一种智能3D打印路径规划的方法

一种智能3d打印路径规划的方法
技术领域
1.本发明属于3d打印领域，特别涉及一种智能3d打印路径规划的方法。


背景技术：

2.目前，3d打印技术以不同与传统建材制造的制造加工工艺，采用增材制造的加工方式可以轻松地生产个性化定制零件，因此得到了广泛地重视。其通过简单的建模、分层、路径规划、打印堆积、快速制造在极短的时间内就可以完成个性化零件的成型。
3.路径规划作为3d打印中的一个关键环节，其通过规划打印头的运动轨迹来控制整体的打印过程，对打印质量以及打印效率有着巨大的影响。现阶段常用的z字型、偏执轮廓型路径规划算法优劣势明显，且针对大型制件的表现较差，随着人工智能的普及，智能3d打印路径规划算法将引起关注。
4.目前现有的3d打印技术未有结合禁忌搜索算法进行路径规划的方案，以至于效率显得有些不足；并且普遍喷嘴口径固定，以至于打印速率不可调节，相对较慢。


技术实现要素：

5.本发明提供一种智能3d打印路径规划的方法，用以解决未结合禁忌搜索算法以及打印速率不可调节的问题。
6.一种智能3d打印路径规划的方法，所述智能3d打印路径规划的方法包括：
7.s1:利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；
8.s2:利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；
9.s3:用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；
10.s4:完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
11.进一步的，所述利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息的具体方法如下：
12.s101：通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；
13.s102：通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；
14.s103：将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。
15.进一步的，所述利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径的具体方法为：
16.s201：通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；
17.s202：在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；
18.s203：采用禁忌搜索算法在子分区的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。
19.进一步的，所述采用禁忌搜索算法在子分区的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划的具体方法为：
20.s20301:根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点和终止点，利用最近邻点算法生产初始解，得到起始点集合；
21.s20302：将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；
22.s20303:运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。
23.进一步的，所述用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内的具体方法为：
24.s301:通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；
25.s302:调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；
26.s303:用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要调整喷嘴口径。
27.一种智能3d打印路径规划的系统，所述智能3d打印路径规划的系统包括：
28.切片模块，利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；
29.分区模块，利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；
30.精度检测模块，用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；
31.输出模块，用于完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
32.进一步的，所述切片模块包括：
33.建模模块，用于通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；
34.操作模块，用于通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；
35.路径规划模块，用于将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。
36.进一步的，所述分区模块包括：
37.分解模块，用于通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；
38.长轴打印模块，用于在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；
