单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备、系统和方法

摘要

本发明公开了一种单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备、系统和方法，该设备包括光源模块、旋转运动模块、水平运动模块、垂直运动模块、液位调节模块、刮刀模块、成形模块、料仓模块以及电气控制模块；该系统包括云端服务器、上位机和下位机；该方法包括大尺寸面曝光模型切片方法和大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法。本发明结合模型切片方法，通过单光源分区域多次照射的方式拼接成为大尺寸模型切片，实现了大尺寸模型的打印。与多光源同时照射方式的大尺寸设备相比，节省了光源成本。本发明避免了由于多个光源光强一致性调节的困难所带来的模型质量下降问题。

权利要求

1.单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，该方法基于单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备，包括光源模块(11)、旋转运动模块(12)、水平运动模块(13)、垂直运动模块(14)、液位调节模块(15)、刮刀模块(16)、成形模块(17)、料仓模块(18)以及电气控制模块(19)；其中，设备主体由一个外框架构成，光源模块(11)位于设备上部，料仓模块(18)及成形模块(17)位于设备下部；光源模块(11)安装在水平运动模块(13)和旋转运动模块(12)构成的运动部件上，能够产生XY方向的平移以及Z方向的旋转运动；在料仓模块(18)中，放置了一个垂直运动模块(14)带动成形模块(17)沿Z轴方向运动；料仓模块(18)的上方，使用一个水平运动模块(13)带动刮刀模块(16)进行液面刮平操作；液位调节模块(15)浸入料仓模块(18)中存放的树脂材料中，通过调节该模块浸入树脂液体中的体积，保持打印材料液位始终位于同一高度；控制设备运动的电气控制模块(19)安装在料仓模块(18)的下方，与其他各个模块通过线缆相连，向各模块发送控制指令指导其产生运动；

该方法包括：

a)层切图内区域划分数量最优

区域划分通过启发式算法得到近似优解；

b)层切图堆叠强度及表面质量最优

要选择合适的模型强度与表面质量性能指标，对层切图的堆叠方式进行优化；

c)光源运动效率最优

在路径规划时保证光源能够在固化时间间隔的上下限值之间对新层进行照射。

2.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，区域划分问题的数学描述：令Ψ是单个光源能够投影的最大区域，在面曝光打印技术中，该区域通常是一个长方形；每一个切片能够表示为一个二元组(Ξ,z)，其中z是切片的高度，Ξ＝(Ω1∪Ω2∪…∪Ωn)是一个由n个不连通多边形区域构成的待固化区域的集合；对于使用多次成像进行拼接的大尺寸面曝光设备来说，区域划分问题表述如下：给定平面上一组不连通多边形区域的集合

寻找一组四边形集合Ψ＝{ψk,k＝1,2,…}，其

中所有元素均具有相同尺寸w×h，使得

2 2

计算时基于中轴线变换所进行的分割算法，其算法复杂度为O(n log n)，其中n为生成点的数量。

3.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，考虑零件强度与表面质量的分区域曝光方式切片算法，具体如下：考虑层间结合强度最大及外表面接缝长度最小，给定性能指标进行优化；从第一层切片开始，第一层切片使用中轴线算法给出划分数量最小的结果；第二层切片划分是在第一层划分的基础上，考虑层间结合强度最大及表面质量最好进行启发式寻优，判断依据是由当前区域划分的中心线构成的封闭区域与下一层划分区域的重合面积；

根据优化理论，目标表示为

其中，s(·)表示面积计算算子， 表示由第i层区域划分结果的中心线导出的区域，其大小等于光源投影区域。

4.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，单光源运动照射路径规划算法，具体如下：将当前层切片的每个分割区域都表示为一个节点，建立一个有权完全图，即所有节点之间均具有边，每条边的权值等于两个区域中心之间的距离；加权图模型表示：G＝(V,E,Ω,P),

其中顶点集V＝{1 ,2,… ,Ni}，Ni表示当前层的区域划分总数，边集表 示任 意 两个 顶 点之 间 均具 有 一条 边 ，权值 集 合优先级集合P＝{pi,i＝1,2,,Ni}是一组根据上一层切片分割区域的固化顺序排列的一组实数；

