一种回转件的3d打印路径及其增材制造方法
阅读说明：本技术 一种回转件的3d打印路径及其增材制造方法 (3D printing path of rotating member and additive manufacturing method thereof ) 是由 吴玲珑 张召远 许春权 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种回转件的3D打印路径,包括如下步骤：首先构建待制造零件的三维模型；其次对所述三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓,其中针对所述三维模型,以垂直于其回转轴的任意方向为法向,建立过回转轴的切平面,并所述切平面绕回转轴并每次旋转角度θ为间隔生成等距的切片轮廓；再计算获取所述切片轮廓的中轴线；而后计算中轴点处的切向量以及垂直于切向量的垂线,所述垂线与切片轮廓之间相交形成交点；最后生成Zigzag填充路径以及螺旋填充路径。本发明通过采用完整的Zigzag填充路径以及螺旋填充路径作为回转体的制造路径,无断点的制造路径极大提升了生产效率以及回转体精度以及表面光滑度。(The invention relates to a 3D printing path of a rotating member, which comprises the following steps: firstly, constructing a three-dimensional model of a part to be manufactured; secondly, carrying out layered slicing processing on the three-dimensional model to obtain slice profiles of all layers, wherein aiming at the three-dimensional model, a cutting plane passing through a rotating shaft is established by taking any direction perpendicular to the rotating shaft as a normal direction, and the cutting plane winds the rotating shaft and generates equidistant slice profiles at intervals by rotating an angle theta every time; then calculating and obtaining a central axis of the slice outline; then calculating a tangent vector at the central axis point and a vertical line perpendicular to the tangent vector, wherein the vertical line and the slice outline are intersected to form an intersection point; finally, a Zigzag filling path and a spiral filling path are generated. According to the invention, the complete Zigzag filling path and the spiral filling path are adopted as the manufacturing path of the revolving body, and the manufacturing path without break points greatly improves the production efficiency, the revolving body precision and the surface smoothness.)
技术领域
本发明涉及3D打印技术的技术领域，尤其是涉及一种回转件的3D打印路径及其增材制造方法。
背景技术
在增材制造技术中，对三维模型分层切片后的切片轮廓进行扫描填充路径规划是其关键技术之一。
目前三维模型多采用水平面并在竖直方向等间隔的截面作为切片，切片形成切片轮廓，而后再采用往复直线法或偏置轮廓法生成扫描填充路径；扫描线沿与坐标轴夹角方向Z形填充，当采用往复直线法对中心存在空心的回转体切片轮廓生成填充路径时，难以形成一条连续的打印路径，并且拐角处的表面形貌较差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种回转件的3D打印路径，通过采用完整的螺旋路径作为回转体的制造路径，无断点的制造路径极大提升了生产效率以及回转体精度以及表面光滑度。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种回转件的3D打印路径，包括如下步骤：
S1：构建待制造零件的三维模型；
S2：对所述三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓；
S2.1：针对所述三维模型，以垂直于其回转轴的任意方向为法向，建立过回转轴的切平面；
S2.2：所述切平面绕回转轴并每次旋转角度θ为间隔生成等距的切片轮廓序列{P(0),P(θ),…,P(Sθ),…,P((n-1)θ),P(nθ)}
其中,S为整数，P(Sθ)为Sθ角度处的切片轮廓；
S3：计算获取所述切片轮廓的中轴线；
所述中轴线，是距所述切片轮廓上不同边上的两个或两个以上点的等距离点的集合；
S4：对所述切片轮廓的中轴线重采样，沿所述中轴线长度方向并以等弧长D为间隔生成等距的中轴点序列{P(Sθ)0,P(Sθ)1,…,P(Sθ)i,…,P(Sθ)n-1,P(Sθ)n}；
其中，P(Sθ)i为第i个中轴点；
S5：计算中轴点处的切向量以及垂直于切向量的垂线，所述垂线与切片轮廓之间相交形成交点；
其中垂线与切片轮廓之间相交的两端点分别为下端点P(Sθ)i 下和上端点P(Sθ)i 上；
S6:依次连接不同切片轮廓上同一等弧长D处中轴点对应的上端点连接形成内轮廓，依次连接不同切片轮廓上同一等弧长D处中轴点对应的下端点连接形成外轮廓，内轮廓与外轮廓之间包围形成打印区域，同时将打印区域内的中轴点连接形成新中轴线。