39.禁忌模块，用于采用禁忌搜索算法在子分区的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。
40.进一步的，所述禁忌模块包括：
41.初始解模块，根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点和终止点，利用改进的最近邻点算法产生初始解，得到起始点集合；
42.最优解模块，用于将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；
43.运行模块，用于运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。
44.进一步的，所述精度检测模块包括：
45.预设模块，用于通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；
46.口径模拟模块，用于调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；
47.反馈模块，用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要重复口径模拟模块。
48.本发明的有益效果为：
49.本发明采用和改进的禁忌搜索算法来进行路径规划，使得最终得到的路径优于传统的路径，缩短了总旅程的距离。该专利在应用于实践中时，在切片阶段的路径规划中，使得打印头移动距离最短，并且打印头拐点的次数也达到了最小，具有省电和提高打印效率的作用，为企业节省了打印模型的时间，降低了社会资源的损耗。
50.同时，通过调整喷嘴口径，从而调整3d打印速率，并利用3d仿真软件预设所能允许的精度值保证打印的质量，既提高了打印的效率又保证了打印的质量，大大提高了生产效率和管理成本。
51.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
52.下面通过附图和实施例。对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
53.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
54.图1为本发明所述智能3d打印路径规划方法的步骤图；
55.图2为本发明所述智能3d打印路径规划系统的简图；图3为本发明所述智能3d打印路径规划系统的详图；
56.图4为本发明所述禁忌搜索算法实施的流程图；
57.图5为本发明所述基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法平面剖分图。
58.图6为本发明所述集合sp中可见点的权值计算图。
59.图7为本发明所述子分区连接图。
具体实施方式
60.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
61.本发明实施例提供了一种智能3d打印路径规划的方法，所述智能3d打印路径规划的方法包括：
62.s1:利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；
63.s2:利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；
64.s3:用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；
65.s4:完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
66.本实施例的工作原理为：
67.首先通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型，将模型存储为stl格式的文件；通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息，进行切片内部的路径规划；
68.然后基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；之后采用禁忌搜索算法对所有子分区中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划；
69.基于顶点可见性的凹多边形凸分解的方法，其本质是消除凹点，分解成简单的凸多边形，在一般情况下，总是希望剖分得到的每个多边形内角尽量维持在30度到150度的范围内，避免出现过于狭长或者畸变的凸多边形。具体方法采用的是基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法，该算法的本质是对凹多边形中的凹点进行消除，使用辅助点的局部剖分方法，该算法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线使得剖分得到的凸多边形具有很好的形态。
70.在基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法中，搜索凹点，如果多边形没有凹点，则算法结束，否则通过分区的方法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线，使得剖分得到的多边形具有很好的形态，对新产生的两个多边形按以上步骤递归地进行凹多边形凸分解处理，直到所有的多边形均为凸多边形为止。
71.在3d仿真软件预设所能允许的精度值；调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要再次调整喷嘴口径尺寸；
72.最后完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
73.本实施例的有益效果为：
74.本发明采用改进的禁忌搜索算法来进行路径规划，使得最终得到的路径优于传统的路径，缩短了总旅程的距离。该专利在应用于实践中时，在切片阶段的路径规划中，使得打印头移动距离最短，并且打印头拐点的次数也达到了最小，具有省电和提高打印效率的作用，为企业节省了打印模型的时间，降低了社会资源的损耗。