使用加权邻接矩阵表示顶点之间的距离关系，即

使用优先级拓扑矩阵表示顶点之间的优先级依赖关系

其中Pi表示优先级低于顶点i的顶点集合,V0是一个包含虚拟起止点的顶点集合，V0＝V∪{0}；决策变量xij是一个二元变量，当且仅当路径经过边eij时取值为1，否则取值为0；整数变量yi的取值范围是{1,2,…,Ni}，代表顶点i在路径中的次序；建立一个整数线性规划模型：yi‑yj＞(xi‑1)Ni，i∈V0，j∈V；i≠j

yi＜yj，i∈V0，j∈Pi

y0＝0

1≤yi＜Ni，integer，i∈V

xij∈{0，1}，i∈V0，j∈V0；i≠j

使用动态规划算法通过逐步递推最优子结构得到最终的最优解，同时能够消除冗余的中间状态，得到约束TSP问题的解。

5.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，光源模块(11)以DMD为核心的光机，用于产生层切图像。

6.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，旋转运动模块(12)使光源模块(11)按照切片算法要求进行旋转运动；水平运动模块(13)使光源模块(11)按照切片算法要求进行水平移动；垂直运动模块(14)使成形件每次运动一个层厚的距离。

7.根据权利要求1所述的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，其特征在于，工作时，电气控制模块(19)作为下位机，向各个模块发送控制指令驱动各模块工作；控制指令中运动指令驱动承载光源的水平运动模块(13)和旋转运动模块(12)将光源移动至指定位置，然后将模型切片图像发送至光源模块(11)进行显示；在完成一个区域的固化后，关闭光源模块(11)后根据光源运动路径信息驱动光源运动至下一个固化位置；在完成了当前层所有区域的固化后，承载料仓模块(18)的垂直运动模块(14)向下运动一个指定的层厚距离，其此时上一层固化的模型会附着在成形模块(17)上随成形模块(17)的运动；此时，液位调节模块(15)读取页面位置信息进行补液操作；待液面基本流平后，刮刀模块(16)刮除多余的树脂材料并保证液面平整，为下一层固化做好准备；循环上述过程直至模型所有层均固化就完成了整个模型的打印工作。

说明书

单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备、系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于面曝光技术领域，具体涉及一种单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设 备、系统和方法。

背景技术

[0002] 面曝光技术，直译为数字光处理(Digital Light Processing，DLP)，是一种使用面光源照 射光敏树脂材料，使之发生光固化反应进而逐层累加的增材制造技术。首先，使用一系列平 行平面与被打印模型相交得到一组由模型横截面图像组成的切片图。然后，每层切片转化为 一幅二维掩膜图像被投射到光固化液体表面，用于固化层当前层。最后，成形平台移动一个 切片层厚的距离继续固化下一层，重复上述步骤直至整个模型被逐层固化完成。

[0003] 面曝光技术作为一种主流的非金属增材制造技术已经得到了广泛的使用。面成形的概念 最早由Takagi和Nakajima[1]共同提出。随后，一些研究者利用投影设备来产生动态的掩模图 像，相继出现了基于液晶显示技术(Liquid Crystal Display，LCD)和基于数字微镜设备(Digital Micromirror Device，DMD)两种投影设备构成的成像系统。Bertsch等人[2]首先提出了一种 使用液晶显示屏作为动态遮罩投影的光固化技术，即面曝光技术。在该工作中，使用LCD作 为遮罩图像的动态发生器一次照射模型的一个面，逐层实现模型的制造。国内最早尝试使用 DMD对面成型技术进行研究的是国防科技大学的谌廷政[3]，他于2004年首次建立了一套基 于DMD的微光学数字化灰度掩模制作系统。胥光申[4]采用DMD产生零件的截面视图，作 为遮罩图像对模型切片进行曝光固化，实现了微小复杂结构零件的加工。

[0004] 即便如此，面曝光技术依然存在一些难以克服的困难。一方面，面曝光技术受到遮罩图 像产生器件等硬件的约束[5]，在光源器件进行照射过程中，光源发出的光线并造成的升温两 个因素会导致投影器件老化，因此遮罩图像产生器件仅能承受有限的照射能量，在保证光敏 树脂能够发生光固化反应的条件下，投影器件到打印平面存在最大距离约束。另一方面，由 于遮罩图像产生器件分辨率的限制，投影平面的精度与投影器件到投影平面之间的距离成反 比，因此通过增加投影距离来扩大投影区域面积的方法会导致打印精度的下降。由于上述原 因，在保证照射能量强度高于光敏树脂固化强度以及保证遮罩产生器件处于最佳工作温度的 条件下，单个投影器件仅能产生有限的投影面积。导致设备成形尺寸受限，难以实现大尺寸 打印[6]。

