复杂多空洞区域的路径规划填充方法

摘要

本发明提供一种复杂多空洞区域的路径规划填充方法，能够准确高效地对含有多空洞的目标零件进行路径规划，提升产品的质量和效率。该方法的特征在于，包括以下步骤：步骤1.得到目标零件模型的STL文件，通过扫描平面沿Z方向以一定间距d1对模型进行分层，得到目标零件在不同Z坐标下的截面数据；步骤2.通过扫描线沿A方向以一定间距d2与截面内外轮廓求得交点，并删除轮廓上的共线点；步骤3.将步骤2中所得的交点轮廓数据按顺时针或逆时针进行排序，并判断内外轮廓；步骤4.将内轮廓和外轮廓以合适间距d3分别向外和向内偏置一次；步骤5.用往复扫描线填充空白区域，其中，A为X或Y。

说明书

技术领域

本发明属于快速成型技术领域，具体涉及一种复杂多空洞区域的路径规划填充方法。

技术背景

快速成型技术是基于材料堆积法的一种高新制造技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，简单来说，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

路径规划作为其核心，在快速成型技术中，路径的选择直接决定了零件质量的好坏和效率的高低，尤其是含有多空洞的零件，路径规划显得尤为重要，合理的路径规划可以准确高效的逐层填充，从而使得整个目标零件在高质量高效率的条件下完成。

发明内容

本发明目的在于提供一种复杂多空洞区域的路径规划填充方法，能够准确高效地对含有多空洞的目标零件进行路径规划，提升产品的质量和效率。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种复杂多空洞区域的路径规划填充方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.得到目标零件模型的STL文件，通过扫描平面沿Z方向以一定间距d₁对模型进行分层，得到目标零件在不同Z坐标下的截面数据；步骤2.通过扫描线沿A方向以一定间距d₂与截面内外轮廓求得交点，并删除轮廓上的共线点；步骤3.将步骤2中所得的交点轮廓数据按顺时针或逆时针进行排序，并判断内外轮廓；步骤4.将内轮廓和外轮廓以合适间距d₃分别向外和向内偏置一次；步骤5.用往复扫描线填充空白区域，其中，A为X或Y。

本发明提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，还可以具有以下特征：步骤1中，扫描面初始值分别取该模型在X，Y，Z三轴坐标系下的目标零件模型Z坐标的最小值z_min，逐次增加间距d₁，其最大值不超过目标零件模型Z坐标的最大值z_max。

本发明提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，还可以具有以下特征：步骤2包含如下子步骤：步骤2-1.扫描线初始值分别取该模型在X，Y，Z三轴坐标系下、目标零件模型在某一截面A坐标的最小值a_min，逐次增加间距d₂，其最大值不超过目标零件模型在某一截面A坐标的最大值a_max；步骤2-2.从内外轮廓某一点开始，当其前面的一个点和后面一个点与该点在同一条直线上时，则删除该点，保留另外两个点，按顺时针方向循环判断轮廓上各点，得到交点轮廓数据。

本发明提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，通过平移函数分别求得内外轮廓所包含的面积，通过外轮廓的面积大于内轮廓的面积来判断内外轮廓，面积大的为外轮廓，面积小的为内轮廓。

本发明提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，以内外轮廓上的一点为起点，与该点的前一个点和后一个点组成具有一定角度的折线段，按照内轮廓向外偏，外轮廓向内偏的原则，根据直线平移公式，将这两条线段所在的直线进行平移一次，求其交点，即为该点的偏置点，按顺时针方向循环求得内外轮廓上各点的偏置点，形成新的内轮廓和外轮廓。

本发明提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，还可以具有以下特征：步骤5包含如下子步骤：步骤5-1.重复执行步骤4一次，通过扫描线求得与此次偏置所形成内外轮廓的交点；步骤5-2.根据每条扫描线上交点的数量进行分区；步骤5-3.将步骤5-2中各分区用往复扫描线进行填充。