75.同时，通过调整喷嘴口径，从而调整3d打印速率，并利用3d仿真软件预设所能允许的精度值保证打印的质量，既提高了打印的效率又保证了打印的质量，大大提高了生产效率和管理成本。
76.在一个实施例中，所述利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息的具体方法如下：
77.s101：通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；
78.s102：通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；
79.s103：将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。
80.本实施例的工作原理为：
81.计算机中的3d模型大多数是以三角形面组合的表面所包裹的空间来近似表示的，stl文件是现阶段3d打印中最常用的3d模型文件格式。本实施例首先将待打印物体的三维模型存储为stl文件，使用相应的切片软件将三维模型进行切片操作，将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，将每一个二维切片面的顺序点集存储为exce l文件，然后进行内部的路径规划；
82.本实施例的有益效果为：
83.将3d打印由一个三维立体的结构拆解成一个个切面，然后将切面轮廓处理为顺序点，再进行切面内部打印路径的规划；整个过程将三维的难题逐渐降为，依次到面，最后到点，使得需要解决的问题逐级简化，降低了整个发明的实施难度和应用范围，提高了打印效率，进而提升了企业的生产效率。
84.在一个实施例中，所述利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径的具体方法为：
85.s201：通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；
86.s202：在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；
87.s203：采用禁忌搜索算法在最近子分区所有的打印起始点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。
88.本实施例的工作原理为：
89.本实施例使用的是基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法来对二维切片面进行凹多边形凸分解，其本质是对凹多边形中的凹点进行消除，使用辅助点的局部剖分方法。
90.本实施例采用z字型路径，z字型路径主要由多条直线组成，各直线相互平行，每条
直线路径打印结束时，打印头将降速运动进行转弯，之后进行加速移动到下一条扫描线进行打印，在打印过程中必然会多次变速，影响打印效率和打印质量，因此，自适应地沿分区长轴进行打印可减少打印头转弯的次数，提高打印效率和打印质量。
91.通过分区算法对切片面进行区域分割后，对于子分区的连接就是对每个封闭子区域进行逐个打印后的连接，可将其视为经典的非对称的tsp(traveling salesman problem)旅行商问题。
92.本实施例的有益效果为：
93.基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线使得剖分得到的凸多边形具有很好的形态。
94.z字型路径即打印路径沿每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向进行z字形填充打印，以减少拐点数量，减少路径条数，减小应力效应。
95.对于子分区的路径规划就是对每个封闭子区域进行逐个打印，即在所有的子分区的起始点和终止点中选择一条最合适的路径，使得每个起始点和终止点只被经过一次，最后回到第一个子分区的起始点，且最终连接的路径最短设置为约束，使得打印路径缩短，提高打印效率。
96.在一个实施例中，如图4所示，所述采用禁忌搜索算法在最近子分区所有的打印起始点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划的具体方法为：
97.s20301：如图5所示，根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点，利用改进的最近邻点算法生产初始解，得到起始点集合；
98.s20302：将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；
99.s20303：运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。
100.本实施例的工作原理为：
101.ts是local search(ls)的扩展，是一种全局逐步寻优的全局性邻域搜索算法。ts模仿人类的记忆功能，在搜索过程中标记已经找到的局部最优解及求解过程，并于之后的搜索中避开它们算法通过禁忌策略实现记忆功能，通过破禁准则继承ls的强局部搜索能力。使得ts一方面具备高局部搜索能力，同时又能防止算法在优化中陷入局部最优。
102.本实施例中通过分区算法对切片面进行区域分割后，对于子分区的路径规划就是对每个封闭子区域进行逐个打印后的连接，可将其视为经典的非对称的tsp旅行商问题，即在所有的起始点和终止点中选择一条最合适的路径，使得每个起始点和终止点只被经过一次，最后回到第一个子分区的起始点，且最终连接的路径最短设置为约束。
103.具体的方法如下：
104.①
利用改进的最近邻点算法产生初始解，得到起始点集合；
105.②
计算最短路径：
106.找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法，初始禁忌表为空，设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为全局的最好解；