[0005] 为了实现大尺寸面曝光3D打印，解决方案通常有多光源组合曝光和单光源分区域曝光 两种方式。多光源组合大尺寸面曝光3D打印方法是通过将多个光源组合形成大尺寸成形平 面[7]。由于多光源方案结构复杂且不具有成本优势，单光源移动照射方式是当前实现大尺寸 3D打印的主流方案。单光源移动照射又分为以下两种方式：

[0006] 1.连续成像方式：

[0007] 光源在成形平面上以扫描方式连续运动，同时连续改变掩膜图像对树脂进行固化，保证 光源在移动过程中对树脂照射强度的累加能够达到树脂所需的固化能量。连续照射方式虽然 在原理上已经得到证明[8]，但是在实际操作时还需要考虑掩膜图像的动态变化与光源运动速 度的精确匹配，以及层内应力释放导致的精度问题等，当前仅限于理论研究，还未成为成熟 的大尺寸面曝光打印解决方案。

[0008] 2.分区域多次成像方式：

[0009] Smith[9]在单光源面曝光设备基础上将投影仪固定在一个具有X‑Y平面内平移自由度的 机械系统上，通过投影仪的平移运动对树脂材料进行分区域多次照射，实现了大面积遮罩投 射打印，如图2所示。大尺寸模型的层切图根据光源尺寸被分割为一系列规则网格，使得单 光源能够覆盖。光源以S型路径进行运动对每个网格区域进行固化，最终实现了完整的大尺 寸模型切片的固化。

[0010] 分区域照射方式在成形精度控制方面能够得到保证，已经被市面上的一些大尺寸设备所 采用，例如Prodways公司的MOVINGLight技术已经申请了专利，并且广泛应用于该公司的 大尺寸面曝光设备中。然而，将大尺寸层切图按照规则网格进行划分的方式显然不是一种最 优的区域划分方式。使用单光源分区域多次照射实现大尺寸模型3D打印的主要挑战在于如 何根据较小的光源面积对大尺寸模型切片进行区域划分。该问题是计算几何领域的一个经典 的NP难问题。Yi等人在[10]中提出了一种简单但有效的近似算法来求解区域划分问题。算法 的核心是根据多边形区域的中轴线(Medial Axis)作为区域划分的基准，这样得到的区域划 分数量与最优划分仅存在常数倍的偏差。由于区域划分算法产生的子区域不再是正交方式排 列，在此算法的基础上设计了一套面曝光3D打印系统。和传统的仅具有一个Z向运功机构 的面曝光3D打印机相比，本文给出的面曝光3D打印机使用Delta机构，固化模型的工作平 台除了具有垂直方向(沿着Z轴)的运动以外，还能够进行X‑Y平面内水平运动和绕Z轴的 旋转运动。然而，上述基于中轴线算法的大尺寸切片区域划分算法并没有考虑层间堆叠方式 对模型的影响。一方面，层间堆叠方式会对模型的强度造成直接影响，如果每一层都以相同 方式进行堆叠，会导致两个子区域之间的接缝出现在同一位置，位于模型内部的接缝会导致 模型强度降低，而位于模型表面的接缝会导致模型表面质量变差。

[0011] 另外，除了能够扩大成形面积之外，分区域多次成像方式还有助于树脂材料固化时的应 力释放，提高成形精度。在面曝光技术的精度改进方法中，分区域曝光模式已经是一种常用 的手段。宫静[11]提出的分区曝光法，将掩模图像分成若干块状区域，按照一定的顺序进行曝 光。固化区域通过未被固化区的液态树脂进行应力释放后在粘结在一起，完成一层薄片的加 工，能够避免一次固化的收缩变形。然而，该方法虽然能够通过应力释放减小收缩变形，但 是过长的曝光时间间隔过会导致严重的不粘接现象。在使用分区域曝光模式时，合理设置曝 光区域间的时间间隔也是需要考虑的一个重要因素。

[0012] 参考文献

[0013] [1]Takagi T,Nakajima N.Photoforming applied to fine machining[C]//[1993]Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems.IEEE,1993:173‑178.[0014] [2]Bertsch A,Zissi S,Jezequel J Y,et al.Microstereophotolithography using a liquid crystal display as dynamic mask‑generator[J].Microsystem technologies,1997,3(2):42‑47.

