一种减少3D打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法

一种减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术领域，特别是涉及一种减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法。


背景技术：

2.利用3d打印技术可以对所需零件等进行加工制造，通俗来说3d打印是分层累加的增材制造。但是采用平面分层逐步累加的传统的三轴3d打印技术在打印过程中，零件表面层与层之间会产生边缘不平滑有阶梯式的结构，我们称之为阶梯效应，阶梯效应是3d打印技术不可避免的问题，容易造成打印的零件精度的偏差，从而不符合使用的要求。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对现有技术中传统三轴3d打印由于阶梯效应容易造成打印精度偏差，从而降低了物体表面质量的技术问题，本发明提供一种提高3d打印零件表面质量的五轴路径规划方法。
4.本发明公开一种减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，五轴路径用于对一个经三轴3d打印形成的待优化工件进行表面优化打印，该规划方法包括以下步骤：
5.获取打印目标的三维模型，并提取出三维模型表面每个三角面片的顶点坐标及其法向量。其中，三维模型在一个x-y-z坐标系内，且z轴垂直于x-y所在的水平面。
6.s1.在三维模型中提取出待优化表面。
7.s2.建立待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系。
8.s3.将待优化表面上的所有三角面片的顶点全部投影在平面上的单位圆圆域上，并建立映射关系。其中，在待优化表面上具有拓扑关系的两个顶点，在投影到单位圆圆域上保持拓扑关系。
9.s4.将投影在单位圆圆域上具有拓扑关系的投影点两两连接成线段，并将单位圆与线段进行求交，形成交点。
10.s5.将交点逆映射到待优化表面上，遍历所有逆映射后交点的坐标，并提取出逆映射后交点的x、y轴坐标及法向量。
11.s6.计算逆映射后交点组成的向量在水平面上与x轴的夹角，并根据夹角大小对逆映射后交点进行排序。
12.s7.利用直线将排序后的逆映射后交点依次连接形成封闭的多段线，进而构成单条的打印路径。
13.s8.将单位圆向内等距偏置一系列同心圆，并参照s3～s7的方法依次形成与每个同心圆对应的打印路径，进而组成完整的五轴3d打印路径。
14.作为上述方案的进一步改进，待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系的建立方法包括以下过程：
15.遍历待优化表面上每个三角面片各顶点的坐标，分析每个三角面片与其余各三角
面片之间的位置关系，分析结果如下：
16.(a)当两个三角面片拥有一个相同的顶点坐标，则表示两个三角面片有一个角重合。
17.(b)当两个三角面片拥有两个相同的顶点坐标，则表示两个三角面片以一条边相邻。
18.记录与每个三角面片存在边相邻位置关系的三角面片，进而建立所有三角面片的拓扑关系。
19.作为上述方案的进一步改进，拓扑关系的建立方法还包括以下过程：
20.为待优化表面上的各个三角面片添加编号。其中，通过记录与每个三角面片存在边相邻位置关系的三角面片的编号，进而建立所有三角面片的拓扑关系。
21.作为上述方案的进一步改进，在对待优化工件进行表面优化打印之前，提高物体表面质量的方法还包括以下步骤：
22.获取三维模型的三轴3d打印路径，并根据三轴3d打印路径打印出待优化工件。其中，三轴3d打印路径的获取方法包括以下过程：
23.利用多个平行平面对三维模型中的三角面片截交，以此在每个平面上得到相应的截交线段。
24.在每个平面上排序连接截交线段，进而生成三轴3d打印切片轮廓。
25.根据切片轮廓生成相应的3d打印填充路径，进而组成三轴3d打印路径。
26.作为上述方案的进一步改进，3d打印填充路径的类型采用轮廓平行填充路径、方向平行填充路径，以及轮廓平行和方向平行混合填充路径中的任意一种。
27.作为上述方案的进一步改进，步骤s3中，利用调和映射算法将待优化表面上的所有三角面片的顶点全部投影在平面上的单位圆上。
28.作为上述方案的进一步改进，s1中，通过materialise magics软件处理stl格式的三维模型，进而提取出待优化表面。
29.作为上述方案的进一步改进，s6中，对逆映射后交点进行排序时，排序算法的排序指标如下：
[0030][0031]
式中，(x，y)表示逆映射后交点组成的向量。θ为夹角。
[0032]
作为上述方案的进一步改进，s8中，根据所需要的路径间距将单位圆向内等距偏置形成同心圆。