107.③
对于所述利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法得到多个凸多边形子分区，利用改进的最近邻点法可以得到打印头遍历这些子区域先后移动的次序，计算机
记录出这个有序的子分区组合并且计算出这个组合的s(x)，s(x)为这遍历这些分区的打印头移动的距离，即从第一个分区移动到第二个分区，第二分区移动到下一分区，最终从最后的一个子分区终点回到第一个区的起点时打印头所移动的距离，记录此时的s(x)为s(x
best
)，再采用2-opt的方式对以上的编码组合进行子分区交换，计算机记录算出这个新的组合并且计算出这个新的组合的s(x)，,若s(x
now
)《s(x
best
),则记令s(x
best
)＝s(x
now
)，将交换的这两个子分区存入禁忌表中。需要注意的是在以后的迭代过程中出现以下情况：1、当出现s(x
now
)《s(x
best
),而此时两个分区都在禁忌表中时，则这两个子分区解禁，这一步骤为特赦规则，将解禁后的两个子分区再依次填入禁忌表中；2、当禁忌表填满时，而迭代次数还没用完，又有新的禁忌对象要进入禁忌表时，则将禁忌表中最先前的两个子分区，即最先填入到禁忌表中的禁忌对象进行解禁，直到迭代次数用完；
108.④
打印头到达一个子分区的起始点后，沿子分区内部进行自适应地沿分区长轴进行扫描打印，最终到达该子分区的终止点，该子分区则打印完毕，后续打印头根据改进的最近邻点法移动到下一个子分区；
109.⑤
重复
③④
步骤操作直到迭代次数用完。最终返回s(x
best
)所对应的编码组合，打印头抬起和落下的次数等结果，得到整个切片面的路径规划。
110.本实施例的有益效果为：
111.本实施例采用禁忌大大加强了的运算能力，当问题规模较小时，禁忌搜索能得到最优解；问题规模较大时，禁忌搜索能在规定时间内输出满意解。
112.本发明采用禁忌搜索算法来进行路径规划，使得最终得到的路径优于传统的路径，缩短了总旅程的距离。该专利在应用于实践中时，在切片阶段的路径规划中，使得打印头移动距离最短，并且打印头拐点的次数也达到了最小，具有省电和提高打印效率的作用，为企业节省了打印模型的时间，降低了社会资源的损耗。
113.在一个实施例中，所述用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内的具体方法为：
114.s301:通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；
115.s302:调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；
116.s303:用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要调整喷嘴口径。
117.本实施例的工作原理为：
118.所述打印速率公式为：
[0119][0120]
式中：m为3d打印作品的总体积，v为喷嘴移动速率，k为时间系数，d为喷嘴口径的直径。
[0121]
本实施例中，喷嘴口径越大，打印成品的粗糙程度也就越大，因此通过3d仿真软件检检测模拟成品的表面粗糙度，所述3d仿真软件可为visual components，保证粗糙程度在预设的数值范围内。
[0122]
本实施例的有益效果为：
[0123]
通过调整喷嘴口径，从而调整3d打印速率，并利用3d仿真软件预设所能允许的精度值保证打印的质量，既提高了打印的效率又保证了打印的质量，大大提高了生产效率和管理成本。
[0124]
本实施例提供一种智能3d打印路径规划的系统，所述智能3d打印路径规划的系统包括：
[0125]
切片模块，利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；
[0126]
分区模块，利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；
[0127]
精度检测模块，用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；输出模块，用于完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
[0128]
本实施例的工作原理为：
[0129]
首先通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息，进行切片内部的路径规划；
[0130]
然后基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；之后采用禁忌搜索算法在所有的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划；
[0131]
凹多边形凸分解的方法，其本质是消除凹点，分解成简单多边形，在一般情况下，总是希望剖分得到的每个多边形内角尽量维持在30度到150度的范围内，避免出现过于狭长或者畸变的凸多边形。具体方法采用的是基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法，该算法的本质是对凹多边形中的凹点进行消除，使用辅助点的局部剖分方法，该算法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线使得剖分得到的凸多边形具有很好的形态。
[0132]
在基于顶点可见的凹多边形快速凸分解算法中，搜索凹点，如果多边形没有凹点，则算法结束，否则通过分区的方法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线，使得剖分得到的多边形具有很好的形态，对新产生的两个多边形按以上步骤递归地进行凹多边形凸分解处理，直到所有的多边形均为凸多边形为止。
