一种增材制造中的复杂切片区域自动分割方法技术

本发明专利技术提供了一种增材制造技术中的复杂切片区域自动分割方法，属于增材制造领域。本方法将带孔的复杂截面轮廓分割成若干个简单的无内孔的子区域。每一个子区域均不需要抬刀即可连续打印完成。经过区域分割后，每一个区域依次单独加工，抬刀仅发生在区域间的连接过程中。这样避免了简单的平行扫描路径需要多次跨越非加工路径的内孔区域。本方法针对含有孔洞等形状特征的复杂切片区域，解决以机构空行程最少为目标的切片区域优化分割问题，实现扫描路径轨迹的优化。所发明专利技术切片区域分割方法包括分割点判别算法、区域分割交点算法以及分区域轮廓信息存储算法。可避免了简单平行扫描路径需要多次跨越非加工路径的内孔区域，从而可提高增材制造的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种增材制造技术中的复杂切片区域自动分割方法，属于增材制造

技术介绍
增材制造技术，也称为3D打印，是近年来制造领域的研究热点，但由于目前3D打印的加工效率问题，决定该制造技术更适合于个性化产品和小批量产品的生产。如何提高增材制造技术的生产效率、提高成型速度也成为了当前一个亟待解决的重要问题。3D打印加工是一个材料逐层累加制造的过程，当3D打印模型经过分层切片后，切片层包含孔、洞等结构的情况居多，此时生成的加工轨迹需要多次跨越内孔结构，不可避免的引起了空行程。跨孔次数越多、非加工区域空行程越长，则加工效率越低。因此，有效的减少空走次数和空行程是对于包含内孔的平面结构生成加工轨迹的重要优化问题。加工轨迹规划中，一种减少抬刀次数的方法是区域分割算法。这种算法的思想是将带孔的复杂截面轮廓分割成若干个简单的无内孔的子区域。每一个子区域均不需要喷头跨越即可连续打印完成。经过区域分割后，每一个区域依次单独加工，抬刀仅发生在区域间的连接过程中。这样避免了简单的平行扫描路径需要多次跨越非加工路径的内孔区域，可以显著的提高打印效率。KaiTang等人提出了局部最优和全局最优方案。局部最优方案旨在给定的平面区域分割方向下找到一次加工成型的子区域数量最少的分割方案。全局最优方案旨在寻找使用局部最优方案分割后，生成子区域数量最少的平面分割方向。同济大学的朱传敏等人将计算机图形学中凹多边形凸分解算法的相关理论应用到扫描路径规划中，通过对凹多边形的区域分割，简化了复杂的平面加工轮廓。但该算法尚不能很好的适用于某些具有复杂平面内孔轮廓的加工问题。
技术实现思路
针对含有孔洞等形状特征的复杂切片区域，以减少机构空行程为目标的切片区域优化分割问题，本专利技术提供了一种增材制造技术中的复杂切片区域自动分割方法。本专利技术所采用的技术方案是：所专利技术切片区域分割方法包括分割点判别算法、区域分割交点算法以及分区域轮廓信息存储算法。一种增材制造中的复杂切片区域自动分割方法，步骤如下：(1)区域分割点判别：复杂切片区域即分层切片后，包含孔的平面加工区域，该平面加工区域外轮廓为凸多边形；对复杂切片区域上任一异形孔的顶点依次遍历，针对任一顶点，设置一条水平线，判断该顶点的相邻两条边是否在设置的水平线同侧，若是，则该顶点可能是分割点；否则，一定不是分割点；确定所有可能的分割点，对任一可能的分割点，首先过该可能的分割点向右引出第一射线，若第一射线与该异形孔边界没有交点，则该可能的分割点即为分割点，该分割点射线标识位为向右；若第一射线与该异形孔边界相交，则再从该点向左引出第二射线，并判断第二射线与该异形孔边界是否相交，若无交点，则该可能的分割点为分割点，且该分割点射线标识位为向左，否则该可能的分割点不是分割点，直至判断出所有的分割点；(2)区域分割交点计算：针对只有一个异形孔的复杂切片