[0033]
作为上述方案的进一步改进，s4中，将单位圆与线段进行求交存在三种结果：0个交点、1个交点和2个交点。
[0034]
与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
[0035]
本发明通过获取打印目标的三维模型，并提取出三维模型表面每个三角面片的顶点坐标及其法向量，然后在三维模型中提取出待优化表面，建立待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系，并依次通过投影、逆投影、排序以及连线交点等步骤，从而为打印目标规划出基于五轴3d打印的优化打印路径，进而可以根据规划出的五轴路径在传统三轴3d打印得到的工件上进行二次优化打印，相较于传统单独的三轴3d打印，本发明可以使得原本物
体弯曲的曲面在打印后也保持弯曲平滑，有效缓解了传统三轴3d打印产生的阶梯式结构对打印后物体的精度和质量的影响。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例中减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法的流程图；
[0037]
图2为本发明实施例中的槽牙stl模型外部图；
[0038]
图3为图2中槽牙stl模型内部图；
[0039]
图4为本发明实施例中三轴3d打印槽牙模型的填充路径图；
[0040]
图5为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面外部图；
[0041]
图6为图5中槽牙stl模型提取出的优化表面内部图；
[0042]
图7为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面上所有三角面片顶点在平面单位圆上的投影图；
[0043]
图8为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面上所有三角面片在平面单位圆上的投影图；
[0044]
图9为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面上所有三角面片上在平面单位圆上的投影中的线段与同心圆相交示意图；
[0045]
图10为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面上所有三角面片上在平面单位圆上的投影中的线段与同心圆相交的交点示意图；
[0046]
图11为本发明实施例中的槽牙stl模型提取出的优化表面上所有三角面片上在平面单位圆上的投影中的线段与同心圆相交的交点逆映射回槽牙模型表面示意图；
[0047]
图12为本发明实施例中对提取的槽牙模型外表面生成的五轴3d打印路径图；
[0048]
图13为本发明实施例中利用三轴五轴混合3d打印槽牙模型的路径图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
[0051]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0052]
请参阅图1，本实施例提供一种减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，包括以下步骤：规划打印目标的五轴3d打印路径并利用该五轴路径对一个经三轴3d打印形成的待优化工件进行表面优化打印，从而使路径垂直零件表面法向量方向平缓过渡，以缓解
零件表面的阶梯效应。如图2和图3所示，本实施例以利用3d打印技术加工制造槽牙为例。
[0053]
首先，获取打印目标的三维模型，并提取出三维模型表面每个三角面片的顶点坐标及其法向量。其中，三维模型在一个x-y-z坐标系内，且z轴垂直于x-y所在的水平面。
[0054]
本实施例中，通过构建空间直角坐标系，将物体的3d模型放置在空间直角坐标系中，获取物体3d模型外壁上所有点的坐标，以获取物体的3d模型在空间直角坐标系中的边界，根据空间直角坐标系获取每一个三角面片中三角形各顶点的坐标及其法向量。
[0055]
然后可以先获取槽牙模型的三轴3d打印路径，如图4所示，图4是三轴3d打印槽牙模型的填充路径图。具体地，三轴3d打印路径的获取方法包括以下过程：利用一系列平行平面与模型中的三角面片截交，每个平面上都会得到一系列的截交线段；在每一平面上排序连接截交线段生成三轴3d打印切片轮廓，然后将切片轮廓保存在名为层的数据文件中，即为slc文件；读取slc文件中的切片轮廓信息，利用切片轮廓生成3d打印填充路径，常见的路径有轮廓平行填充路径、方向平行填充路径以及轮廓平行和方向平行混合填充路径，本实施例采用轮廓平行填充路径。
[0056]
