[发明专利]基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法

说明书

基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，以零件单层切片为对象，识别并提取当前层切片中的各个多边形连通区域，求取多边形连通区域的主轴方向后利用投影法分别求取多边形连通区域在主轴方向及与主轴垂直方向的跨度，将两个方向的跨度均大于用户设定阈值的多边形连通区域采用岛型扫描方式规划扫描路径，不满足的多边形连通区域采用平行扫描方式规划扫描路径。本发明可避免对小连通区域进行岛型扫描路径规划，提高计算效率及小连通区域的加工效率、成形质量；有效避免过长扫描线的出现，减少零件变形量；保障层间搭接，均衡温度场；减少了实际加工中激光跳转的空行程，提高了加工效率。

技术领域

本发明属于激光选区熔化增材制造技术领域，具体涉及一种基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法。

背景技术

近年来，激光选区熔化技术得到了广泛关注与快速发展，在航空、航天、模具、医疗等领域展现出广阔的应用前景与技术优势。其通过专用软件对零件三维模型进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束有选择地按照一定的扫描方式作用于金属粉末，使扫描过后的粉末熔化凝固，通过逐层堆积，制造三维实体零件。

对于激光选区熔化技术，粉末在快速熔化凝固过程中产生的热量及其传递对应力集中和零件变形开裂有直接影响。因此，合理的激光扫描路径可以对热量进行有效管理和控制，从而均衡成形件温度场、减少应力集中、防止变形开裂，改善零件成形质量。例如，Concept Laser公司提出的岛型扫描策略，将模型的每一层加工区域划分为多个岛型区域，利用随机曝光策略依次加工各个岛，大大降低了加工过程中内应力的产生。但若小区域采用岛型扫描不仅降低扫描路径的计算效率和零件的加工效率，还容易形成过短的扫描线，造成激光的频繁开关，且不易控制岛之间的搭接从而影响最终的成形质量。

随着激光选区熔化技术应用范围的扩大，所加工的零件也愈发复杂，零件模型各层切片的多边形连通区域的大小、数量不断变化，单一的扫描方式不再适合整个模型的加工制造，因此有必要依据各个切片的多边形连通区域的几何特征信息采用合适的扫描方式进行扫描路径规划，保证零件的最终成形质量。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法。该方法能够识别提取切片中的多边形连通区域，然后依据连通区域几何信息决策合适的扫描方式进行路径规划，有效保证扫描路径的计算效率、零件的加工效率，且能够均衡零件成形过程中的温度场、保证零件的成形质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于多边形几何特征识别的激光扫描路径分区域规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：输入零件三维模型的所有层的切片信息，根据实际制造需要确定扫描间距d、岛边长L；

步骤2：读取用户定义的连通区域采用岛型扫描方式所需的最小跨度S_p；

步骤3：读取单层切片中的轮廓多边形，判断轮廓之间的包含关系，依据各个轮廓之间的包含关系以及被包含的次数构建轮廓树结构，其中外轮廓被其它轮廓包含的次数为偶数，内轮廓被其它轮廓包含的次数为奇数；

步骤4：利用轮廓树结构提取各个多边形连通区域，每个多边形连通区域包含一条外轮廓和N条内轮廓，N≥0，且每个多边形连通区域内的外轮廓被包含次数比其内轮廓被包含次数小1；

步骤5：以多边形连通区域为对象，求取当前多边形连通区域的主轴方向；

步骤6：调取当前多边形连通区域的外轮廓，利用投影法求取所有轮廓顶点在主轴方向和与主轴垂直方向的投影值，通过投影值计算当前多边形连通区域在两个方向的跨度S₁和S₂，通过将S₁和S₂分别与S_p比较，进行该多边形连通区域的扫描路径规划；