[发明专利]面向五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化方法

说明书

本发明提供一种面向五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化方法，包括如下步骤：步骤1：根据打印模型的特点选择成型方向；步骤2：识别出打印路径所在的各个曲面层，一个曲面层上的打印路径在一个曲面上，每个曲面层是AC转角的一个优化单元；步骤3：构建AC转角优化目标函数和约束条件，对每个优化单元的各个路径行按打印先后顺序依次优化，得到各曲面层的3D打印行切路径上的最优的AC转角分布。本发明使得喷嘴轴线与加工面的法矢量在最大偏离容差δ范围内；邻近点的AC转角在偏离容差φ范围内；打印过程中喷嘴无需抬升，可以连续打印至工件打印结束，提高了打印效率；避免了工件的过切，保护工件不受损坏，提高了工件成品的打印质量。

技术领域

本发明涉及五轴3D打印技术领域，尤其涉及一种面向五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化方法。

背景技术

近年来，3D打印技术被广泛运用于医疗、航天等各领域。不同于传统的铣削、车削等减材制造技术，3D打印技术通过对待加工的三维模型进行切片分层、路径规划，将工件的三维信息转换为3D打印机可识别并执行的Gcode文件，在工件打印过程中逐层添加材料，可得到传统制造技术难以加工制造的复杂结构。

3D打印广泛使用的模型切片算法是基于STL模型格式的算法。3D打印的两个核心技术是基于STL模型的分层切片算法、路径规划算法。同一STL模型使用不同分层切片算法和路径规划算法，得到的二维截面轮廓信息和3D打印喷头运动路径不同，打印后成品的工艺精度存在差异。

为了提高3D打印加工效率、加工精度、打印出符合力学性能要求和精度要求的合格工件，诸多学者致力于分层切片算法和路径规划算法的优化研究。

传统的三轴打印机具有X,Y,Z三个方向的平动自由度，打印喷嘴安装在Z轴上，五轴FDM三维打印机的旋转轴A轴和C轴由机床坐标系XYZ定义，A轴和C轴相交，且A轴和C轴分别平行于X轴和Z轴，AC转台带动工件转动。现有的多轴路径规划研究发现，打印喷嘴轴线与工件逐层堆积面的法线方向重合时，工件打印质量最优，但加工路径上邻近点旋转角度差值太大时可能会导致工件的过切。转角优化受限的情况下，只能通过抬升打印喷嘴、旋转工件来避免工件的损伤，但此种处理方法不能避免喷嘴长时间在加热状态下不挤丝导致的挤丝机损伤，且抬升喷嘴降低了打印效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化方法，采用遗传算法将邻近的A转角、C转角(A、C两个转角简称AC转角)的差值限定在给定范围内，解决五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化问题，使得打印过程中喷嘴无需抬升，可以连续打印至工件打印结束。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

所述的五轴3D打印行切路径规划的AC转角优化方法，包括以下步骤：

步骤1：根据打印模型的特点选择成型方向，使得阶梯效应最小化；

步骤2：对打印路径进行分析，识别出打印路径所在的各个曲面层，一个曲面层上的打印路径在一个曲面上，每个曲面层是AC转角的一个优化单元；

步骤3：对于一个优化单元，首先根据路径上的初始A转角和初始C转角计算初始法矢量的位置，约定优化的AC转角决定的新法矢量与理论法矢量的最大偏离容差δ；

步骤4：设定两个邻近点之间A转角和C转角的最大偏离容差φ，并根据设备性能设定A转角和C转角的取值范围；

步骤5：以邻近点的AC转角在偏离容差φ范围内为目标，以步骤3设定的容差δ的取值范围为约束条件，且前一个路径行优化后的终了点AC转角是后一个路径行起始点AC转角优化的约束条件，对于每个优化单元中的各个路径行分别进行优化；