[0015] [3]谌廷政.微光学器件灰度掩模制作及应用技术的研究[D].国防科学技术大学,2004.

[0016] [4]胥光申,马训鸣,罗声,等.基于数字微反射镜器件的快速成形系统[J].中国激光, 2010,37(7):1892‑1897.

[0017] [5]Mott E J,Busso M,Luo X,et al.Digital micromirror device(DMD)‑based3D printing of poly(propylene fumarate)scaffolds[J].Materials Science and Engineering:C,2016,61:301‑311.

[0018] [6]方浩博,陈继民.基于数字光处理技术的3D打印技术[J].北京工业大学学报,2015, 41(12):1775‑1782.

[0019] [7]赵立东.融合智能信息处理的面曝光3D打印关键技术研究[D].北京工业大学,2018.

[0020] [8]Emami M M,Barazandeh F,Yaghmaie F.Scanning‑projection based stereolithography: Method and structure[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,218:116‑124.

[0021] [9]Smith J M.Method for creating three‑dimensional objects by cross‑sectional lithography: U.S.Patent 6,391,245[P].2002‑5‑21.

[0022] [10]Yi R,Wu C,Liu Y J,et al.Delta DLP 3‑D printing of large models[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2017,15(3):1193‑1204.

发明内容

[0023] 本发明针对材制造领域中的大尺寸面曝光3D打印技术进行研究，通过使用单光源分区 域多次成像的方式实现大尺寸面曝光3D打印，因此，提供了一种单光源多次照射的大尺寸 面曝光增材制造设备、系统和方法。

[0024] 本发明采用如下技术方案来实现的：

[0025] 单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备，包括光源模块、旋转运动模块、水平运 动模块、垂直运动模块、液位调节模块、刮刀模块、成形模块、料仓模块以及电气控制模块； 其中，

[0026] 设备主体由一个外框架构成，光源模块位于设备上部，料仓模块及成形模块位于设备下 部；光源模块安装在水平运动模块和旋转运动模块构成的运动部件上，能够产生XY方向的 平移以及Z方向的旋转运动；在料仓模块中，放置了一个垂直运动模块带动成形模块沿Z轴 方向运动；料仓模块的上方，使用一个水平运动模块带动刮刀模块进行液面刮平操作；液位 调节模块浸入料仓模块中存放的树脂材料中，通过调节该模块浸入树脂液体中的体积，保持 打印材料液位始终位于同一高度；控制设备运动的电气控制模块安装在料仓模块的下方，与 其他各个模块通过线缆相连，向各模块发送控制指令指导其产生运动。

[0027] 本发明进一步的改进在于，光源模块以DMD为核心的光机，用于产生层切图像。

[0028] 本发明进一步的改进在于，旋转运动模块使光源模块按照切片算法要求进行旋转运动； 水平运动模块使光源模块按照切片算法要求进行水平移动；垂直运动模块使成形件每次运动 一个层厚的距离。

[0029] 本发明进一步的改进在于，工作时，电气控制模块作为下位机，向各个模块发送控制指 令驱动各模块工作；控制指令中运动指令驱动承载光源的水平运动模块和旋转运动模块将光 源移动至指定位置，然后将模型切片图像发送至光源模块进行显示；在完成一个区域的固化 后，关闭光源模块后根据光源运动路径信息驱动光源运动至下一个固化位置；在完成了当前 层所有区域的固化后，承载料仓模块的垂直运动模块向下运动一个指定的层厚距离，此时上 一层固化的模型会附着在成形模块上随和成形模块的运动；此时，液面调节模块读取页面位 置信息进行补液操作；待液面基本流平后，刮刀模块刮除多余的树脂材料并保证液面平整， 为下一层固化做好准备；循环上手过程直至模型所有层均固化就完成了整个模型的打印工作。

[0030] 单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造控制系统，该系统基于所述的单光源多次照射 的大尺寸面曝光增材制造设备，包括：