s1.在三维模型中提取出待优化表面，可利用可以处理stl数据的软件materialise magics提取出待优化表面，如图5和图6所示，为槽牙模型所需优化的表面。
[0057]
本实施例中，槽牙模型整体表面均需要优化，在一些实施例中，针对一些常规零件或工件，也可以进行选择性地局部优化。
[0058]
s2.建立待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系，拓扑关系的建立方法可包括以下过程：
[0059]
(1)为待优化表面上的各个三角面片添加编号；
[0060]
(2)遍历待优化表面上每个三角面片各顶点的坐标，分析每个三角面片与其余各三角面片之间的位置关系，分析结果至少包括如下的(a)、(b)两种。
[0061]
(a)当两个三角面片拥有一个相同的顶点坐标，则表示两个三角面片有一个角重合。
[0062]
(b)当两个三角面片拥有两个相同的顶点坐标，则表示两个三角面片以一条边相邻。
[0063]
至此，通过记录与每个三角面片存在边相邻位置关系的三角面片，进而建立所有三角面片的拓扑关系。
[0064]
s3.将待优化表面上的所有三角面片的顶点利用调和映射法全部投影在平面上的单位圆上，并建立映射关系，如图7所示，为上述顶点在单位圆上的投影图。
[0065]
s4.将投影在单位圆圆域上具有拓扑关系的投影点两两连接成线段，并将单位圆与线段进行求交，形成交点。如图8所示，为单位圆圆域上具有拓扑关系的投影点两两组成的线段示意图。其中，线段与圆求交有三种可能：0个交点，1个交点，2个交点。
[0066]
s5.将交点逆映射到待优化表面上，遍历所有逆映射后交点的坐标，并保留交点的法向量，然后提取出逆映射后交点的x、y轴坐标。
[0067]
s6.计算逆映射后交点组成的向量在水平面上与x轴的夹角，并根据夹角大小对逆映射后交点进行排序，排序算法的排序指标如下：
[0068]
[0069]
式中，(x，y)表示逆映射后交点组成的向量；θ为所述夹角。
[0070]
s7.利用直线将排序后的逆映射后交点依次连接形成封闭的多段线，进而构成单条的打印路径。
[0071]
s8.根据所需要的路径间距将单位圆向内等距偏置一系列同心圆，并参照s3～s6的方法依次形成与每个同心圆对应的打印路径，进而组成完整的五轴3d打印路径。请参阅图9和图10，图9为单位圆圆域内同心圆与上述线段相交示意图，a1为单位圆示意图，a2为单位圆一个偏置的同心圆示意图，图10为单位圆与圆域内同心圆与上述线段相交形成的交点示意图。
[0072]
如图11至图12所示，本实施例中，在建立三角面片的拓扑关系后，快速遍历槽牙表面上三角面片的顶点，将顶点利用空间映射法全部投影在平面上的单位圆上，则槽牙表面上边界上的顶点投影在单位圆圆上，槽牙表面上内部顶点投影在单位圆圆内，槽牙表面上具有拓扑关系的两个顶点，投影后扔具有拓扑关系，然后首先是单位圆与投影在单位圆圆上的具有拓扑关系的边界顶点两两组成的线段相交，然后把交点逆映射到槽牙模型表面上，遍历所有逆映射后交点的坐标，提取x，y轴坐标，然后计算x，y轴坐标组成的向量在平面上与x轴夹角，根据夹角大小对逆映射后交点进行排序，然后依次用直线链接，形成封闭多段线，从而形成一条五轴3d打印路径；然后将单位圆向内等距偏置出一系列同心圆，同心圆中每个圆依次按着上述流程与映射到单位圆内具有拓扑关系的内部顶点两两组成的线段相交，进而形成全部五轴3d打印路径。
[0073]
在得到三轴3d打印路径以及规划好五轴3d打印路径后，可先用传统的三轴3d打印路径打印出待优化槽牙工件，然后利用五轴3d打印路径对待优化槽牙工件进行表面优化打印,减少3d打印零件阶梯效应。
[0074]
本实施例中，如图13所示，三轴五轴混合3d打印槽牙模型的填充路径图，相较于传统的三轴3d打印，本发明方法可以使得原本物体弯曲的曲面在打印后也保持弯曲平滑，有效缓解了传统三轴3d打印产生的阶梯式结构对打印后物体的精度和质量的影响。
[0075]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0076]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，所述五轴路径用于对一个经三轴3d打印形成的待优化工件进行表面优化打印；所述规划方法包括以下步骤：获取打印目标的三维模型，并提取出所述三维模型表面每个三角面片的顶点坐标及其法向量；其中，所述三维模型在一个x-y-z坐标系内，且z轴垂直于x-y所在的水平面；s1.在所述三维模型中提取出待优化表面；s2.建立所述待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系；s3.将所述待优化表面上的所有三角面片的顶点全部投影在平面上的单位圆圆域上，并建立映射关系；其中，在所述待优化表面上具有拓扑关系的两个顶点，在投影到所述单位圆圆域上保持拓扑关系；s4.