[0133]
然后3d仿真软件预设所能允许的精度值；调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要再次调整喷嘴口径尺寸；
[0134]
最后完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。
[0135]
本实施例的有益效果为：
[0136]
本发明采用和改进的禁忌搜索算法来进行路径规划，使得最终得到的路径优于传
统的路径，缩短了总旅程的距离。该专利在应用于实践中时，在切片阶段的路径规划中，使得打印头移动距离最短，并且打印头拐点的次数也达到了最小，具有省电和提高打印效率的作用，为企业节省了打印模型的时间，降低了社会资源的损耗。
[0137]
同时，通过调整喷嘴口径，从而调整3d打印速率，并利用3d仿真软件预设所能允许的精度值保证打印的质量，既提高了打印的效率又保证了打印的质量，大大提高了生产效率和管理成本。
[0138]
在一个实施例中，所述切片模块包括：
[0139]
建模模块，用于通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；
[0140]
操作模块，用于通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；
[0141]
路径规划模块，用于将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。
[0142]
本实施例的工作原理为：
[0143]
本实施例首先将待打印物体的三维模型存储为stl文件，使用相应的切片软件将三维模型进行切片操作，将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，将每一个二维切片面的顺序点集存储为exce l文件，然后进行内部的路径规划；
[0144]
本实施例的有益效果为：
[0145]
将3d打印由一个三维立体的结构拆解成一个个切面，然后将切面轮廓处理为顺序点，再进行切面内部打印路径的规划；整个过程将三维的难题逐渐降为，依次到面，最后到点，使得需要解决的问题逐级简化，降低了整个发明的实施难度和应用范围，提高了打印效率，进而提升了企业的生产效率。
[0146]
在一个实施例中，所述分区模块包括：
[0147]
分解模块，用于通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；
[0148]
长轴打印模块，用于在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；
[0149]
禁忌模块，用于采用禁忌搜索算法在所有的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。
[0150]
本实施例的工作原理为：
[0151]
本实施例使用的是基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法来对二维切片面进行凹多边形凸分解，其本质是对凹多边形中的凹点进行消除，使用辅助点的局部剖分方法。
[0152]
分区采用的是凹多边形凸分解的方法，其本质是消除凹点，分解成简单多边形，在一般情况下，总是希望剖分得到的每个多边形内角尽量维持在30度到150度的范围内，避免出现过于狭长或者畸变的凸多边形。具体方法采用的是基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法，该算法的本质是对凹多边形中的凹点进行消除，使用辅助点的局部剖分方法，该算法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线使得剖分得到的凸多边形具有很好的形态。
[0153]
在基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法中，搜索凹点，如果多边形没有凹点，则算法结束，否则通过分区的方法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线，使得剖分得到的多边形具有很好的形态，对新产生的两个多边形按以上步骤递归地进行凹多边形凸分
解处理，直到所有的多边形均为凸多边形为止。
[0154]
本实施例采用z字型路径，z字型路径主要由多条直线组成，各直线相互平行，每条直线路径打印结束时，打印头将降速运动进行转弯，之后进行加速移动到下一条扫描线进行打印，在打印过程中必然会多次变速，影响打印效率和打印质量，因此，自适应地沿分区长轴进行打印。
[0155]
通过分区算法对切片面进行区域分割后，对于子分区的路径规划就是对每个封闭子区域进行逐个打印后的连接，可将其视为经典的非对称的tsp旅行商问题。
[0156]
如图5，基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法：设简单的多边形p＝(v0，v1，v2，
…
，v
n-1
),其中vi,i＝0,1,2,
…
，n-1为多边形顶点。如上图5设从v0出发搜索到的第一个凹点为vi，将vi作为视点，则由可见点搜索算法，可得视点vi的可见点串为st＝(s0，s1，s2，
…
，sj)。图5中设m为由vi出发与有向线段方向一致的射线；n为由vi出发，与有向线段方向一致的射线。m和n所在直线将平面分为4个区域：a、b、c、d，如上图5所示，其中：
[0157]
区域a：射线m和n形成的扇形区域(包括射线m和n)；
[0158]
区域b：射线m与n的反向射线形成的扇形区域(包括n的反向射线)；
[0159]
区域c：射线n与m的反向射线形成的扇形区域(包括m的反向射线)；
[0160]
区域d：m的反向射线与n的反向射线形成的扇形区域。
[0161]
