專利名稱：：Fdm快速成型機(jī)的支撐生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種快速成型機(jī)的支撐生成方法，尤其涉及一種FDM快速成型機(jī)的支撐生成方法。
背景技術(shù)：
：FDM即熔融堆積成型系統(tǒng)，F(xiàn)DM快速成型機(jī)通過計(jì)算機(jī)控制的加熱頭把材料加熱變軟，在CAD分層數(shù)據(jù)控制下，擠出半流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料，并將3D的模型層層堆棧出來。FDM快速成型機(jī)每層厚度為0.0250.762mm，一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型。目前快速成型機(jī)的支撐自動(dòng)生成方法包括BOX型支撐自動(dòng)生成方法、基于投影區(qū)域的支撐自動(dòng)生成方法、基于層片布爾運(yùn)算的支撐自動(dòng)設(shè)計(jì)方法、基于零件STL格式的支撐自動(dòng)生成方法等。支撐自動(dòng)生成方法各有優(yōu)勢(shì)，但是沒有一種方法既可以提高支撐生成的準(zhǔn)確性和快速性，又可以減少支撐運(yùn)算的復(fù)雜程度、節(jié)省支撐材料，明顯解決快速成型加工的瓶頸技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能有效提高FDM快速成型機(jī)成型加工速度，并且魯棒性強(qiáng)，對(duì)任何形狀復(fù)雜的制件都通用的快速準(zhǔn)確的支撐生成方法。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的根據(jù)FDM工藝特點(diǎn)，從STL模型分層后的層片文件入手，采用將層片文件預(yù)填充轉(zhuǎn)化為二維線段后進(jìn)行求差、并的幾何運(yùn)算得到支撐線段，在進(jìn)行上下層面二維線段的求差、并運(yùn)算時(shí)不直接進(jìn)行各端點(diǎn)坐標(biāo)浮點(diǎn)數(shù)的邏輯判斷比較，而是對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行合并排序并附加狀態(tài)標(biāo)志，然后根據(jù)一條線段中首末兩點(diǎn)的狀態(tài)位直接實(shí)現(xiàn)該線段的去除或保留，將多邊形區(qū)域集合運(yùn)算轉(zhuǎn)化為ID元素集合運(yùn)算的同時(shí)、簡化了線段邏輯判斷比較運(yùn)算，大大提高了支撐生成速度；對(duì)生成的支撐根據(jù)實(shí)際加工工藝和材料性質(zhì)進(jìn)行隔層交叉和長度縮減，提出根據(jù)度數(shù)來確定成型零件支撐需要與否的方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是為FDM快速成型機(jī)制作形狀復(fù)雜制件提供準(zhǔn)確快速的支撐生成，提高快速成型加工速度，解決快速成型技術(shù)的瓶頸問題。圖l為本發(fā)明各層面采用相同基準(zhǔn)填充轉(zhuǎn)化為二維線段示意圖。圖2為本發(fā)明上下層對(duì)應(yīng)線段通過狀態(tài)位求差并原理示意圖。圖3本發(fā)明為通過傾斜度數(shù)判斷成型零件需要支撐與否的原理示意圖。圖4為本發(fā)明多余支撐添加示意圖。圖5本發(fā)明的縮減流程圖具體實(shí)施例方式如圖3所示，根據(jù)材料閥值與分層厚度的關(guān)系求得支撐臨界角度，若成型零件在該角度范圍內(nèi)則不需要加支撐，否則進(jìn)行如圖l所示支撐生成運(yùn)算，在STL分層后的層片文件基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)填充轉(zhuǎn)化為二維線段，然后上下層對(duì)應(yīng)線段進(jìn)行求支撐時(shí)按圖2所示附加狀態(tài)標(biāo)志，按表1所示法則實(shí)現(xiàn)支撐線段的去除或保留。兩個(gè)相互垂直方向分別填充求得支撐線段后交替隔層輸出支撐線段，實(shí)現(xiàn)隔層交叉填充。對(duì)生成后的支撐線段繼續(xù)進(jìn)行逐層縮減，節(jié)省制作材料。