一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法及系统，其中该方法包括：步骤(1)：初始化当前分层为相邻外层，以当前分层中扫掠面多边形面积最小为优化目标，查找当前分层中的最优对称轴；步骤(2)：根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层；步骤(3)：将得到的当前分层的相连内层作为外层，迭代执行步骤(1)‑步骤(2)，直到当前分层的面积小于一个定值，得到给定多边形的所有分层；步骤(4)：将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块，进而输入至3D打印机而得到多层旋转体。

Method and system for generating simple polygon multi-layer rotary body for 3D printing

The invention discloses a system and a simple polygon multilayer rotating body generation method for 3D printing, wherein the method comprises the following steps: (1): initialize the current adjacent to the outer layer, layer swept surface polygon area minimum as the optimization goal, find the optimal symmetry axis in step (2;): to optimize the position and zoom ratio of current stratified according to the rotation angle, get the current connected to the inner layer; step (3): the current hierarchical get connected as inner outer iterative step (1) steps (2), until the current hierarchical area less than a fixed value, get all the layers the given polygon; step (4): the given polygon all hierarchical data to generate three-dimensional module, and then input to the 3D printer and multi-layer rotary body.

【技术实现步骤摘要】
一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法及系统
本专利技术属于3D打印领域，尤其涉及一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法及系统。
技术介绍
3D打印，又称增材制造(AdditiveManufacturing，AM)，是一种以数字模型文件为基础，采用材料逐层累加的方式制造实体的技术。3D打印在定制化几何设计与处理上具有天然的优势，在医疗、教育、娱乐、时尚等领域的应用越来越广泛，对模型进行实例化制造也变得更加便捷，同时其优化问题也开始引起研究人员的注意。为了节省打印材料以及打印时间，通常都会改变模型的内部填充结构，对模型进行形变或者在对其进行切割后分块打印，以降低其对支撑结构的需求。所以我们希望生成的多层旋转体能够在较为压缩的空间上进行打印，并且可以一体打印无需后期组装。简单多边形是一类常见的，由简单闭折线所围成的多边形。对于任意的一个对称的简单多边形，可以很容易的通过偏移的方式对它进行分层，产生一个三维多层旋转体。这种方法虽然高效，但是同时也存在着一些局限性：(1)如果直接使用偏移的方法进行分层，那么多边形的形状信息会随着分层不断的进行偏移而被破坏；(2)为了保留形状信息，考虑直接使用缩放的方式来进行分层。在静态的情况下，直接缩放可以满足用户的要求，而当每个分层绕轴进行旋转运动时就可能发生层与层之间的碰撞，从而影响到整个结构旋转的自由度。综上所述，现有的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法可以做到分层，但是没有考虑到旋转时的碰撞问题。因此，亟需找到一种由任意的简单多边形生成三维旋转体的方法，此旋转体的每一层在旋转时不会与其它层发生碰撞，并且此三维旋转体可以在压缩空间上一体打印无需后期组装。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，本专利技术的方法提出根据给定任意简单多边形生成多层旋转体的方法，旋转体各个层可以自由旋转而不会发生碰撞。本专利技术的一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，包括：步骤(1)：初始化当前分层为相邻外层，以当前分层中扫掠面多边形面积最小为优化目标，查找当前分层中的最优对称轴；步骤(2)：根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层；步骤(3)：将得到的当前分层的相连内层作为外层，迭代执行步骤(1)-步骤(2)，直到当前分层的面积小于一个定值，得到给定多边形的所有分层；步骤(4)：将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块，进而输入至3D打印机而得到多层旋转体。进一步的，所述步骤(1)中查找当前分层中的最优对称轴的具体过程为：步骤(1-1)：每个分层在绕对称轴旋转时，会产生一个扫掠面，其中，扫掠面多边形是当前分层与其关于对称轴的对称多边形的并集；步骤(1-2)：选取当前分层上两个不同的点组成一个点对，每个点对则确定一条轴，遍历所有点对找到一条对称轴使得扫掠面多边形面积最小。这样能够通过计算其内部轮廓与内部轮廓所对应的旋转轴，使之能够在上层空间内自由旋转而不发生碰撞。进一步的，在所述步骤(1-1)中，当前分层在旋转时是否会与相邻外层进行碰撞取决于扫掠面多边形与相邻外层是否相交。进一步的，在所述步骤(1-2)中，不同对称轴产生不同的扫掠多边形。进一步的，所述步骤(2)中根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层的具体过程为：步骤(2-1)：求扫掠面多边形的最小有向包围盒(OrientedBoundingBox,OBB)；步骤(2-2)：通过旋转，平移和缩放变换找到相邻外层内最大的矩形，此矩形的长宽比与步骤(2-1)中所求最小有向包围盒的长宽比一致；步骤(2-3)：根据旋转角度，位移和缩放系数计算变换矩阵；对当前分层应用变换矩阵。这样能够使任一给定的多边形能够在上层空间内自由旋转而不发生碰撞，同时面积最大。进一步的，在所述步骤(4)中，将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块的具体过程为：步骤(4-1)：根据每一层的轮廓线生成带状结构；步骤(4-2)：在带状结构上挖空圆柱生成T型结构，生成三维模型输出stl格式的文件。本专利技术还提供了一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成系统。本专利技术的一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成系统，包括：最优对称轴查找单元，其用于初始化当前分层为相邻外层，以当前分层中扫掠面多边形面积最小为优化目标，查找当前分层中的最优对称轴；当前分层的相连内层获取模块，其用于根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层；给定多边形的所有分层获取模块，其用于将得到的当前分层的相连内层作为外层，查找最优对称轴并获取当前分成的相连内层，直到当前分层的面积小于一个定值，得到给定多边形的所有分层；多层旋转体生成模块，其用于将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块，进而输入至3D打印机而得到多层旋转体。进一步的，所述最优对称轴查找单元包括：扫掠面产生模块，其用于当每个分层在绕对称轴旋转时，会产生一个扫掠面，其中，扫掠面多边形是当前分层与其关于对称轴的对称多边形的并集；对称轴选取模块，其用于选取当前分层上两个不同的点组成一个点对，每个点对则确定一条轴，遍历所有点对找到一条对称轴使得扫掠面多边形面积最小。进一步的，所述当前分层的相连内层获取模块，其包括：最小有向包围盒求取模块，其用于求扫掠面多边形的最小有向包围盒；相邻外层内最大矩形查找模块，其用于通过旋转，平移和缩放变换找到相邻外层内最大的矩形，此矩形的长宽比与最小有向包围盒的长宽比一致；变换矩阵计算模块，其用于根据旋转角度，位移和缩放系数计算变换矩阵；对当前分层应用变换矩阵。进一步的，所述多层旋转体生成模块包括：带状结构生成模块，其用于根据每一层的轮廓线生成带状结构；三维模型输出模块，其用于在带状结构上挖空圆柱生成T型结构，生成三维模型输出stl格式的文件。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术对于给定的简单多边形，计算其内部轮廓与内部轮廓所对应的旋转轴，使之能够在上层空间内自由旋转而不发生碰撞，同时面积最大，经过迭代最终在多边形内生成多层轮廓结构。(2)本专利技术生成的模型，可以通过3D打印一次成型不需要后期组装；(3)本专利技术生成的模型，可以在压缩的空间上进行打印，提高了3D打印的效率，降低了3D打印的成本。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法流程图；图2(a)为对称轴Z1对应不同的扫掠面；图2(b)为对称轴Z2对应不同的扫掠面；图3为点对间的测地距离；图4(a)为在多边形的边界框内生成的随机点备用；图4(b)为选择中心点的过程；图4(c)为优化位置的结果；图5(a)为带状结构的示意图；图5(b)为T型结构的示意图；图6为生成与对称轴垂直的线段过程；图7(a)为旋转结构连接的两层模型；图7(b)为旋转结构连接的两层模型的局部放大模型；图8是本专利技术面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成系统的结构示意图；图9是最优对称轴查找单元的结构示意图；图10是当前分层的相连内层获取模块的结构示意图；图11是多层旋转体生成模块的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，包括：步骤(1)：初始化当前分层为相邻外层，以当前分层中扫掠面多边形面积最小为优化目标，查找当前分层中的最优对称轴；步骤(2)：根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层；步骤(3)：将得到的当前分层的相连内层作为外层，迭代执行步骤(1)‑步骤(2)，直到当前分层的面积小于一个定值，得到给定多边形的所有分层；步骤(4)：将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块，进而输入至3D打印机而得到多层旋转体。