S7:在同一打印区域内连接下端点P(Sθ)i 下与上端点P(Sθ)i 上形成路径一，连接上端点P(Sθ)i 上与上端点P((S+1)θ)i 上形成路径二，并且连接下端点P((S-1)θ)i 下与下端点P(Sθ)i 下形成路径三，路径一、路径二以及路径三形成Zigzag填充路径。
S8：在一个旋转切平面内相邻两层打印区域的中轴点一一对应，则上一层打印区域的内或外轮廓上的路径点与下一层打印区域的内或外轮廓上的路径点一一对应，分别对相邻层内或外轮廓上的路径点进行插值计算出两层之间的螺旋路径点。插值方法如下，其中，n为路径点总数，k为第k层，i为第i个路径点：
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述旋转角度θ的范围为θmin≤θ≤θmax。
其中，回转半径r和填充间距w，rmin为模型内曲面最小回转半径，rmax为模型外曲面最大回转半径，wmin为最小填充间距，wmax为最大填充间距。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弧长D的范围为
其中，hmin和hmax分别为单层的最小打印高度和最大打印高度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述路径一与路径二以及路径一与路径三的连接处设置有圆弧倒角。
本发明的另一目的是提供一种增材制造方法，通过在增材制造过程中，使得焊枪的枪口朝向始终与填充路径的切向量重合，进一步提升了回转体的表面精度。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于上述回转件的3D打印路径的一种增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：准备用于增材的焊枪；
步骤2：移动增材焊枪的枪口与P(0)0 上或下所对应的交点对齐，且控制焊枪的枪口朝向与P(0)0 上或下处交点所对应的中轴点的切向量重合；
步骤3：控制焊枪沿Zigzag填充路径以及螺旋填充路径移动进行增材，同时焊枪移动过程中，焊枪的枪口朝向始终与填充路径的切向量重合。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述路径一的焊枪移动速度v1，路径二的焊枪移动速度路径三的焊枪移动速度其中，l为路径一对应的新中轴线上相邻中轴点间的距离，l2和l3分别为路径二和路径三对应的长度。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.采用完整的螺旋路径作为回转体的制造路径，无断点的制造路径极大提升了生产效率以及回转体精度以及表面光滑度；
2.在增材制造过程中，焊枪的枪口朝向始终与所在中轴点处的切向量重合，进一步提升了回转体的表面精度；
3.在增材制造的过程中，不同的路径段使用不同的焊枪移动速度，可以使打印区域更加平整，避免了在内轮廓的路径段堆积过高的现象。
附图说明
图1是用于回转体上的展示切片轮廓；
图2是用于展示切片轮廓上的中轴点；
图3是用于展示中轴点对应的上端点以及下端点；
图4是用于展示打印区域；
图5是打印区域的Zigzag填充路径；
图6是用于展示螺旋填充路径。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
一种回转件的3D打印路径，包括以下步骤：为了便于理解以一种回转体的为例进行展示个步骤的结果，
S1：构建待制造零件的三维模型；
结合图1所示，S2：对三维模型进行分层切片处理获取各层的切片轮廓；
S2.1：针对三维模型，以垂直于其回转轴的任意方向为法向，建立过回转轴的切平面；
S2.2：切平面绕回转轴并每次旋转角度θ为间隔生成等距的切片轮廓序列{P(0),P(θ),…,P(Sθ),…,P((n-1)θ),P(nθ)}
其中,S为整数，P(Sθ)为Sθ角度处的切片轮廓；旋转角度θ的范围为θmin≤θ≤θmax，
其中回转半径为r和填充间距为w，rmin为模型内曲面最小回转半径，rmax为模型外曲面最大回转半径，wmin为最小填充间距，wmax为最大填充间距；
如图2所示，S3：计算获取切片轮廓的中轴线；
其中中轴线是距切片轮廓上不同边上的两个或两个以上点的等距离点的集合；
S4：对切片轮廓的中轴线重采样，沿中轴线长度方向并以等弧长D为间隔生成等距的中轴点序列{P(Sθ)0,P(Sθ)1,…,P(Sθ)i,…,P(Sθ)n-1,P(Sθ)n}；
其中，P(Sθ)i为第i个中轴点；弧长D的范围为：
其中，hmin和hmax分别为单层的最小打印高度和最大打印高度；
如图3所示，S5：计算中轴点处的切向量以及垂直于切向量的垂线，垂线与切片轮廓之间相交形成交点；
其中垂线与切片轮廓之间相交的两端点分别为下端点P(Sθ)i 下和上端点P(Sθ)i 上；
如图4所示，S6:依次连接不同切片轮廓上同一等弧长D处中轴点对应的上端点连接形成内轮廓，依次连接不同切片轮廓上同一等弧长D处中轴点对应的下端点连接形成外轮廓，内轮廓与外轮廓之间包围形成打印区域，同时将打印区域内的中轴点连接形成新中轴线；
如图5所示，S7:在同一打印区域内连接下端点P(Sθ)i 下与上端点P(Sθ)i 上形成路径一，连接上端点P(Sθ)i 上与上端点P((S+1)θ)i 上形成路径二，并且连接下端点P((S-1)θ)i 下与下端点P(Sθ)i 下形成路径三，路径一、路径二以及路径三形成Zigzag填充路径；
如图6所示，S8：在一个旋转切平面内相邻两层打印区域的中轴点一一对应，则上一层打印区域的内或外轮廓上的路径点与下一层打印区域的内或外轮廓上的路径点一一对应，分别对相邻层内或外轮廓上的路径点进行插值计算出两层之间的螺旋路径点。插值方法如下，其中，n为路径点总数，k为第k层，i为第i个路径点：
实施例二：
一种增材制造方法，基于实施例一中的回转件的3D打印路径，包括以下步骤：
步骤1：准备用于增材的焊枪，焊枪的枪口直径为d；
步骤2：移动增材焊枪的枪口与P(0)0 上或下所对应的交点对齐，且控制焊枪的枪口朝向与P(0)0 上或下处交点所对应的中轴点的切向量重合；
步骤3：控制焊枪沿Zigzag填充路径以及螺旋填充路径移动进行增材，同时焊枪移动过程中，焊枪的枪口朝向始终与填充路径的切向量重合。
其中焊枪的移动速度范围为:在路径一处的移动速度v1，路径二处的移动速度路径三处的移动速度其中，l为路径一对应的新中轴线上相邻中轴点之间的距离，l2和l3分别为路径二和路径三对应的长度。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
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