本實(shí)施例層片多邊形區(qū)域預(yù)填充轉(zhuǎn)化為二維填充線段，利用掃描線段預(yù)填充層面輪廓時(shí)確保①各層的對(duì)應(yīng)掃描線應(yīng)位于同一平行于z向的平面內(nèi)，上下層應(yīng)疊合在同一平面上進(jìn)行同方向填充。由于各個(gè)層面輪廓形狀不盡相同，用以下方法為各層確定相同的填充基準(zhǔn)先讀取所有層片輪廓，找出所有層中最大的Ym^和最小的Ymin(假設(shè)統(tǒng)一沿水平方向填充，若豎直方向填充則找出Xmax，Xmin)，即找出其形狀極值而非單個(gè)層面極值，以此極值作為掃描線的極限值等間距填充所有層，如圖1所示。②為避免支撐和本體間的不必要接觸以便支撐去除，求掃描線和層面輪廓交點(diǎn)時(shí)，式中^為掃描線間距，N為掃描線總數(shù)，Lm，^^為零件形狀極值Ymax、將所有層的原始輪廓向?qū)嶓w區(qū)域外偏置一個(gè)微小距離，再用得到的新輪廓和掃描線進(jìn)行求交點(diǎn)運(yùn)算。其中，掃描線與輪廓多邊形求交點(diǎn)運(yùn)算為設(shè)掃描線為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(l)Ymin?，F(xiàn)要求所有掃描線與多邊形的交點(diǎn)，即求出線掃描線的端點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算掃描線端點(diǎn)就是求出掃描線與輪廓線的交點(diǎn)。依照方程(l)設(shè)其中一條掃描線方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(2)設(shè)輪廓線任意一條邊的兩個(gè)端點(diǎn)為A(x,,y,)，B(x2，y2)，則該直線的兩點(diǎn)式方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)將方程(2)代入方程(3)就可求出_y=c時(shí)的值，即掃描線與輪廓線的一個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)為(^^"(c-力+^c)。少21為了提高求交點(diǎn)的效率，在設(shè)計(jì)交點(diǎn)求取程序時(shí)不是依次將每條一條掃描線遍歷所有輪廓線求交，而是依次用輪廓線的直線段來遍歷所有掃描線，求得掃描線與輪廓線的所有交點(diǎn)。表l所示掃描線段的差、并運(yùn)算法則步驟為①合并排序。把Li+l和Li中所有的線段頂點(diǎn)合并在一起，并按由左向右的順序進(jìn)行排列，排序可以通過冒泡排序算法實(shí)現(xiàn)。②分類。從左到右，每兩個(gè)相鄰的頂點(diǎn)構(gòu)成了一條線段，把所有線段分為保留和去除。如果一個(gè)線段被Li+l或Li的某一線段包含，則標(biāo)記為l，表示在成形體內(nèi)；否則標(biāo)記為0，表示不在成形體內(nèi)，并按表l實(shí)現(xiàn)求差、并運(yùn)算。③合并。將第②步的結(jié)果中所有具有相同端點(diǎn)的線段合并成同一線段，并去掉多余的點(diǎn)，使最終結(jié)果中每兩條線段都不相連。此算法關(guān)鍵問題是如何在第②步中判斷合并排序后生成的線段是否包含在Li+l或Li中。本實(shí)施例設(shè)計(jì)了一套標(biāo)志法根據(jù)線段兩個(gè)端點(diǎn)的狀態(tài)簡單判斷線段歸屬。方法如下Li+l和Li中的點(diǎn)，在合并之前，兩兩一組在每個(gè)端點(diǎn)附加狀態(tài)標(biāo)志。即對(duì)于Li+l中的兩點(diǎn)，若為左端點(diǎn)，則標(biāo)志l，右則標(biāo)志2;對(duì)于Li中的兩點(diǎn)，若為左端點(diǎn)則標(biāo)志3，右端點(diǎn)標(biāo)志4。標(biāo)志完并按從左自右合并排序后，每個(gè)點(diǎn)分別與下一點(diǎn)連線形成一條線段，假設(shè)總點(diǎn)數(shù)為n，則組成線段n-l條，對(duì)此n-l條線段分別判斷其相對(duì)于Li+l和Li的包含關(guān)系。即對(duì)于Li+l，若該線段左標(biāo)志為l或右標(biāo)志為2，則表示該條線位于Li+l內(nèi)部即包含，記包含標(biāo)志h若左標(biāo)志為2或右標(biāo)志為1，則位于其外即不包含，記不包含標(biāo)志0;對(duì)于均不符合上述兩種情況的則不易簡單判斷歸屬，記標(biāo)志2。