区域，从任一分割点向其自身的标识位方向引出第三射线，第三射线与复杂切片区域外轮廓的交点即为分割交点；针对有多个异形孔的复杂切片区域，选取其中任一异形孔上的任一分割点，向其自身标识位方向引第四射线，若第四射线与其余异形孔无交点或只有一个交点，则第四射线与复杂切片区域外轮廓的交点即为区域分割交点；若第四射线与其余异形孔有两个以上交点，且该分割点射线标识位向右，则取x坐标值最小的交点为当前分割点对应的分割交点；若该分割点射线标识位向左，则取x坐标值最大的交点为当前分割点对应的分割交点，直至判断出所有的分割交点；其中，坐标系以所选取的分割点为原点，x坐标轴、射线与水平线平行；(3)分区域轮廓信息存储：将分割点、分割交点和各异形孔的顶点存放于数据结构中，并以链表形式进行遍历和数据信息存储，形成最终的子加工区域。本专利技术的有益效果：本专利技术的方法可避免简单平行扫描路径时需要多次跨越非加工路径的内孔区域，有效地减少了打印头抬刀次数，从而可显著地提高增材制造设备的打印效率。附图说明图1平面复杂切片区域实例1示意图。图2分割点P0判别示意图。图3分割点P3判别示意图。图4排除可能的分割点P4示意图。图5分割点P5判别示意图。图6是实例1区域分割结果示意图。图7平面复杂切片区域实例2示意图。图8分割交点坐标位置求解实例示意图。图9平面复杂切片区域实例3示意图。图10实例3采用算法流程后得到的数据信息示意图。图11实例3区域分割结果示意图。具体实施方式以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。实施例(1)区域分割点的判别：图1中，内轮廓为凹多边形的孔结构，它由P0～P6共七个坐标点构成，相邻下标索引值的两个数据点的连线构成了内轮廓的边。按照上述区域分割点判别算法，由P0～P6依次考察内轮廓的各个顶点。以考察P0为例，P0相邻索引值的下一点为P1，二者的y坐标值不等，即P0P1不是水平边。与P0相邻的内轮廓顶点为P1、P6，过P0点作一条水平线L，如图2，不难发现P1、P6两点在水平线L的同侧，则P0为可能的分割点。此时，首先从P0点向右侧引出射线，发现该射线与P0所在内轮廓的所有边均不相交，则断定P0为区域分割点，且P0的射线标识位为ray_Right。将P0的信息以上面建立的数据结构的形式存储起来，并保存进建立的区域分割点vector容器中。定义：区域分割点引出的射线与其余轮廓的交点为区域分割交点。这里，P0引出的射线与外轮廓交于点P′0，P′0即为区域分割交点，如图3所示。定义：线段P0P′0为区域分割线。利用同样的判断过程可以判断出P3也是区域分割点，P′3为对应的区域分割交点，P3P′3为区域分割线，如图3所示。考察点P1、P2、P6情况相同，以P1为例。P1相邻索引值的下一点为P2，二者的y坐标值不等，即P1P2不是水平边。与P1相邻的内轮廓顶点为P0、P2，过P1点作一条水平线L，不难发现P0、P2两点在水平线L的异侧，则P0不是区域分割点。P4是一个凹顶点，如图4所示，它相邻索引值的下一点为P5，二者的y坐标值不等，即P4P5不是水平边。与P4相邻的内轮廓顶点为P3、P5，过P4点作一条水平线L，不难发现P3、P5两点在水平线L的同侧，则P4是可能的分割点。但显然，无论从P4点向左向右引出射线均会与P4所在的内轮廓自身相交，则断定P4不是分割点。P5相邻索引值的下一点为P6，如图5，二者的y坐标值不等，即P5P6不是水平边。与P5相邻的内轮廓顶点为P4、P6，过P5点作一条水平线L，不难发现P4、P6两点在水平线L的同侧，P5为可能的分割点。此时，首先从P5点向右侧引出射线，发现该射线与内轮廓边P3P4相交，即P5向右引出的射线与自身轮廓相交。