一种多自由度3D打印曲面切片以及路径规划方法

一种多自由度3d打印曲面切片以及路径规划方法
技术领域
1.本发明属于增材制造领域，涉及一种多自由度3d打印曲面切片以及路径规划方法。


背景技术：

2.多自由度(3自由度以上)3d打印是将传统3d打印与机器臂结合起来的新兴领域。多自由度3d打印能够有效克服传统3d打印的缺陷。多自由度3d打印能够动态调整打印喷头的姿态，从而减少支撑结构，减轻阶梯效应，提高零件的力学性能和表面质量，可以实现无支撑打印，共形打印，多向打印，大尺寸打印。
3.多自由度3d打印的关键技术是将3d模型进行降维，得到一组曲面，然后在曲面上做路径规划，得到一组可执行打印路径。将打印路径输入到机器臂中，执行打印操作。
4.实现多自由度3d打印的传统方法是选定基准面，然后将基准面沿法向偏移与3d模型求交，等到曲面层。传统的偏移法会出现自交，环，法向不唯一等情况，因此适用性差，不能处理复杂模型。
5.根据文献调研了解到主要存在两种比较创新的方法实现多自由度3d打印。一种是将3d模型离散成体素，在满足无支撑和无干涉的约束下，生成等值曲面，然后在曲面上生成连续费马螺旋轨迹。该方法对计算资源要求高。另一种是在水密三维模型表面建立到基准面的测地距离场，提取互不相交的等值轮廓线，将等值轮廓线投影到平面后填充三角形，然后再映射到3维空间生成曲面，然后在曲面上求解等距测地线,做路径规划。该算法复杂度高，求解时间较长。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于针对复杂模型实现多自由度3d打印，提供一种新的曲面切片以及路径规划的方法。该方法切片不会出现自交现象，且适用于多亏格、多分支等复杂模型。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种多自由度3d打印曲面切片以及路径规划方法，包括以下步骤：
9.步骤一：将零件数字化模型s1使用四面体网格填充算法生成四面体网格模型s2；
10.步骤二：选定基准面设置为边界条件，基于eikonal方程求解偏微分方程；
11.步骤三：基于marching tet算法提取等值面，生成若干等值面集合s4；
12.步骤四：对于每一个等值面，将等值面网格重新划分；判断等值面是否含有多个连通子图；若有，使用深度优先遍历算法dfs将等值面分割成若干子等值面，生成单连通拓扑曲面集合s5，进入步骤五；若无，直接进入步骤五；
13.步骤五：判断单连通拓扑曲面集合的每个元素是否有洞，若有，将几何体分割为简单的无洞几何集合s6，进入步骤六；若无，则直接进入步骤六；
14.步骤六：遍历无洞几何集合s6的曲面，选中曲面的边缘，使用测地线算法提取等距
测地线，使用b样条曲线优化，使用gauss-legender数值积分实现等弧长采样，得到单层填充路径s7；
15.步骤七：使用最邻近算法knn提取邻近k个顶点，计算路径法向，然后使用中值滤波器光滑法向，得到单层填充路径法向s8；
16.步骤八：判断切片是否完成，若未完成，则返回步骤四；若完成，则输出模型填充路径s9。
17.进一步，步骤一中所述四面体网格填充算法具体为：
18.使用开源网格算法库tetgen,tetgen基于delaunay三角剖分原理，采用递增式插点法生成四面体网格。
19.进一步，步骤二中所述eikonal方程为：
[0020][0021]
其中ω是rn空间的开集，u(x)表示从边界出发到点x∈ω的最短时间，f(x)是在点x处的速度；当f(x)＝1时，对于任意一点x∈ω到边界的最短传播时间等于测地距离；
[0022]
所述eikonal方程是非线性一阶偏微分方程，表示波在非均匀介质中传播的高频近似；所述eikonal方程的解表示波从边界出发，传播到3d模型内部任意一点的最短时间，从而建立时间场s3。
[0023]
进一步，步骤三所述基于marching tet算法提取等值面具体包括以下步骤：
[0024]
step31：计算时间场s3的最小值min和最大值max；取介于最小值和最大值的数，记为isoval；
[0025]
step32：遍历s3中每一个四面体，比较四面体的四个顶点与isoval的大小；
[0026]
step33：若四个顶点的值都比isoval大或者小则跳过；
[0027]
step34：否则在该四面体上进行线性插值，将插值点连接起来，生成三角面片；
[0028]
step35：遍历完后，就得时间场为isoval的等值面。
[0029]