显然，st中的点只可能在区域a，b，c中，并且在这3个区域中的点形成的点串在st中是连续分页的。用sa，sb，sc表示这3个点串。如图5所示，sa＝(s2，s3，s4，s5)；sb＝(s0，s1)；sc＝(s6，s7，s8,s9)。
[0162]
从可见串的几何特性可得出如下结论：
[0163]
结论1：如果sa为空，并且sb和sc均不为空，则sb中的最后一个点sk与sc中的第一个点s
k+1
必在多边形的同一条边上。
[0164]
结论2：如果sa为空，则sb和sc必不为空。
[0165]
基于顶点可见性的凹多边形局部剖分算法：
[0166]
(1)搜索凹点。如果多边形没有凹点，则算法结束，否则，设搜索到的凹点为当前凹点；
[0167]
(2)搜索当前凹点的可见点串st，并由此求取点串sa，sb和sc；
[0168]
(3)如果集合sa不为空，则：
[0169]
当sa中有多个凹点，并且如果vi也同时位于其中某几个凹点的区域a中，则将这些凹点放入集合sp中；
[0170]
否则，将sa中的所有可见点放入集合sp中；
[0171]
如果集合sp中的顶点只有一个，则将其作为选中的点，否则利用下列方法求出sp中顶点的权值，取权值最小者为选中的点；
[0172]
如图6，集合sp中可见点的权值计算如下：
[0173]
设sj为sp中的任一点，其与vi构成的矢量为射线m的单位矢量为射线n的单位矢量为
[0174]
[0175]
构成区域a的平分线矢量，权值gj可取下列矢量的z坐标值：
[0176][0177]
当gj＝0时，可见点sj正好在区域a的平分线上，此时引剖分线得到的凸多边形形态最好。
[0178]
(4)如果sa为空，由结论2可知sb和sc必不为空，设sk为sb中最后一个点，s
k+1
为sc中的第一个点，由结论1可知，sk和s
k+1
必在多边形的同一条边上，求线段[sk,s
k+1
]与区域a平分线的交点为所选择的点；
[0179]
(5)设从步骤3或4中选择得到的点为u，从vi到u引剖分线，将多边形切割成两个多边形；
[0180]
(6)对新产生的两个多边形按上述步骤递归地进行凹多边形凸分解处理，直到所有的多边形均为凸多边形为止。
[0181]
在上述判断过程中，由于引入了判断条件，使得在对vi点所对应的可见点串这一局部范围内，可以一次消去两个凹点，从而尽可能减少凸多边形个数。
[0182]
如下图7所示为子分区连接示意图：
[0183]
本实施例的有益效果为：
[0184]
基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法利用权函数选取出凹点中最好的剖分线使得剖分得到的凸多边形具有很好的形态。
[0185]
z字型路径即打印路径沿每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向进行z字形填充打印，以减少拐点数量，减少路径条数，减小应力效应。
[0186]
对于子分区的路径规划就是对每个封闭子区域进行逐个打印，即在所有的起始点中选择一条最合适的路径，使得每个起始点只被经过一次，且最终连接的路径最短设置为约束，使得打印路径缩短，提高打印效率。
[0187]
在一个实施例中，所述禁忌模块包括：
[0188]
初始解模块，如图5所示，根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点，利用最近邻点算法生产初始解，得到起始点集合；
[0189]
最优解模块，用于将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；
[0190]
运行模块，用于运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。
[0191]
本实施例的工作原理为：
[0192]
ts是local search(ls)的扩展，是一种全局逐步寻优的全局性邻域搜索算法。ts模仿人类的记忆功能，在搜索过程中标记已经找到的局部最优解及求解过程，并于之后的搜索中避开它们算法通过禁忌策略实现记忆功能，通过破禁准则继承ls的强局部搜索能力。使得ts一方面具备高局部搜索能力，同时又能防止算法在优化中陷入局部最优。
[0193]
本实施例中通过分区算法对切片面进行区域分割后，对于子分区的路径规划就是对每个封闭子区域进行逐个打印后的连接，可将其视为经典的非对称的tsp旅行商问题，即在所有的打印起始点和终止点中选择一条最合适的路径，使得每个起始点和终止点只被经过一次，最后回到第一个子分区起始点，且最终连接的路径最短设置为约束。
[0194]
具体的方法如下：
[0195]
①
利用改进的最近邻点算法生产初始解，得到起始点集合；
[0196]
②
计算最短路径：
[0197]
找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法，初始禁忌表为空，设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为全局的最好解；
[0198]
③
对于所述利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法得到多个凸多边形子分区，利用改进的最近邻点法可以得到打印头遍历这些子区域先后移动的次序，计算机记录算出这个有序的子分区组合并且计算出这个组合的s(x)，s(x)为这遍历这些分区的打印头移动的距离，即从第一个分区移动到第二个分区，第二分区移动到下一分区，最终从最后的一个子分区终点回到第一个区的起点时打印头所移动的距离，记录此时的s(x)为s(x
best
)，再采用2-opt的方式对以上的编码组合进行子分区交换，计算机记录算出这个新的组合并且计算出这个新的组合的s(x)，若s(x
now
)《s(x
best
),则记令s(x
best
)＝s(x
now
)，将交换的这两个子分区存入禁忌表中。需要注意的是在以后迭代过程中出现以下情况：1、当出现s(x
now
)《s(x
best
