模型降为二维平面进行成形制造。但应对多曲率复杂构件成形时，平面分层固有的层间阶梯效应将极大影响成形精度，并且较差的层间结合性会降低曲面构件服役力学性能。常规热塑性材料3D打印时可通过降低层厚来尽可能减少上述影响。而连续纤维增强热塑性复合材料受增强纤维的限制，有着相对固定的层厚设定值，若采用平面分层切片的方式将极大限制这类材料增材制造构件的应用场景。因此开发基于曲面分层的增材制造技术具有极大的生产应用价值。
[0003]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。本专利提出一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法是通过一定方式将目标模型进行整体离散，基于离散点的位置关系，实现空间曲面分层的路径规划。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。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于动态轮廓偏置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。
[0005]一种基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法，包括以下步骤：
[0006]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；
[0007]步骤2：设定横向等分切片的特征层厚值t，对目标模型在高度方向，从下至上以t值进行等分切片，各切片顺序标记为“切片1”、“切片2”、
…
、“切片n”、
…
；
[0008]特征层厚值为目标打印层厚值，为该路径规划方法下的曲面打印层厚。
[0009]步骤3：对各切片进行轮廓边界数分类识别，标记双/单轮廓临界切片(最后一个双轮廓为“切片k
‑
1”，第一个单轮廓为“切片k”)，从下至上，各切片顺序附加标记为“切片1”、“切片2”、
…
、“切片k
‑
1”、、“切片k”、
…“
切片n”、
…
；
[0010]步骤4：对目标模型进行中心切片，与步骤2
‑
3所述的各水平切片轮廓相交得到模型轮廓曲线散点，获得模型轮廓曲率信息，从下至上对应切片标记号，顺序标记为“离散点1”、“离散点2”、
…
、“离散点n”、
…
；
[0011]步骤5：对“离散点n
‑
1”、“离散点n”两两连线，求其中垂线在中心切片面内的外法向矢量，将该矢量信息赋值到“离散点n
‑
1”，如此往复即可得到各离散点的未修正的法向；将“离散点n”前后两点“离散点n
‑
1”和“离散点n+1”的法向进行矢量合成即得到各离散点修
正后的近似真实法向；求解各离散点法向在中心切片面内的与各点所在水平切片的外偏角，从下至上对应切片标记号，顺序标记为“偏角θ1”、“偏角θ2”、
…
、“偏角θn”、
…
；
[0012]步骤6：基于步骤5所述求解的外表面轮廓曲率信息，求解各水平切片轮廓偏置特征值dn＝t/cos(θn)，实现各层轮廓偏置特征值的动态调整；
[0013]步骤7：根据步骤2
‑
3所述的双/单轮廓标记，双轮廓由内轮廓向外等距偏置填充，单轮廓则由外向内等距偏置填充，各层轮廓偏置特征值dn由步骤6确定，各轮廓由外向内，顺序标记为“轮廓1”、“轮廓2”、
…
、“轮廓j”、
…
；
[0014]步骤8：设定切面纵向等分切割间距d i s，对目标模型在宽度方向范围内以d i s值进行切面纵向切割，从左至右，各切割面顺序标记为“切割面1”、“切割面2”、
…
、“切割面m”、
…
，纵向切割面与经步骤7完成动态轮廓偏置填充的各水平切片相交得到目标模型空间离散点；
[0015]步骤9：根据步骤2
‑
3所述的双/单轮廓标记，对单轮廓切片构建虚拟双轮廓，如图1所示，在包含单轮廓的系列切割面内，基于临界的最后一个双轮廓“切片k
‑
1”的内/外边际离散点的距离比例，以单轮廓外边际离散点距离为基准，选取内部离散点构建虚拟内轮廓；
[0016]步骤10：针对目标模型空间离散点的标记，引入相对位置变量0/1，在切割面内对称标记离散点，内边际离散点起始标记“i”的规则为“切片标记≤k
‑
1时，内边际离散点起始标记为1，后续随着切片标记的增大而不断增大”，如图2所示，离散点顺序标记为“0|
…”
、“0|r”、“0|
