一种基于多分支结构零件的桌面级3D打印路径规划方法

本发明涉及3d打印，特别是涉及一种基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法。

背景技术：

1、3d打印，也称为增材制造技术或者是快速成型技术，它作为工业领域的一项革命性的技术，在如教育、民用等其他各种领域中也均有所应用，尤其是在航天、汽车等加工制造领域里的地位越来越重要。3d打印技术原理简单说就是逐层堆积材料完成物品的制造，其优势是设计自由度高，这对于多分支结构零件的制造非常有利，可实现随时随地快速制造出想要的零件。

2、但是我国3d打印技术真正走向市场也是最近几年，本身还不够成熟与完善，目前其应用受到了制造效率低下和制造质量差等问题的限制，打印路径规划是集制造方法改进与算法优化方面的一个重要突破点。以注塑机中的多分支零件来讲，首先这种零件的制作过程相对而言比较复杂，直接使用单一填充方式进行全局填充会造成成品质量差的问题，如弧线部分z字型填充产生的阶梯效应无法消除造成轮廓表面粗糙，而轮廓偏置填充虽然能保持轮廓精度但会出现裂缝、填充不均匀等问题造成内部填充质量差；其次对于多分支零件打印效率起决定性的因素之一就是空行程长度，所以对喷头跳跃路径规划研究很有必要。

3、在目前的打印算法中，没有针对制造业中多分支结构零件的合适的路径规划方法，因此有必要综合模型内外的精度和打印效率考虑，提出一种针对多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划处理方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划处理方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

2、本发明的技术解决方案是，提供一种基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划处理方法，具体步骤如下：

3、步骤一：待打印多分支结构零件建模，对模型分层并存储每层轮廓信息；

4、所述步骤一包括两个步骤：

5、(1)通过三维建模软件solidworks建立出待打印物体的三维模型，生成stl文件，文件中所有三角面片沿z轴按顺序从低到高依次排列并保存为triangles对象列表，由此可以得到所有面片顶点中z坐标的zmax和zmin；

6、(2)制造业中常用的多分支零件没有复杂的外部表面特征，选择等厚分层算法对模型分层即可，下面以注塑机中的多分支零件为例进行说明。将stl文件导入pycharm平台，用户自定义层厚t直接对待打印stl模型进行分层得到全部轮廓信息，总的分层数目n，公式如下：

7、n＝(zmax-zmin)/t

8、步骤二：根据每层轮廓信息进行分区，得到不同类型子区域，并对子区域进行自适应填充，进行子区域内打印路径规划；

9、所述步骤二包括四个步骤：

10、(1)针对多分支结构零件的特点，采用梯形分解方法对切片面图形进行分区，目的是化繁为简得到尽可能多的规则子区域。这里对梯形分解算法进行优化，分解时只识别外轮廓信息，对内轮廓信息仅做保留，避免分解出过多不必要的子区域。具体方法为输入轮廓坐标信息，判断其方向的正负性，若为正则进入下一步骤，若为负则将轮廓信息保留；然后搜索凹点，若无凹点则算法结束，否则进入下一步骤；定位到凹点，在凹点处水平延伸直至遇到障碍物；重复上述过程，输出每个子区域的坐标信息。

11、(2)通过判断是否含弧线将得到的子区域分为直线多边形子区域和弧线多边形子区域两类；

12、(3)直线图形子区域进行z字型路径规划，调整填充角度为与边平行，避免出现阶梯效应；

13、(4)弧线图形子区域采用优化的轮廓偏置算法进行路径规划，自适应调整打印顺序、相邻路径间不断开直接连接形成一条打印路径，另外偏置间距不均匀问题往往发生在偏置线在最内侧即将相交处，这需要借助改变打印机打印速率来改变打印路径宽度，公式如下：

14、

15、通过调节打印机打印速率来自适应打印偏置线宽度。其中t为打印速率，d1为打印路径宽度，d2为耗材宽度，h为打印路径高度，这个公式考虑到实际打印路径横截面为椭圆，耗材横截面为圆。

16、步骤三：利用粒子群算法针对子区域间喷头跳跃路径按打印顺序进行规划；

17、所述步骤三包括两个步骤：

18、(1)检测出各子区域填充线的起始点，将这些点输出保存为txt文档从而得到起始点的集合；

19、(2)运用粒子群算法找到连接各子区域起始点的最短喷头跳跃路径，设置合适的粒子个数和迭代次数等相关参数，不断迭代生成最优解。其中粒子速度公式和粒子位置公式分别如下所示：

20、

21、

22、这里引入柯西分布因子cauchy(0，1)来提高寻优能力，摆脱局部最优，更全面的接近全局最优。式中，k为当前迭代次数，ω为粒子惯性权重，r1、r2分别为粒子向个体极值和全局极值进化的学习因子，为粒子在第k次迭代的速度向量、为粒子在第k次迭代的位置向量，为粒子在第k次迭代的历史最优位置、为群体在第k次迭代的历史最优位置。

23、步骤四：根据步骤二中的子区域内路径规划结果和步骤三中的子区域间的喷头跳跃路径规划结果生成桌面级3d打印机打印程序g代码并进行3d打印。

24、(1)根据步骤二中的子区域内路径规划结果和步骤三中的子区域间的喷头跳跃路径规划结果生成g代码；

25、(2)将g代码导入桌面级3d打印机进行实物打印。

26、与现有技术相比，本发明提供了一种基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，具备以下有益效果：

27、1、本发明根据多分支结构特点进行分区，并根据子区域特点分类进行自适应填充，提高模型内外的打印精度，也一定程度上提高了模型强度。

28、2、本发明结合算法优化与打印机控制的方式，减少打印喷头抬起次数与空行程长度，提高了打印效率。

技术特征：

1.一种基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，所述步骤一包括两个步骤：

3.根据权利要求2所述的基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤二包括四个步骤：

4.根据权利要求3所述的基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤三包括两个步骤：

5.根据权利要求4所述的基于多分支结构零件的桌面级3d打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤四包括两个步骤：

技术总结本发明公开了基于多分支结构零件的桌面级3D打印路径规划方法，包括以下步骤：待打印多分支结构零件建模，对模型分层并存储每层轮廓信息；根据每层轮廓信息进行分区，得到不同类型子区域，并对子区域进行自适应填充，进行子区域内打印路径规划；利用粒子群算法针对子区域间喷头跳跃路径按打印顺序进行规划；根据步骤二中的子区域内路径规划结果和步骤三中的子区域间的喷头跳跃路径规划结果生成桌面级3D打印机打印程序G代码并进行3D打印。本发明在提高了3D打印零件精度和强度的同时提高了打印效率，满足实际使用需求。技术研发人员：王敏,张飞,任泽君受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11