),而此时两个分区都在禁忌表中时，则这两个子分区解禁，这一步骤为特赦规则，将解禁后的两个子分区再依次填入禁忌表中；2、当禁忌表填满时，而迭代次数还没用完，又有新的禁忌对象要进入禁忌表时，则将禁忌表中最先前的两个子分区，即最先填入到禁忌表中的禁忌对象进行解禁，直到迭代次数用完；
[0199]
④
打印头到达一个子分区的起始点后，沿子分区内部进行自适应地沿分区长轴进行扫描打印，最终到达该子分区的终止点，该子分区则打印完毕，后续打印头根据改进的最近邻点法移动到下一个子分区；
[0200]
⑤
重复
③④
步骤操作直到迭代次数用完。最终返回s(x
best
)所对应的编码组合，打印头抬起和落下的次数等结果，得到整个切片面的路径规划。
[0201]
如图7中多边形q＝(a,b,c,t,s,r,q,p,o,n,m,l,k,j,i,h,u,e,f)为经过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法剖分的二维平面图，多边形经过分解后得到多个子分区，其中图左下角十字相交点st为打印头未开始打印时停留的位置，对于子分区，长轴为ac，b，d两点为长轴ac两侧距离ac的最远点；同样子分区，长轴为ae，d，f两点为长轴ae两侧距离ae的最远点；对于区域，长轴为ec，g点为ec一侧距离ec最远的点，而对于ec的另一侧无最远点，此时规定最远点为e点或者c点，即算法运行时，e点和c点可能是该子分区的起始点也可能为该子分区的终止点。
[0202]
算法运行流程如下：
[0203]
打印开始时，由于st点距离子分区的长轴ac一侧的最远点b相较于其他子分区长轴一侧的最远点距离最近，故打印头从st点移动到子分区的打印起始点b点(改进的最近邻点法)，到达b点后，打印头沿长轴ac方向进行z字型打印填充，当打印到子分区的打印终止点d点时，子分区打印完毕；此时打印头在d点，改进的最近邻点法进行判断：由于打印头停留在了d点，且d点距离子分区的长轴ae一侧的最远点d相较于其他子分区长轴一侧的最远点距离最近，故打印头从停留点d点移动到子分区的打印起始点d点(此时打印头停留点与d点重合)。到达d点后，打印头沿长轴ae方向进行z字型打印填充，当打印到子分区的打印终止点f点时，子分区打印完毕；此时打印头停留在了f点，由改进的最近邻点发进行判断，此
时e点既是子分区的长轴ec一侧的最远点也是子分区的长轴ug一侧的最远点，加入判断准则，由于子分区与已经打印完成的子分区和子分区较子分区与子分区和子分区更相邻，因此接下来优先打印子分区，打印头到达子分区的打印起始点e点后，沿长轴ec对子分区进行填充打印，最终打印头打印到子分区的打印终止点g点时，区域打印完毕；接下来重复以上算法直到最后一个区域打印完毕，打印头回到子分区的打印起始点a。以上过程则可得到由改进的最近邻点法产生的子分区打印序列和子分区连接路径的初始解。后续利用2-opt算法调整子分区连接顺序，结合禁忌搜索算法不断迭代最终得到较优的子分区打印序列和子分区连接的总路径长度解。
[0204]
本实施例的有益效果为：
[0205]
本实施例采用禁忌大大加强了的运算能力，当问题规模较小时，禁忌搜索能得到最优解；问题规模较大时，禁忌搜索能在规定时间内输出满意解。
[0206]
本发明采用禁忌搜索算法来进行路径规划，使得最终得到的路径优于传统的路径，缩短了总旅程的距离。该专利在应用于实践中时，在切片阶段的路径规划中，使得打印头移动距离最短，并且打印头拐点的次数也达到了最小，具有省电和提高打印效率的作用，为企业节省了打印模型的时间，降低了社会资源的损耗。
[0207]
在一个实施例中，所述精度检测模块包括：
[0208]
预设模块，用于通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；
[0209]
口径模拟模块，用于调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；
[0210]
反馈模块，用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要重复口径模拟模块。
[0211]
本实施例的工作原理为：
[0212]
所述打印速率公式为：
[0213][0214]
式中：m为待3d打印物体的总体积，v为喷嘴移动速率，k为时间系数，d为喷嘴口径的直径。
[0215]
本实施例中，喷嘴口径越大，打印成品的粗糙程度也就越大，因此通过3d仿真软件检检测模拟成品的表面粗糙度，所述3d仿真软件可为visual components，保证粗糙程度在预设的数值范围内。
[0216]
本实施例的有益效果为：
[0217]
通过调整喷嘴口径，从而调整3d打印速率，并利用3d仿真软件预设所能允许的精度值保证打印的质量，既提高了打印的效率又保证了打印的质量，大大提高了生产效率和管理成本。
[0218]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种3d打印智能路径规划方法，其特征在于，所述智能3d打印路径规划的方法包括：s1:利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；s2:利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法,计算打印路径；s3:用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；s4:完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。2.如权利要求1所述的一种智能3d打印路径规划的方法，其特征在于，所述利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息的具体方法如下：s101：通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；s102：通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；s103：将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。