一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法与流程

本发明属于三维增材制造技术领域，具体涉及一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法。

背景技术：

增材制造(additivemanufacture，am)技术是近30年来信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术。增材制造技术能够快速准确的将设计思想转变为产品模型，缩短了产品的研制周期，提高了企业对市场的快速反应能力。

壳类零件广泛应用于工业、医学、航空等领域，是一种重要的零件。采用增材制造构建壳类零件是一种高效的制造方法，但目前的增材制造绝大多数都是平面分层增材制造，使壳类零件的机械强度和几何精度都受到极大限制。传统的平面分层制造方法比较适用于边缘平缓的模型，但在打印像壳类零件这种边缘陡峭模型时，此时模型表面与零件的制作方向存在一定角度，该方法制造的不规则零件在倾斜表面上具有明显的阶梯效应，严重影响零件的尺寸精度和表面粗糙度。

曲面分层熔融沉积成型(curvedlayerfuseddepositionmodeling,clfdm)是一种针对此类问题有效的五轴3d打印方法，它将切层方式转变为曲面切层方式和曲面填充方式。但是，对于具有陡坡的表面和不等厚的壳类零件，采用该方法打印零件时不能够完全将打印件切层分为若干等厚的曲面层，这样就不能充分发挥曲面切层的优势，仍然存在以下问题：

(1)由于平面分层方法在零件层叠方向上是离散化堆叠，在沿z向的轮廓方向离散的，在打印曲面时会出现“台阶”效应，而曲面层切层虽然能解决部分等厚度的薄壳类零件的质量问题，但是对于不等厚的薄壳类零件，打印出的零件仍然具有“台阶”效应。

(2)等厚度曲面切层方法可对零件打印出所受应力提前进行分析，并沿着应力线方向多方向规划打印路径，可以定向增强零件的力学性能。而对于不等厚壳类零件，采用等厚曲面切层后产生台阶效应的材料部分对提高整个部件的力学性能并没有作用，会造成材料的浪费。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，可以显著提高零件的表面光洁度和力学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，包括以下步骤：

1)基于壳类零件曲面轮廓特征的曲面切层，包括以下步骤：

1.1)输入模型文件：构建制品的三维模型，并对三维模型进行三角剖分；

1.2)标记上下表面：首先批量选取正面朝z轴负半轴，即面片法向量第三个坐标z<0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的底层三角面片；然后批量选取正面朝z轴正半轴，即面片法向量第三个坐标z>0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的顶层三角面片，其余面片作为曲面分层的分割边界曲面；

1.3)获取等高线：对上下表面进行基于其等高线分别划分成相同数量的空间曲线，空间曲线依照高度顺序进行编号，并使得上下表面编号相等的空间曲线相匹配；

1.4)曲线等分及最短距离点匹配：将相对应的空间曲线进行n等分各得到n个点，然后使用最短距离算法使得离得最近的点一一对应，并将对应点相连后根据所切层数进行等分处理；

1.5)线段等分及样条插值：将不同相连线段在同等位置的等分点进行曲面样条插值后即得到不等厚曲面切层；

2)基于测地线路径规划，包括以下步骤：

2.1)基于步骤1.5)得到的不等厚曲面切层获取需要路径规划的三角网格；

2.2)求需要路径规划的三角网格的各顶点到起始点的测地线距离场，并提取等距线作为路径；

2.3)生成首层曲面路径和高层曲面路径，以及挤出量的信息；

2.4)若有待路径规划的三角网格，返回步骤2.1)继续，反之，将路径信息写入gcode文件，结束；

3)五轴打印机工艺控制：对于模型表面轮廓线为直线的不等厚零件，利用g代码自带线性插值控制走丝速度和喷头高度实现变层厚直线打印；对于表面轮廓线为曲面的不等厚零件，利用梯形近似等效曲面，计算吞吐量，通过控制走丝速度和喷头高度来实现曲面的打印。