對(duì)于Li，若該線段左標(biāo)志為3或右標(biāo)志為4，則表示該條線被Li包含，記標(biāo)志l;若左標(biāo)志為4或右標(biāo)志為3，則不包含，記標(biāo)志0;若均不符合上述兩種則標(biāo)志2。對(duì)于出現(xiàn)2的線段不能簡單判斷歸屬，若該段為首、末段，則直接判定其不包含即為0;若位置非首尾，則需再次根據(jù)該段的前段和后段來判別，若其前段和后段均為l，則其最終判定為1，若其前段和后段均為o，則最終判定為o。這樣，即可完成所有線段的判斷。由于不需要進(jìn)行任何浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算和比較，該算法不會(huì)出現(xiàn)任何計(jì)算誤差，非常禾急定。本實(shí)施例由掃描線段的差、并運(yùn)算法則計(jì)算出的支撐線進(jìn)行隔層交叉是采用將各層面再次進(jìn)行豎直方向填充(假設(shè)首先使用的為水平填充)，使用該運(yùn)算法則求得各層豎直方向的支撐線。在輸出各層支撐的過程中若為奇數(shù)層則輸出水平支撐線，反之偶數(shù)層輸出豎直支撐線，這樣即可實(shí)現(xiàn)隔層交叉填充。本實(shí)施例由掃描線段的差、并運(yùn)算法則計(jì)算支撐線時(shí)，還要考慮該線段長度是否大于規(guī)定的允差值(具體值應(yīng)綜合考慮成形材料性能、加工溫度、環(huán)境溫度、每層加工時(shí)間、加工過程的穩(wěn)定性、成型質(zhì)量等因素而確定)以判斷該線段是否為必需的支撐。當(dāng)線段長度小于這個(gè)規(guī)定的允差值時(shí)并不需加支撐也能成型(如圖4所示)。假設(shè)給定一材料性能閥值c，其中該閥值c與分層厚度/^存在如圖3所示關(guān)系，由圖3知cnrctan(c//0(其中《為零件的傾斜角度)，可以在特定閥值下通過度數(shù)來判斷成型零件是否需要加支撐，若需要加支撐即進(jìn)行逐層的支撐縮減，減少非必要支撐的添加，從而節(jié)約支撐材料、減少加工時(shí)間。由于各層面是遞減式縮減，對(duì)于支撐為空的層面不需要縮減，所以要統(tǒng)計(jì)支撐不為空的層面數(shù)W，具體縮減流程見圖5。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種FDM快速成型機(jī)的支撐生成方法，其特征在于將STL分層后的層片文件預(yù)填充轉(zhuǎn)化為二維填充線段，對(duì)上下層對(duì)應(yīng)線各點(diǎn)進(jìn)行合并排序并附加狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)線段中首末兩點(diǎn)的狀態(tài)位直接實(shí)現(xiàn)支撐線段的去除或保留，將多邊形區(qū)域集合運(yùn)算轉(zhuǎn)化為1D元素集合運(yùn)算，對(duì)生成的支撐進(jìn)行隔層交叉和長度縮減，并根據(jù)度數(shù)來確定成型零件是否需要支撐。2、如權(quán)利要求1所述的一種FDM快速成型機(jī)的支撐生成方法，其特征在于基于層片布爾運(yùn)算的支撐設(shè)計(jì)方法，摒除其缺點(diǎn)、簡化其復(fù)雜性。全文摘要一種FDM快速成型機(jī)的支撐快速生成方法，從STL模型分層后的層片文件入手，將層片文件預(yù)填充轉(zhuǎn)化為二維填充線段后，對(duì)上下層對(duì)應(yīng)線各點(diǎn)進(jìn)行合并排序并附加狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)線段中首末兩點(diǎn)的狀態(tài)位直接實(shí)現(xiàn)該支撐線段的去除或保留，將多邊形區(qū)域集合運(yùn)算轉(zhuǎn)化為1D元素集合運(yùn)算。此生成方法為快速成型制作形狀復(fù)雜制件提供準(zhǔn)確快速的支撐生成，在很大程度上提高了快速成型加工速度，解決快速成型技術(shù)的瓶頸問題。文檔編號(hào)G05B19/4097GK101382794SQ20081010725公開日2009年3月11日申請(qǐng)日期2008年10月9日優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日發(fā)明者捷周,周天瑞,永張,蔡冬根申請(qǐng)人:南昌大學(xué)