3.如权利要求1所述的一种智能3d打印路径规划的方法，其特征在于，所述利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径的具体方法为：s201：通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个子分区；s202：在每个子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；s203：采用禁忌搜索算法在最近子分区所有的打印起始点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。4.如权利要求3所述的一种智能3d打印路径规划的方法，其特征在于，所述采用禁忌搜索算法在最近子分区所有的打印起始点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划的具体方法为：s20301:根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点，利用改进的最近邻点算法生产初始解，得到起始点集合；s20302：将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；s20303:运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。5.如权利要求1所述的一种智能3d打印路径规划的方法，其特征在于，所述用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内的具体方法为：s301:通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；
s302:调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；s303:用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要调整喷嘴口径。6.一种智能3d打印路径规划的系统，其特征在于，所述智能3d打印路径规划的系统包括：切片模块，利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；分区模块，利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；精度检测模块，用3d仿真软件预设打印精度值，通过调节3d打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3d仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；输出模块，用于完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3d打印。7.如权利要求6所述的一种智能3d打印路径规划的系统，所述切片模块包括：建模模块，用于通过三维建模软件建立待打印物体的三维模型；操作模块，用于通过切片软件对三维模型进行切片操作，得到二维切片面；路径规划模块，用于将每个二维切片面的轮廓输出为顺序点，获得二维切片面的轮廓信息。8.如权利要求6所述的一种智能3d打印路径规划的系统，其特征在于，所述分区模块包括：分解模块，用于通过基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法进行凹多边形凸分解，得到多个凸多边形子分区；长轴打印模块，用于在每个多边形子分区内，采取自适应的沿分区长轴进行打印，选择沿着每个子分区轴线最长的方向作为最优的打印方向；禁忌模块，用于采用禁忌搜索算法在最近子分区所有的打印起始点中选择一条最合适的路径，完成子分区内的路径规划。9.如权利要求8所述的一种智能3d打印路径规划的系统，其特征在于，所述禁忌模块包括：初始解模块，根据每个分区的长轴，获取该分区的打印起始点和终止点，利用最近邻点算法生产初始解，得到起始点和终止点集合；最优解模块，用于将初始禁忌表设置为空并设置合适的禁忌长度和迭代次数，生成初始解后进行领域搜索，判断候选解是否为最优解；运行模块，用于运行禁忌搜索算法，直到迭代次数用完，得到整个切片面的路径规划。10.如权利要求6所述的一种智能3d打印路径规划的系统，其特征在于，所述精度检测模块包括：预设模块，用于通过3d仿真软件预设所能允许的精度值；口径模拟模块，用于调整打印喷嘴的口径，进而调整打印机的路径，从而调整打印时
间；带入打印速率公式，计算当前口径下对应的打印时间；反馈模块，用3d仿真软件检测模拟打印成品的精度，如果合格，则此喷嘴口径可以适用，并输出需要的时间；如果不合格，则需要重复口径模拟模块。

技术总结
一种智能3D打印路径规划的方法，其特征在于，所述智能3D打印路径规划的方法包括：S1:利用切片软件对待打印物体的三维模型进行切片操作得到二维切片面，提取二维切面轮廓信息；S2:利用基于顶点可见性的凹多边形快速凸分解算法对二维切片面进行分区，得到多个凸多边形的子分区，然后找到打印头开始运动时离打印头最近的点，且该点离所在子分区最长轴线的单侧距离最大，基于禁忌搜索算法计算打印路径；S3:用3D仿真软件预设打印精度值，通过调节3D打印喷嘴的口径，改变打印速率，获取预设的待打印物体的体积，带入打印速率公式，计算所需打印时间，并根据3D仿真软件检测打印作品是否在精度允许的范围内；S4:完成打印路径的规划后，输出路径参数，基于路径，进行3D打印。进行3D打印。进行3D打印。


技术研发人员：王涛 冯浩 傅奕茗 吴姝 赵宗民 何振学
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/28