再从P5向左引出射线，发现射线与内轮廓的边均不相交，则判断出P5是区域分割点，且P5的射线标识位为ray_Left。将P5的信息以上面建立的数据结构的形式存储起来，并保存进建立的区域分割点vector容器中。经过上述遍历判定后，确定该平面加工区域内轮廓的区域分割点为P0、P3、P5，对应的区域分割交点分别为P′0、P′3、P′5，区域分割线分别为P0P′0、P3P′3、P5P′5。这些分割点、分割交点、分割线与内外轮廓的各条边将平面加工区域分割成三个部分，如图6。(2)区域分割交点求解：单孔情况：对于单个内孔的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增材制造中的复杂切片区域自动分割方法，其特征在于，步骤如下：(1)区域分割点判别：复杂切片区域即分层切片后，包含孔的平面加工区域，该平面加工区域外轮廓为凸多边形；对复杂切片区域上任一异形孔的顶点依次遍历，针对任一顶点，设置一条水平线，判断该顶点的相邻两条边是否在设置的水平线同侧，若是，则该顶点可能是分割点；否则，一定不是分割点；确定所有可能的分割点，对任一可能的分割点，首先过该可能的分割点向右引出第一射线，若第一射线与该异形孔边界没有交点，则该可能的分割点即为分割点，该分割点射线标识位为向右；若第一射线与该异形孔边界相交，则再从该点向左引出第二射线，并判断第二射线与该异形孔边界是否相交，若无交点，则该可能的分割点为分割点，且该分割点射线标识位为向左，否则该可能的分割点不是分割点，直至判断出所有的分割点；(2)区域分割交点计算：针对只有一个异形孔的复杂切片区域，从任一分割点向其自身的标识位方向引出第三射线，第三射线与复杂切片区域外轮廓的交点即为分割交点；针对有多个异形孔的复杂切片区域，选取其中任一异形孔上的任一分割点，向其自身标识位方向引第四射线，若第四射线与其余异形孔无交点或只有一个交点，则第四射线与复杂切片区域外轮廓的交点即为区域分割交点；若第四射线与其余异形孔有两个以上交点，且该分割点射线标识位向右，则取x坐标值最小的交点为当前分割点对应的分割交点；若该分割点射线标识位向左，则取x坐标值最大的交点为当前分割点对应的分割交点，直至判断出所有的分割交点；其中，坐标系以所选取的分割点为原点，x坐标轴、射线与水平线平行；(3)分区域轮廓信息存储：将分割点、分割交点和各异形孔的顶点存放于数据结构中，并以链表形式进行遍历和数据信息存储，形成最终的子加工区域。...

【技术特征摘要】
1.一种增材制造中的复杂切片区域自动分割方法，其特征在于，步骤如下：(1)区域分割点判别：复杂切片区域即分层切片后，包含孔的平面加工区域，该平面加工区域外轮廓为凸多边形；对复杂切片区域上任一异形孔的顶点依次遍历，针对任一顶点，设置一条水平线，判断该顶点的相邻两条边是否在设置的水平线同侧，若是，则该顶点可能是分割点；否则，一定不是分割点；确定所有可能的分割点，对任一可能的分割点，首先过该可能的分割点向右引出第一射线，若第一射线与该异形孔边界没有交点，则该可能的分割点即为分割点，该分割点射线标识位为向右；若第一射线与该异形孔边界相交，则再从该点向左引出第二射线，并判断第二射线与该异形孔边界是否相交，若无交点，则该可能的分割点为分割点，且该分割点射线标识位为向左，否则该可能的分割点不是分割点，直至判断出所有的分割点；(2)区域分割交点计...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯文彬，徐金亭，侯少强，夏明栋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21