[0031] 云端服务器、上位机和下位机；其中，云端服务器用于根据设备的实时状态参数进行工 艺参数优化，为上位机提供一组优化后的工艺参数，并向用户实时反馈设备的运行信息；控 制系统中的上位机用于实现本发明所述的模型切片算法，在进行打印前，将被打印模型的模 型文件发送至上位机进行切片操作；上位机输入的模型格式为STL，经过大尺寸模型切片方 法处理后的切片文件包括对每一层切片图像进行分割后的一系列子区域图像，以及由每个子 区域图像中心坐标按照顺序排列的一系列点构成的运动路径；模型的子区域图像用于驱动设 备的光源模块进行显示；模型运动路径信息发送给下位机即电气控制模块驱动旋转运动模块、 水平运动模块、垂直运动模块、液位调节模块、刮刀模块进行运动；根据温度传感器的读数 开启或关闭料仓模块中的树脂槽加热系统；液位调节模块通过电机驱动浮块上下运动改变浮 块浸入树脂中的体积，从而保证树脂槽中的液面高度始终保持不变；在模型进行固化后，刮 刀模块沿着液面进行水平运动，将多余的树脂材料刮除，以保证液面平整。

[0032] 本发明进一步的改进在于，切片后的模型文件通过有线或无线方式传输给控制系统中的 下位机。

[0033] 本发明进一步的改进在于，云端服务器具有GPU运算卡用于实现工艺参数优化功能。

[0034] 本发明进一步的改进在于，下位机收集各种传感器采集设备的状态数据进行存储并通过 有线或无线方式发送给上位机。

[0035] 本发明进一步的改进在于，选用一台具备网络传输能力、较强运算能力和存储能力的计 算机同时实现上位机和下位机功能。

[0036] 本发明进一步的改进在于，云端服务器由Web端状态监控模块和工艺参数优化模块两部 分构成，其中Web端状态监控模块用于向用户显示由上位机传输而来的设备的状态信息，同 时此信息进行处理后提取出与工艺参相关的数据通过远距离无线通信方式传输至工艺参数优 化模块中；工艺参数优化模块根据被打印模型的信息进行工艺参数优化，找出与当前打印材 料与模型适配的一组最优工艺参数，传输给上位机作为本次打印的工艺参数。

[0037] 本发明进一步的改进在于，Web端状态监控模块用于显示模型的打印过程，用户通过远 程登录云端服务器实时查看设备的工作过程。

[0038] 本发明进一步的改进在于，用户登录云端服务器对设备实施远程操作，实现异地打印。

[0039] 本发明进一步的改进在于，Web端状态监控模块将设备的故障信息通过推送方式发送至 用户的移动设备，提醒用户进行处理。

[0040] 本发明进一步的改进在于，对设备运行过程中的工艺大数据进行统计分析，为用户提供 设备工作过程中的模型平均打印时间、设备的平均无故障时间、设备的使用率、设备的材料 利用率等信息。

[0041] 单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，该方法基于所述的单光源多次照射的大 尺寸面曝光增材制造设备，包括：

[0042] a)层切图内区域划分数量最优

[0043] 区域划分通过启发式算法得到近似优解；

[0044] b)层切图堆叠强度及表面质量最优

[0045] 要选择合适的模型强度与表面质量性能指标，对层切图的堆叠方式进行优化；

[0046] c)光源运动效率最优

[0047] 在路径规划时保证光源能够在固化时间间隔的上下限值之间对新层进行照射。

[0048] 本发明进一步的改进在于，区域划分问题的数学描述：

[0049] 令Ψ是单个光源能够投影的最大区域，在面曝光打印技术中，该区域通常是一个长方形； 每一个切片能够表示为一个二元组(Ξ，z)，其中z是切片的高度，Ξ＝(Ω1∪Ω2∪…∪Ωn)是一 个由n个不连通多边形区域构成的待固化区域的集合；对于使用多次成像进行拼接的大尺寸 面曝光设备来说，区域划分问题表述如下：