进一步，步骤四中所述使用深度优先遍历算法dfs将等值面分割成若干子等值面，生成单连通拓扑曲面集合s5的具体步骤包括：以等值面的顶点的拓扑关系建立邻接矩阵或者邻接链表，然后使用深度优先或者广度优先算法遍历，将等值面分割单连通拓扑曲面集合s5。
[0030]
进一步，步骤六所述使用测地线算法提取等距测地线，使用b样条曲线优化，使用gauss-legender数值积分实现等弧长采样，得到单层填充路径s7，具体包括以下步骤：
[0031]
step61：选取曲面边缘的顶点，使用测地线算法，如heat method或者mmp算法求解曲面测地场；
[0032]
step62：计算测地场的最小值min和最大值max，设置等距间隔d，计算曲面上有n＝(max-min)/d条曲面；
[0033]
step63：计算每条等距测地线。取测地距离s＝i*d min(0《＝i《＝n)；遍历曲面每一个三角形，若三角形的测地距离都比s大或者小则跳过；否则在三角形的边上进行线性插值，得到插值点，连接插值点，得到线段。遍历完成后，连接所有测地线段，得到等距测地线；
[0034]
step64：使用3阶b样条曲线插值，得到b样条曲线，基于gauss-legender数值积分
实现等弧长采样，得到单层填充路径s7。
[0035]
进一步，步骤七具体包括以下步骤：
[0036]
step71：设当前层为si,前一层为s
i-1
，以曲面s
i-1
的顶点建立8叉树；
[0037]
step72：遍历曲面si的顶点，计算每个顶点到曲面s
i-1
最近的k个最近邻点，计算k个顶点的平均值，得到离当前点最近的点，连接最近点，得到该点的法向；
[0038]
step73：使用中值滤波光滑法向量。本发明的有益效果在于：相比较传统切片方法，本方法基于物理方程，可以针对多分支，多亏格等复杂模型进行曲面切片，求解速度快。
[0039]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0041]
图1为本发明所述多自由度3d打印曲面切片以及路径规划方法流程图；
[0042]
图2为初始模型示意图；
[0043]
图3为基于eikonal方程求解偏微分方程效果图；
[0044]
图4为若干等值面集合生成图；
[0045]
图5为单层填充路径效果图；
[0046]
图6为单层填充路径法向图；
[0047]
图7为模型填充路径效果图。
具体实施方式
[0048]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0049]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0050]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0051]
请参阅图1～图7，本发明提供一种多自由度3d打印曲面切片以及路径规划方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)将零件数字化模型(记为s1)使用四面体网格填充算法生成四面体网格模型(记为s2)。效果如图2。
[0053]
(2)选定基准面设置为边界条件，基于eikonal方程求解偏微分方程。效果如图3。
[0054]
(3)基于marching tet算法提取等值面；生成若干等值面集合(记为s4)。效果如图4。
[0055]
(4)对于每一个等值面，将等值面网格重新划分，提高网格质量；判断等值面是否含有多个连通子图。
[0056]
若有，使用dfs(深度优先遍历)算法将等值面分割成若干子等值面，生成单连通拓扑曲面集合(记为s5)，进入步骤(5)；若无，进入步骤(5)；
[0057]
(5)判断单连通拓扑曲面集合的每个元素是否有洞。若有，
[0058]
将几何体分割为简单的无洞几何集合(记为s6)，进入步骤(6)；若进入步骤(6)；
[0059]
(6)遍历s6的曲面，选中曲面的边缘，使用测地线算法提取等距测地线，使用b样条曲线优化，使用gauss-legender数值积分实现等弧长采样，得到单层填充路径(记为s7)。效果如图5。
[0060]
(7)使用knn(最邻近)算法提取邻近k个顶点,计算路径法向,然后使用中值滤波器光滑法向，得到单层填充路径法向(记为s8)。效果如图6。
[0061]
(8)判断切片是否完成。若未完成，则回到(4)；若完成，则输出模型填充路径(记为s9)。效果如图7。
[0062]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。