一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法与系统

摘要

本发明公开了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，包括：从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L；生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转下一步，否则结束；生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

权利要求

1.一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，包括：S100、从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

S200、同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，所述L为激光增材制造加工材料热效应最小间距；

S300、生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转下一步，否则结束；

S400、移动多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合，生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

S500、根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

2.如权利要求1所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述L的取值范围在8～12mm。

3.如权利要求1或2所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述步骤S400中生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置，具体为：输出刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘位置，刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘之内为刮板低速运动区间，刮板运动方向上加工箱体之外为刮板高速运动区间。

4.如权利要求3所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述输出刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘位置之前还包括：若多零件整体最小包围盒X轴和Y轴中，刮板运动方向长度大于垂直于刮板运动方向长度，且加工箱体X轴和Y轴中垂直于刮板运动方向长度大于多零件整体最小包围盒刮板运动方向长度，则以多零件整体最小包围盒中心为原点旋转所有零件，并平移使得多零件整体最小包围盒不超出加工箱体。

5.如权利要求4所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述以多零件整体最小包围盒中心为原点旋转所有零件具体为：将加工区X-Y二维坐标系正向或反向旋转90度。

6.如权利要求1或2所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述步骤S500具体为：在所述高速运动区间，所述刮板以第一速度运动；在所述低速运动区间内，所述刮板以第二速度运动；其中所述第一速度大于所述第二速度；

在所述刮板运动方向上，从所述低速运动区间到所述高速运动区间，所述刮板由所述第二速度加速到所述第一速度。

7.如权利要求6所述的用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，其特征在于，所述刮板由所述第二速度均匀加速到所述第一速度。

8.一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工系统，其特征在于，包括数据读取模块、布局优化模块、包围盒生成模块、运动区间生成模块以及运动控制模块，其中：所述数据读取模块，用于从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

所述布局优化模块，用于同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，所述L为激光增材制造加工材料热效应最小间距；

所述包围盒生成模块，用于生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转运动区间生成模块，否则结束；

所述运动区间生成模块，用于移动多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合，生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

所述运动控制模块，用于根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

说明书

一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法与系统

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法与系统。

背景技术

[0002] 增材制造(Additive Manufacturing，AM)，又称3D打印技术，它是一种以数字零件文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。为了充分利用成型箱体，往往会将多个较小的零件放进一个成型箱体内加工。激光增材制造中刮板运动耗时远高于激光扫描速度，刮板运动距离和速度是决定激光增材制造耗时的重要因素，所以节省刮板运动距离和提高刮板运动速度可以显著降低激光增材制造中的总耗时。

[0003] 在多零件激光增材制造中，既要避免零件与零件之间在空间中碰撞，也要避免多零件在成型箱体内布局较为分散。较为分散的多零件在成型箱体内的布局可能造成光固化3D打印机每次激光层面扫描完成后刮板的运动距离较长，或者粉末烧结3D打印机可提高刮板运动速度的非加工区域行程缩短。

[0004] 中国专利申请号CN201510937549.8提出了一种三维零件的碰撞检测方法及系统。该方法及系统只是通过零件文件在水平面上投影形状判断零件与零件之间的碰撞，并未对零件在加工箱体内的间距进行检测，也没有对零件在加工箱体内的布局进行调整。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法与系统，其目的在于对零件的间距进行布局优化，并且尽量减少刮板运动时间，由此解决现有技术中无法快速进行碰撞检测提高加工效率的技术问题。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，包括：

[0007] S100、从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

[0008] S200、同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，移动所述多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合；

[0009] S300、生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转下一步，否则结束；

[0010] S400、生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

[0011] S500、根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

[0012] 本发明的一个实施中，所述步骤S200中同时平移零件的零件层切数据与支撑层切数据，具体为：

[0013] 计算各零件最小包围盒在刮板运动方向的间隙总长度，计算各零件最小包围盒在刮板运动方向重叠总深度；

[0014] 若间隙总长度不小于重叠总深度与(N-1)*L之和，则在刮板运动方向上平移各零件，使得邻近两零件在垂直于刮板运动方向上的间隙为L，其中N为刮板运动方向上的零件总个数；否则结束。

[0015] 本发明的一个实施中，所述L为激光增材制造加工材料热效应最小间距。

[0016] 本发明的一个实施中，所述L的取值范围在8～12mm。

[0017] 本发明的一个实施中，所述步骤S400中生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置，具体为：

[0018] 输出刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘位置，刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘之内为刮板低速运动区间，刮板运动方向上成型箱体之外为刮板高速运动区间。

[0019] 本发明的一个实施中，所述输出刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘位置之前还包括：

[0020] 若多零件整体最小包围盒X轴和Y轴中，刮板运动方向长度大于垂直于刮板运动方向长度，且成型箱体X轴和Y轴中垂直于刮板运动方向长度大于多零件整体最小包围盒刮板运动方向长度，则以最小包围盒中心为原点旋转所有零件，并平移使得多零件整体最小包围盒不超出加工箱体。