[0050] 给定平面上一组不连通多边形区域的集合寻找一组四边形集合Ψ＝{ψk，k＝1，2，…}，其
中所有元素均具有相同尺寸w×h，使得

[0051] 计算时基于中轴线变换所进行的分割算法，其算法复杂度为O(n2log2n)，其中n为生成 点的数量。

[0052] 本发明进一步的改进在于，考虑零件强度与表面质量的分区域曝光方式切片算法，具体 如下：

[0053] 考虑层间结合强度最大及外表面接缝长度最小，给定性能指标进行优化；从第一层切片 开始，第一层切片使用中轴线算法给出划分数量最小的结果；第二层切片划分是在第一层划 分的基础上，考虑层间结合强度最大及表面质量最好进行启发式寻优，判断依据是由当前区 域划分的中心线构成的封闭区域与下一层划分区域的重合面积；

[0054] 根据优化理论，该目标表示为

[0055]

[0056] 其中，s(·)表示面积计算算子， 表示由第i层区域划分结果的中心线导出的区域，其大 小等于光源投影区域。

[0057] 本发明进一步的改进在于，单光源运动照射路径规划算法，具体如下：

[0058] 将当前层切片的每个分割区域都表示为一个节点，建立一个有权完全图，即所有节点之 间均具有边，每条边的权值等于两个区域中心之间的距离；加权图模型表示：

[0059] G＝(V，E，Ω，P)，

[0060] 其中顶点集V＝{1，2，…，Ni}，Ni表示当前层的区域划分总数，边集表示 任 意两 个 顶点 之间 均 具有 一 条边 ，权值 集 合优先级集合 P＝{pi，i＝1，2，，Ni}是一组根据上一层切片分
割区域的固化顺序排列的一组实数；

[0061] 使用加权邻接矩阵表示顶点之间的距离关系，即

[0062]

[0063] 使用优先级拓扑矩阵表示顶点之间的优先级依赖关系

[0064]

[0065] 其中Pi表示优先级低于顶点i的顶点集合，V0是一个包含虚拟起止点的顶点集合，V0＝V∪ {0}；决策变量xij是一个二元变量，当且仅当路径经过边eij时取值为1，否则取值为0；整数 变量yi的取值范围是{1，2，…，Ni}，代表顶点i在路径中的次序；建立一个整数线性规划模型：

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] yi‑yj＞(xi‑1)Ni，i∈V0，j∈V；i≠j

[0070] yi＜yj，i∈V0，j∈Pi

[0071] y0＝0

[0072] 1≤yi＜Ni，integer，i∈V

[0073] xij∈{0，1}，i∈V0，j∈V0；i≠j

[0074] 使用动态规划算法通过逐步递推最优子结构得到最终的最优解，同时能够消除冗余的中 间状态，得到约束TSP问题的解。

[0075] 单光源多次照射的大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法，该方法基于所述的单光源多次 照射的大尺寸面曝光增材制造设备，包括：

[0076] 第一步使用BP神经网络建立工艺参数与打印模型质量之间的映射关系；首先采用正交 试验设计方法从众多因素中选择出对成形精度影响最大的主要因素，包括面收缩补偿因数、 曝光时间、曝光时间间隔、光源照射强度五个因素作为工艺参数，每个参数各取四个水平打 印一个已知长宽高尺寸的长方体试件，模型的打印精度表示为实际打印模型与理论模型在三 个尺寸上误差的平方和，表示为：

[0077] E＝(x‑x0)2+(y‑y0)2+(z‑z0)2

[0078] 使用试验数据训练一个神经网络建立工艺参数与模型质量评价函数，作为第二步优化过 程目标函数；

[0079] 第二步将第一步得到的神经网络模型作为目标函数进行优化，建立一个优化模型，使用 遗传算法得到一组最优解就是打印质量最高的一组工艺参数。

[0080] 本发明进一步的改进在于，采用遗传算法进行求解，算法的基本求解过程如下：

[0081] (1)初始化：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为 初始群体P(0)；

[0082] (2)个体评价：选择该问题目标函数的倒数作为遗传算法的适应度函数，计算群体P(t) 中各个个体的适应度；

[0083] (3)遗传操作：根据群体中个体的适应度对群体P(t)进行选择、交叉与变异运算，得到 下一代群体P(t+1)；

[0084] (4)终止条件判断：若t＝T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输 出，终止计算。