发明的作用与效果

本发明所提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法，通过建模或者三维立体扫描得到零件的STL文件，对模型进行分层切片，得到每一截面上的内外轮廓数据，删除共线点，并判断内外轮廓，将内轮廓向外偏置一次，将外轮廓向内偏置一次，再用往复扫描线填充空白区域，能准确高效地对其进行路径规划，提升产品的质量和效率。

附图说明

图1为本发明实施例中涉及的某一扫描面的内外轮廓示意图；

图2为本发明实施例中涉及的内外轮廓各向外内偏置一次后得到的内外轮廓示意图；

图3为本发明实施例中涉及的应填充的空白区域范围的示意图；

图4为本发明实施例中涉及的应填充的空白区域范围的分区情况示意图；

图5为本发明实施例中涉及的空白区域的填充路径的示意图；

图6为本发明实施例中涉及的完整填充路径的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的复杂多空洞区域的路径规划填充方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

本实施例所提供的复杂多空洞区域的路径规划填充方法包括以下步骤：

步骤1.得到目标零件模型的STL文件，通过扫描平面沿Z方向以一定间距d₁对模型进行分层，得到目标零件在不同Z坐标下的截面数据。

具体的，扫描面初始值分别取该模型在X，Y，Z三轴坐标系下的z_min(目标零件模型z坐标的最小值)，逐次增加间距d₁，其最大值不超过z_max(目标零件模型z坐标的最大值)。

步骤2.通过扫描线沿某一方向(本实施例中以Y方向为例进行说明)以一定间距d₂与截面内外轮廓求得交点，并删除轮廓上的共线点。具体包含以下子步骤：

步骤2-1.扫描线初始值分别取该模型在X，Y，Z三轴坐标系下的y_min(目标零件模型在某一截面y坐标的最小值)，逐次增加间距d₂，其最大值不超过y_max(目标零件模型在某一截面y坐标的最大值)。

步骤2-2.从内外轮廓某一点开始，当其前面的一个点和后面一个点与该点在同一条直线上时，则删除该点，保留另外两个点，按顺时针方向循环判断轮廓上各点，得到如图1所示不包含共线点的新的轮廓。

具体的，从内外轮廓某一点开始，设此点为A_i，则其前面的一个点为A_i-1，其后面一个点为A_i+1，当A_i，A_i-1，A_i+1三个点在同一条直线上时，直线A_iA_i-1与直线A_i-1A_i+1夹角为0°或者180°，可通过向量的点积来判断是否在同一条直线上，即,若cosθ＝0，则A_i，A_i-1，A_i+1三个点在同一条直线上，删除A_i，保留另外两个点A_i-1和A_i+1，若cosθ≠0，则A_i，A_i-1，A_i+1三个点都保留，以相同的方法按顺时针或逆时针方向循环判断轮廓上各点，得到不包含共线点的新的内外轮廓。

步骤3.将步骤2中所得的交点轮廓数据按顺时针或逆时针进行排序，并判断内外轮廓。

具体的，记外轮廓为P{p₁，p₂，p₃……p_n}，内轮廓为Q{q₁，q₂，q₃……q_n}取外轮廓上某一点p_i(X_i,Y_i)，其后一个点的坐标为p_i+1(X_i+1,Y_i+1)，通过matlab上的平移函数分别求得内外轮廓所包含的面积，即通过公式来计算内外轮廓的面积，通过外轮廓的面积大于内轮廓的面积来判断内外轮廓，面积大的为外轮廓，面积小的为内轮廓。

步骤4.将内轮廓和外轮廓以合适间距d3分别向外和向内偏置一次(如图2)。

具体的，以内外轮廓上的一点为起点，与该点的前一个点和后一个点组成具有一定角度的折线段，按照内轮廓向外偏，外轮廓向内偏的原则，根据直线平移公式，将这两条线段所在的直线进行平移一次，求其交点，即为该点的偏置点，按顺时针方向循环求得内外轮廓上各点的偏置点，形成新的内轮廓和外轮廓。