【技术特征摘要】
1.一种面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，包括：步骤(1)：初始化当前分层为相邻外层，以当前分层中扫掠面多边形面积最小为优化目标，查找当前分层中的最优对称轴；步骤(2)：根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层；步骤(3)：将得到的当前分层的相连内层作为外层，迭代执行步骤(1)-步骤(2)，直到当前分层的面积小于一个定值，得到给定多边形的所有分层；步骤(4)：将给定多边形的所有分层的数据生成三维模块，进而输入至3D打印机而得到多层旋转体。2.如权利要求1所述的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，所述步骤(1)中查找当前分层中的最优对称轴的具体过程为：步骤(1-1)：每个分层在绕对称轴旋转时，会产生一个扫掠面，其中，扫掠面多边形是当前分层与其关于对称轴的对称多边形的并集；步骤(1-2)：选取当前分层上两个不同的点组成一个点对，每个点对则确定一条轴，遍历所有点对找到一条对称轴使得扫掠面多边形面积最小。3.如权利要求2所述的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，在所述步骤(1-1)中，当前分层在旋转时是否会与相邻外层进行碰撞取决于扫掠面多边形与相邻外层是否相交。4.如权利要求2所述的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，在所述步骤(1-2)中，不同对称轴产生不同的扫掠多边形。5.如权利要求1所述的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据旋转角度来优化当前分层的位置和缩放比例，得到当前分层的相连内层的具体过程为：步骤(2-1)：求扫掠面多边形的最小有向包围盒；步骤(2-2)：通过旋转，平移和缩放变换找到相邻外层内最大的矩形，此矩形的长宽比与步骤(2-1)中所求最小有向包围盒的长宽比一致；步骤(2-3)：根据旋转角度，位移和缩放系数计算变换矩阵；对当前分层应用变换矩阵。6.如权利要求1所述的面向3D打印的简单多边形多层旋转体生成方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，将给定多边形的所有分层的数据生...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，徐凡，饶聪，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37