[0021] 本发明的一个实施中，所述以最小包围盒中心为原点旋转所有零件具体为：

[0022] 将加工区X-Y二维坐标系正向或反向旋转90度。

[0023] 本发明的一个实施中，所述步骤S500具体为：

[0024] 在所述高速运动区间，所述刮板以第一速度运动；在所述低速运动区间内，所述刮板以第二速度运动；其中所述第一速度大于所述第二速度；

[0025] 在所述刮板运动方向上，从所述低速运动区间到所述高速运动区间，所述刮板由所述第二速度加速到所述第一速度。

[0026] 本发明的一个实施中，所述刮板由所述第二速度均匀加速到所述第一速度。

[0027] 按照本发明的另一方面，还提供了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工系统，包括数据读取模块、布局优化模块、包围盒生成模块、运动区间生成模块以及运动控制模块，其中：

[0028] 所述数据读取模块，用于从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

[0029] 所述布局优化模块，用于同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，移动所述多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合；

[0030] 所述包围盒生成模块，用于生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转运动区间生成模块，否则结束；

[0031] 所述运动区间生成模块，用于生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

[0032] 所述运动控制模块，用于根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

[0033] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

[0034] (1)本发明基于零件最小包围盒的边缘直接控制零件间的间距，不做碰撞检测，计算负载小；

[0035] (2)本发明利用不仅消除了零件间的碰撞(重叠)，也对缩小了刮板运动方向较远零件间的间隔。控制了多零件整体最小包围盒在刮板运动方向的长度，可以尽可能加大刮板在加工区域外的运动长度；

[0036] (3)本发明还对多零件整体最小包围盒的长宽边方向进行了检测和方向调整，进一步加大刮板在加工区域外的运动长度，节约刮板运动时间，提高了加工效率。

附图说明

[0037] 图1是本发明实施例中一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法的流程示意图；

[0038] 图2是本发明实施例中一种零件优化布局前的位置关系示意图；

[0039] 图3是本发明实施例中一种零件优化布局后的位置关系示意图；

[0040] 图4是本发明实施例中一种多零件整体最小包围盒、加工箱体及刮板运动区域划分的示意图；

[0041] 图5是图4中多零件整体最小包围盒旋转后的示意图；

[0042] 图6是本发明实施例中一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工系统的结构示意图。

具体实施方式

[0043] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0044] 通用层切接口CLI(Common Layer Interface)格式是欧洲共同体BRITE-EURAM快速原型技术项目提出并完善的一种层片文件接口，它是在LEAF基础上结合了许多RP工艺的具体要求而实现的。CLI格式较好地处理了每层中分层轮廓的内外环和相应的填充线表达，具有较广泛的适应性。

[0045] 激光增材制造中加工箱体的基板为水平面，Z轴指垂直于加工箱体中基板的方向，X轴、Y轴与Z轴在三维空间中互相垂直。

[0046] 包围盒是一个简单的几何空间，里面包含着复杂形状的零件。为零件添加包围盒的目的是快速的进行碰撞检测或者进行精确的碰撞检测之前进行过滤(即当包围盒碰撞，才进行精确碰撞检测和处理)。

[0047] 在CLI格式层切文件和SLC格式层切文件中，包围盒分别由X轴的最小值x1、最大值x2，Y轴的最小值y1、最大值y2，Z轴的最小值z1、最大值z2构成。

[0048] 为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工方法，包括：

[0049] S100、从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

[0050] S200、同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，移动所述多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合；

[0051] 具体地，由于在批量载入零件层切文件并经过匹配后，部分零件之间可能间隙过大，而部分零件之间隔太近甚至可能存在重叠；如果间隙过大会增加刮板运动的时间，而如果部分零件之间相隔太近甚至可能存在重叠则会导致加工时的热效应损坏零件。因此需要重新对零件进行布局优化，为了保证各零件之间间隙不会太大并且也不会太近而受热效应损坏，我们可以将优化布局后各零件间的间隙为L，其中L是激光增材制造加工材料热效应最小间距。通常地，L的取值范围可以为8～12mm。

[0052] 所述水平垂直是指方向在X-Y平面上。

[0053] 为了实现上述方案，具体可以按如下方式实现：

[0054] 计算各零件最小包围盒在刮板运动方向的间隙总长度，计算各零件最小包围盒在刮板运动方向重叠总深度；

[0055] 若间隙总长度不小于重叠总深度与(N-1)*L之和，则在刮板运动方向上平移各零件，使得邻近两零件在垂直于刮板运动方向上的间隙为L，其中N为刮板运动方向上的零件总个数；否则结束。

[0056] 具体地如图2所示，几个零件在刮板运动方向的间隙总长度为L1，在刮板运动方向重叠总深度L2+L3，为了让重新布局后各零件之间的距离为L，则需要保证L1-(L2+L3)大于(N-1)*L，图中N＝3。图3为重新优化布局之后的零件布局示意图。

[0057] 当移动各零件进行布局优化后，多零件整体可能不再居于加工箱体的中心，此时则需要调整各零件的位置使多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合，使得在加工过程中各零件和刮板受力均衡，不影响加工精度。