将投影在所述单位圆圆域上具有拓扑关系的投影点两两连接成线段，并将所述单位圆与所述线段进行求交，形成交点；s5.将所述交点逆映射到所述待优化表面上，遍历所有逆映射后交点的坐标，并提取出所述逆映射后交点的x、y轴坐标及法向量；s6.计算所述逆映射后交点组成的向量在所述水平面上与x轴的夹角，并根据夹角大小对所述逆映射后交点进行排序；s7.利用直线将排序后的所述逆映射后交点依次连接形成封闭的多段线，进而构成单条的打印路径；s8.将所述单位圆向内等距偏置一系列同心圆，并参照s3～s7的方法依次形成与每个同心圆对应的打印路径，进而组成完整的所述五轴3d打印路径。2.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，所述待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系的建立方法包括以下过程：遍历所述待优化表面上每个所述三角面片各顶点的坐标，分析每个所述三角面片与其余各三角面片之间的位置关系，分析结果如下：(a)当两个三角面片拥有一个相同的顶点坐标，则表示所述两个三角面片有一个角重合；(b)当两个三角面片拥有两个相同的顶点坐标，则表示所述两个三角面片以一条边相邻；记录与每个三角面片存在边相邻位置关系的三角面片，进而建立所有三角面片的拓扑关系。3.根据权利要求2所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，所述拓扑关系的建立方法还包括以下过程：为所述待优化表面上的各个三角面片添加编号；其中，通过记录与每个三角面片存在边相邻位置关系的三角面片的编号，进而建立所有三角面片的拓扑关系。4.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，在对所述待优化工件进行表面优化打印之前，通过获取所述三维模型的三轴3d打印路径，并根据所述三轴3d打印路径打印出所述待优化工件；其中，所述三轴3d打印路径的获取方法包括以下过程：利用多个平行平面对所述三维模型中的三角面片截交，以此在每个平面上得到相应的
截交线段；在每个平面上排序连接所述截交线段，进而生成三轴3d打印切片轮廓；根据所述切片轮廓生成相应的3d打印填充路径，进而组成所述三轴3d打印路径。5.根据权利要求4所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，所述3d打印填充路径的类型采用轮廓平行填充路径、方向平行填充路径，以及轮廓平行和方向平行混合填充路径中的任意一种。6.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，步骤s3中，利用调和映射算法将所述待优化表面上的所有三角面片的顶点全部投影在平面上的单位圆上。7.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，s1中，通过materialise magics软件处理stl格式的三维模型，进而提取出所述待优化表面。8.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，s6中，对所述逆映射后交点进行排序时，排序算法的排序指标如下：式中，(x，y)表示所述逆映射后交点组成的向量；θ为所述夹角。9.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，s8中，根据所需要的路径间距将所述单位圆向内等距偏置形成所述同心圆。10.根据权利要求1所述的减少3d打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，其特征在于，s4中，将所述单位圆与所述线段进行求交存在三种结果：0个交点、1个交点和2个交点。

技术总结
本发明涉及一种减少3D打印零件阶梯效应的五轴路径规划方法，该方法首先获取打印目标的三维模型，并提取出三维模型表面每个三角面片的顶点坐标及其法向量。然后在三维模型中提取出待优化表面，建立待优化表面上的所有三角面片的拓扑关系，并依次通过投影、逆投影、排序以及连线交点等步骤，组成完整的五轴3D打印路径。通过本发明规划的五轴3D打印路径可对一个经三轴3D打印形成的待优化工件进行表面优化打印，使得原本物体弯曲的曲面在打印后也保持弯曲平滑，有效缓解了传统三轴3D打印产生的阶梯式结构对打印后物体的精度和质量的影响。梯式结构对打印后物体的精度和质量的影响。梯式结构对打印后物体的精度和质量的影响。


技术研发人员：韩江 张文强 田晓青 夏链
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/4