…”
、“0|i+1”、“0|i”、；“1|i”、“1|i+1”、“1|
…”
、“1|r”、“1|
…”
；
[0017]步骤11：基于上述步骤1
‑
10，目标模型离散化三维空间等距点阵[n，j，m，0/1，r]，任一离散点均被独立标记，标记信息不重复；
[0018]步骤12：单一切割面内相同r值标记的离散点顺序连接，即得到单一切割面内的空间曲线；相同r值标记下，各切割面内的空间曲线，以切面m值顺序首尾连接，即得到单层空间曲面，填充模式为“之字形”；单层空间曲面，以r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。
[0019]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。
[0020]进一步的，步骤2
‑
9所述的横向等分切片数量、切面纵向等分切割面数量、交线离散点数量为整数，均向下求整。
[0021]进一步的，步骤8所述的纵向切割面与目标模型正视面成一定夹角，该角度决定单层空间曲面内打印排布方向，为实现各层空间曲面内排布方向的相对变换，该值可对应空间曲面层单独设置。
[0022]进一步的，目标模型离散程度是由t、d i s决定，数值越小，模型离散程度越高，精度越高。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]1、本专利技术提供的上述基于动态轮廓偏置离散的空间曲面打印路径规划方法，可改善连续纤维增强复合材料采用传统平面切片应对复杂曲面构件带来的尺寸阶梯误差和服役性能损失；
[0025]2、该方法采用动态轮廓偏置相较等距轮廓偏置可保障曲面层厚的一致性，进一步提升尺寸精度；
[0026]3、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。
附图说明
[0027]图1为基于动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态轮廓偏置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：设定横向等分切片的特征层厚值t，对目标模型在高度方向，从下至上以t值进行等分切片，各切片顺序标记为“切片1”、“切片2”、
…
、“切片n”、
…
；特征层厚值为目标打印层厚值，为该路径规划方法下的曲面打印层厚；步骤3：对各切片进行轮廓边界数分类识别，标记双/单轮廓临界切片；最后一个双轮廓为“切片k
‑
1”，第一个单轮廓为“切片k”，从下至上，各切片顺序附加标记为“切片1”、“切片2”、
…
、“切片k
‑
1”、、“切片k”、
…“
切片n”、
…
；步骤4：对目标模型进行中心切片，与步骤2
‑
3所述的各水平切片轮廓相交得到模型轮廓曲线散点，获得模型轮廓曲率信息，从下至上对应切片标记号，顺序标记为“离散点1”、“离散点2”、
…
、“离散点n”、
…
；步骤5：对“离散点n
‑
1”、“离散点n”两两连线，求其中垂线在中心切片面内的外法向矢量，将该矢量信息赋值到“离散点n
‑
1”，如此往复即可得到各离散点的未修正的法向；将“离散点n”前后两点“离散点n
‑
1”和“离散点n+1”的法向进行矢量合成即得到各离散点修正后的近似真实法向；求解各离散点法向在中心切片面内的与各点所在水平切片的外偏角，从下至上对应切片标记号，顺序标记为“偏角θ1”、“偏角θ2”、
…
、“偏角θn”、
…
；步骤6：基于步骤5所述求解的外表面轮廓曲率信息，求解各水平切片轮廓偏置特征值dn＝t/cos(θn)，实现各层轮廓偏置特征值的动态调整；步骤7：根据步骤2
‑
3所述的双/单轮廓标记，双轮廓由内轮廓向外等距偏置填充，单轮廓则由外向内等距偏置填充，各层轮廓偏置特征值dn由步骤6确定，各轮廓由外向内，顺序标记为“轮廓1”、“轮廓2”、
…
、“轮廓j”、
…
；步骤8：设定切面纵向等分切割间距dis，对目标模型在宽度方向范围内以dis值进行切面纵向切割，从左至右，各切割面顺序标记为“切割面1”、“切...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈意伟，宋亚星，单忠德，范聪泽，宋文哲，郑菁桦，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：