[0058] S300、生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转下一步，否则结束；

[0059] 进一步地，当经过布局优化后需保证多个零件的整体最小包围盒要小于加工箱体，才能进行后续的加工操作，否则不进行后续操作直接结束。具体地，可以通过判断多零件整体最小包围盒以及加工箱体的XY的长度关系即可。

[0060] S400、生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

[0061] 如图4所示，为一种多零件整体最小包围盒、加工箱体及刮板运动区域划分的示意图；结合该图，以不锈钢(316L)粉末材料增材加工制造为例，在工作区域刮板速度V1＝25mm/s时，在非加工区域允许的刮板速度V2＝V1*X，X为3～5。当V2在80mm/s时，该速度尚未超过机械设计中机械构件安全裕度，所述构件包括轴承、齿轮、键等。

[0062] 在成型缸宽度(刮板运动轴向)为250mm的增材制造装备中，刮板工作区域为250mm，在工作区域两侧一般还分别有一段约245mm的落粉、多余粉末推出区域，这两段区域为非加工区域可以直接使用V2。

[0063] 忽略由V1->V2(131ms)、V2->V1(131ms)、以及V2速度到停止、启动到V2，电机爬坡速度的限制下的时间花费。刮板以V1匀速单层单方向运动越需要约30s。刮板在工作区域和非工作区域分别以V1和V2运动，需要约16s时间。则在第二种运动方式下，单层可以节省约14秒时间。按250mm的加工高度，分层厚度0.02mm，铺粉层数12500层，若刮板采用分区运动速度控制，总计可节约48小时。

[0064] 因此有必要在刮板运动过程，根据需要在非加工区域采用更多的运动速度以节约加工时间。

[0065] 通过前3个步骤，保证了优化布局后的多个零件的整体最小包围盒位于加工箱体内，则刮板可以在零件整体最小包围盒之内以较高速度运行，而在零件整体最小包围盒之外以较高速度运行。由于较低速度到较高速度需要有一个加速的过程，所以可以将加工箱体和零件整体最小包围盒之间的区域之间作为加速区域。

[0066] 具体地：输出刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘位置，刮板运动方向上多零件整体最小包围盒边缘之内为刮板低速运动区间，刮板运动方向上成型箱体之外为刮板高速运动区间。

[0067] 而进一步地，有可能如图4所示，多零件整体最小包围盒沿刮板运动方向长度小于垂直于刮板运动方向长度，则可以旋转多零件整体最小包围盒(即零件区域)，旋转后如图5所示，这样零件整体最小包围盒沿刮板运动方向长度大于垂直于刮板运动方向长度，刮板以较慢的速度运动的时间缩短，提高加工效率。

[0068] 具体地，可通过如下方式实现上述方案：若多零件整体最小包围盒X轴和Y轴中，刮板运动方向长度大于垂直于刮板运动方向长度，且成型箱体X轴和Y轴中垂直于刮板运动方向长度大于多零件整体最小包围盒刮板运动方向长度(保证旋转后多零件整体最小包围盒不超出加工箱体)，则以最小包围盒中心为原点旋转所有零件，并平移使得多零件整体最小包围盒不超出加工箱体。

[0069] 进一步，旋转方式可以是：将加工区X-Y二维坐标系正向或反向旋转90度。

[0070] S500、根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

[0071] 为了节约加工时间提高加工效率，可以在零件整体最小包围盒之内以较高速度运行，而在零件整体最小包围盒之外以较高速度运行。

[0072] 具体地：在所述高速运动区间，所述刮板以第一速度运动；在所述低速运动区间内，所述刮板以第二速度运动；其中所述第一速度大于所述第二速度；

[0073] 在所述刮板运动方向上，从所述低速运动区间到所述高速运动区间，所述刮板由所述第二速度加速到所述第一速度。

[0074] 优选地，上述加速过程可以为均匀加速，以保证加速平稳性，延长刮板使用寿命。

[0075] 进一步，如图6所示，本发明还提供了一种用于激光增材制造的多零件布局优化加工系统，包括数据读取模块、布局优化模块、包围盒生成模块、运动区间生成模块以及运动控制模块，其中：

[0076] 所述数据读取模块，用于从所有零件层切文件中读取各零件最小包围盒X轴与Y轴数据；

[0077] 所述布局优化模块，用于同时平移零件层切数据与支撑层切数据，使得邻近两零件最小包围盒在刮板运动方向上或水平垂直于刮板运动方向上的间隙为预设值L，移动所述多零件整体最小包围盒使其中心位置与加工箱体的中心位置基本重合；

[0078] 所述包围盒生成模块，用于生成多零件整体最小包围盒，若多零件整体最小包围盒X轴长度小于加工箱体的X轴长度，且多零件整体最小包围盒Y轴长度小于加工箱体的Y轴长度，则转运动区间生成模块，否则结束；

[0079] 所述运动区间生成模块，用于生成刮板的高速运动区间的起始位置与终点位置，生成刮板的低速运动区间的起始位置与终点位置；

[0080] 所述运动控制模块，用于根据所述高速运动区间以及低速运动区间的起始位置与终点位置控制刮板运动。

[0081] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。