本发明的有益效果为：

(1)进一步降低“台阶”效应，提高壳类零件的表面光洁度。由于平面分层方法在零件层叠方向上是离散化堆叠，在沿z向的轮廓方向离散的，在打印曲面时会出现“台阶”效应，而曲面层切层虽然能解决部分等厚度的薄壳类零件的质量问题，但是对于不等厚的薄壳类零件，打印出的零件仍然具有“台阶”效应。而曲面变厚度分层方法能够根据薄壳不同位置厚度的不同，优化调整层厚，从而将“台阶效应”对壳类零件表面质量的影响尽可能降低。

(2)增强壳类零件力学性能。等厚度曲面切层方法可对零件打印出所受应力提前进行分析，并沿着应力线方向多方向规划打印路径，可以定向增强零件的力学性能。而对于不等厚壳类零件，采用等厚曲面切层后产生台阶效应的材料部分对提高整个部件的力学性能并没有作用，而采用变层厚曲面打印，可以充分利用这部分材料，使切层之后的每一层材料都能发挥出其定向的力学性能，从而提升整个壳类零件的力学性能。

附图说明

图1为本发明曲面切层流程图。

图2为本发明基于测地线路径规划示意图。

图3为本发明实施例1五轴打印机工艺控制示意图。

图4为本发明实施例2五轴打印机工艺控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，包括以下步骤：

1)参照图1，基于壳类零件曲面轮廓特征的曲面切层，包括以下步骤：

1.1)输入模型文件：构建制品的三维模型，并对三维模型进行三角剖分；

1.2)标记上下表面：首先批量选取正面朝z轴负半轴，即面片法向量第三个坐标z<0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的底层三角面片；然后批量选取正面朝z轴正半轴，即面片法向量第三个坐标z>0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的顶层三角面片，其余面片作为曲面分层的分割边界曲面；

1.3)获取等高线：对上下表面进行基于其等高线分别划分成相同数量的空间曲线，空间曲线依照高度顺序进行编号，并使得上下表面编号相等的空间曲线相匹配；

1.4)曲线等分及最短距离点匹配：将相对应的空间曲线进行n等分各得到n个点，然后使用最短距离算法使得离得最近的点一一对应，并将对应点相连后根据所切层数进行等分处理；

1.5)线段等分及样条插值：将不同相连线段在同等位置的等分点进行曲面样条插值后即得到不等厚曲面切层；

2)参照图2，基于测地线路径规划，包括以下步骤：

2.1)基于步骤1.5)得到的不等厚曲面切层获取需要路径规划的三角网格；

2.2)求需要路径规划的三角网格的各顶点到起始点的测地线距离场，并提取等距线作为路径；

2.3)生成首层曲面路径和高层曲面路径，以及挤出量的信息；

2.4)若有待路径规划的三角网格，返回步骤2.1)继续，反之，将路径信息写入gcode文件，结束；

3)五轴打印机工艺控制：对于模型表面轮廓线为直线的不等厚零件，利用g代码自带线性插值控制走丝速度和喷头高度实现变层厚直线打印；对于表面轮廓线为曲面的不等厚零件，利用梯形近似等效曲面，计算吞吐量，通过控制走丝速度和喷头高度来实现曲面的打印。

实施例1，设定零件表面为一梯形，如图3所示，左侧层厚为0.8mm，右侧层厚为1.6mm；将零件分为4层，则每一层层厚左侧为0.2mm，右侧为0.4mm，则可保证吐丝速度不变，对每一层喷头高度从0.2mm到0.4mm进行线性插值，对每一层喷头速度从7200mm/min到3600mm/min进行线性插值，厚度越大的地方速度越慢。

实施例2，设定零件表面为一抛物线，如图4所示，两侧厚度为1mm，中线厚度为2mm；将零件分为5层，则每一层两侧厚度为0.2mm，中线厚度为0.4mm。之后将零件每一层划分为小梯形，计算每一层左侧和右侧的层厚，按照实施例1方法进行喷头高度和喷头速度的线性插值。