具体的，记外轮廓为P{p₁，p₂，p₃……p_n}，内轮廓为Q{q₁，q₂，q₃……q_n}，取外轮廓上某一点p_i(X_i,Y_i),则前一个点的坐标为p_i-1(X_i-1,Y_i-1)，后一个点的坐标为p_i+1(X_i+1,Y_i+1)，向量若根据直线平移公式，将直线进行平移一次，若平移距离为d，设偏置点坐标为p’_i(X’_i,Y’_i)，可由下式(记为①式)求得：

若则可由下式(记为②式)求得：

从而得到新的外轮廓P’{p’₁，p’₂，p’₃……p’_n}。

对于内轮廓Q{q₁，q₂，q₃……q_n},取内轮廓上某一点q_i(X_i,Y_i),则前一个点的坐标为q_i-1(X_i-1,Y_i-1)，后一个点的坐标为q_i+1(X_i+1,Y_i+1)，若则按照②式计算，若则按照①式计算。从而得到新的内轮廓Q’{q’₁，q’₂，q’₃……q’_n}。

分别对内轮廓外轮廓上各点循环计算一次，内外轮廓偏置一次。

步骤5.用往复扫描线填充如图3所示的空白区域。具体包含如下子步骤：

步骤5-1.重复步骤4一次，通过扫描线求得与此次偏置所形成内外轮廓的交点。

具体的，扫描线为与Y轴平行的直线，扫描线的初始值为y_min，每次循环后沿Y轴正方向平移d₃，其取值范围y_min≤y≤y_max，以外轮廓为例，从p’_i开始，取其后面一个点p’_i+1，求线段p’_ip’_i+1与直线y＝y_min的交点，若没有交点，则继续求线段p’_i+1p’_i+2与直线y＝y_min的交点，若遇到扫描线与外轮廓只有一个交点的情况，令y＝y+k(k为一个微小量)，用新的y与外轮廓求交点求线段与该扫描线的交点，那么一定得到偶数个交点，并将所求得的交点存入数组out-intersection1中，此时将扫描线沿Y轴正方向平移d₃，重复以上求交过程，按照同样的方法求得内轮廓与扫描线的交点，存入数组inner-intersection中。

步骤5-2.根据每条扫描线上交点的数量进行分区。

将步骤5-1中所得的交点数组out-intersection和inner-intersection中y坐标相同的交点存入另一个数组中将这些数组Y坐标从上往下按从小到大的顺序排序，在每个数组中按照X坐标的大小顺序进行排序(左小右大)，从上往下对每个数组中的交点数量进行判断，若交点数量为n，则将前两个点存入一个新的数组area1，将第三个第四个点存入数组area2，直到数组areai₁(i₁＝n/2)，判断完第一个数组后向上移动判断第二个数组的交点数量，若交点数量也为n，将前两个点存入一个新的数组area1，将第三个第四个点存入数组area2，第n-1个和第n个点存入数组areai₁(i₁＝n/2)，若交点数量发生变化为m(m≠n)，则将该数组中的前两个点存入数组area(i₁+1)，将第三个第四个点存入数组area(i₁+2)直到数组areai₂(i₂＝m/2)，以此类推，可得到包含空白区域的数组area1，area2，area3……，从而形成了如图4所示不同的分区。

步骤5-3.将步骤5-2中各分区用往复扫描线进行填充。

如图5和6所示，将各个数组中的点连接起来形成往复扫描直线，即将各个分区填充完成。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的复杂多空洞区域的路径规划填充方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

在上述实施例中是以Y方向作为扫描方向来进行说明的。本发明中，步骤2中也可以以X方向作为扫描方向，相应的实施例中提到的各步骤中X和Y方向的操作步骤和参数互换即可。