[0085] 本发明进一步的改进在于，采用蚁群算法、模拟退火算法进行求解。

[0086] 本发明进一步的改进在于，工艺参数优化方法的执行步骤分为两个阶段：

[0087] 第一阶段，选择一个标准模型作为打印样件，针对收缩补偿因数、曝光时间、曝光时间 间隔、光源照射强度五个工艺参数，选择一系列典型值进行打印试验；测量实际打印样件与 理论模型在三个尺寸上误差，计算误差的平方和，得到工艺参数优化的试验样本；使用得到 工艺参数和模型误差的样本中的70％作为训练集，训练一个5输入‑8隐层‑1输出的BP神经 网络；使用样本数据中的20％作为验证集，验证网络的训练效果；使用剩余的
10％样本数据 作为测试集，测试训练完成后网络的性能；如果网络的性能无法满足需求，则继续进行试验 收集更多的训练数据；

[0088] 第二阶段，将第一阶段训练好的神经网络模型的倒数作为适应度函数，建立一个遗传模 型；选择5个工艺参数值构成一组染色体样本随机生成M个染色体作为初始群体P(0)，给定 最大迭代次数N和适应度计算容差值e；计算群体P(t)中各个个体的适应度函数，然后进行 选择、交叉与变异运算的遗传操作，得到下一代群体P(t+1)，继续就算新一代群体的适应度函 数，直到达到最大迭代次数N或者自适应函数的值小于给定的容差值，此时得到的一组染色 体值即为最优的工艺参数值。

[0089] 本发明进一步的改进在于，通过正交试验设计方法选择与模型打印质量相关性最高工艺 参数进行工艺参数优化。

[0090] 本发明至少具有如下有益的技术效果：

[0091] 本发明提供的单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备，结合模型切片方法，通过 单光源分区域多次照射的方式拼接成为大尺寸模型切片，实现了大尺寸模型的打印。与多光 源同时照射方式的大尺寸设备相比，节省了光源成本。本发明避免了由于多个光源光强一致 性调节的困难所带来的模型质量下降问题。

[0092] 本发明提供的单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造控制系统，根据切片结果规划光 源的运动路径，向运动控制系统发送运动指令进行层内分区域固化。同时驱动其他运动部件 及传感器协同工作。在控制系统的精确控制下，能够提高设备的打印效率，并保证模型的打 印质量。

[0093] 进一步，实时采集设备在打印过程中的各种状态数据，并通过Web端状态监控模块进行 显示，用方便用户通过远程监控的方式实时监控打印过程并及时反馈设备工作的异常信息。 设备的打印过程中不再需要用户对设备进行实时监控，提高了设备的无人化程度。

[0094] 本发明提供的单光源多次照射的大尺寸面曝光模型切片方法，使用本发明所述的大尺寸 模型切片算法，在保证层内切片数量、模型强度与表面质量最优的情况下对大尺寸模型进行 切片。模型切片方法保证了设备的打印效率与打印质量。

[0095] 本发明提供的单光源多次照射的大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法，通过对设备工艺 参数大数据进行挖掘，使用基于机器学习技术的大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法自动寻 找一组最优工艺参数，保证模型打印精度实现最优。

[0096] 概括来说，本发明具有如下的优点：

[0097] 1)本发明使用单光源移动照射方式实现大尺寸模型的面曝光成形。由于光源占据设备成 本的大部分，因此与多光源方案相比，单光源方案虽然在成形效率上有所下降，但是有效降 低了设备成本。同时，避免了多光源在校正时出现的光源一致性问题；

[0098] 2)在大尺寸模型切面算法中，将模型强度与表面质量作为优化指标，设计了模型的层内 切片算法与层间堆叠算法。与传统的网格式区域划分算法相比，一方面保证了大尺寸模型的 成形质量，另一方面通过减少了区域划分数量提高了成形效率；

[0099] 3)结构设计使得光源具有沿XY方向平移和绕Z方向旋转的自由度，保证了最优区域分 割算法能够在硬件上执行；

[0100] 4)移动光源运动路径规划算法考虑了光源运动路径最短与工艺参数中的曝光时间间隔两 个因素，提高了设备的成形效率以及制造精度；

[0101] 5)设备状态监控系统一方面用于收集设备运行过程中的状态数据，用于提取工艺参数。 另一方面方便用户通过互联网对设备进行管控；

[0102] 6)通过进行工艺试验并搜集大量工艺参数，使用机器学习的方法制定基于多次成像方式 的大尺寸面曝光3D打印机工艺包。

[0103] 综上所述，本发明围绕大尺寸面曝光技术设计了一套完整的设备。考虑拼接接缝对模型 强度以及表面质量影响，提出了一种具有最优区域划分数量和打印质量的模型切片算法，将 单个投影设备无法一次成形的大尺寸模型层切图分割为多个投影设备能够覆盖的小尺寸图像。 光学投影设备根据模型层切图划分结果进行分区域固化，拼接为完整的大尺寸层切图像，能 够保证打印出的大尺寸模型具有较高的机械强度和良好的表面质量。因此，在规划光源照射 的运动路径时，还需要根据光源当前位置与上一层分割区域被光源照射后的间隔时间，在每 一个区域的最大容许时间间隔的约束下，优化光源的运动路径。

[0104] 在完成了上述算法设计后，根据切片算法中光学投影设备的运动需求进行运动机构及控 制系统设计，搭建原理样机，并使用样机打印典型模型进行强度试验，验证该方案的可行性 与有效性。最后，通过设计工艺试验验证不同工艺参数对模型精度、强度以及表面质量的影 响，结合打印材料制定基于多次成像方式实现大尺寸面曝光打印的工艺包。其中硬件系统包 括结构设计、控制系统设计，配套软件包括切片算法、光源运动路径算法、工艺包优化算法。 根据单光源分区域照射切片算法对大尺寸模型的切片结果，要求光源不仅具有在X‑Y平面内 的平移运动，还要求光源具有绕Z轴的旋转运动。因此，现有的单光源分区域照射的大尺寸 面曝光设备在结构设计方面不能满足本发明的要求，需要重新设计机械结构。在控制系统方 面，由于大尺寸设备主要用于大批量生产，因此需要集成云端集控系统，用于大规模设备的 状态监控与任务分配。由于技术原理与现有设备的不同，特别是拼接方式对模型精度的影响， 设备的成形精度与更多的工艺参数有关，因此需要工艺包优化算法需要最优工艺参数，提高 设备的成形精度。

附图说明

[0105] 图1为大尺寸面曝光设备结构设计图。

[0106] 图2为光源平移方式的大尺寸面曝光打印示意图。

[0107] 图3为控制系统结构图。

[0108] 图4为大尺寸面曝光设备制造系统结构图。

[0109] 图5为模型切片层间结合方式示意图。

[0110] 图6为大尺寸模型切片方法的流程图。

[0111] 图7为多次成像方式的大尺寸面曝光模型切片示意图。

具体实施方式

[0112] 以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

[0113] 本发明提供的一种单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备，包括以下内容：

[0114] 1)大尺寸面曝光设备结构设计

[0115] 2)大尺寸面曝光设备控制系统设计

[0116] 3)大尺寸面曝光设备智能制造系统设计

[0117] 4)大尺寸面曝光模型切片算法

[0118] 5)大尺寸面曝光工艺参数优化算法

[0119] 具体方案分别如下：

[0120] 一、大尺寸面曝光设备结构设计

[0121] 本发明通过单光源移动照射方式实现了大尺寸面曝光打印，由于层内切片算法的要求， 为了实现层内最优区域划分数量最优，划分出的子区域不再是网格状排列，还可能产生旋转 排列的网格。因此设备的结构设计需要实现在二维平面进行平移运动的基础上还具备绕Z方 向的旋转运动，即设备具有两个平移和一个旋转自由度。

[0122] 根据上述切片算法的要求，设计一种上照式结构的大尺寸面曝光设备，如图1所示。设 备包含的部件有光源模块11、旋转运动模块12、水平运动模块13、垂直运动模块14、液位 调节模块15、刮刀模块16、成形模块17、料仓模块18以及电气控制模块19。

[0123] 设备主体由一个外框架构成，由于采用上照式的基本结构，光源模块11位于设备上部， 料仓模块18及成形模块17位于设备下部。由于光源模块11安装在水平运动模块13和旋转 运动模块12构成的运动部件上，能够产生XY方向的平移以及Z方向的旋转运动。在料仓模 块18中，放置了一个垂直运动模块14带动成形模块17沿Z轴方向运动。料仓模块18的上 方，使用一个水平运动模块13带动刮刀模块16进行液面刮平操作。液位调节模块15浸入料 仓模块18中存放的树脂材料中，保持打印材料液位始终位于同一高度。控制设备运动的电气 控制模块19安装在料仓模块18的下方，与其他各个模块通过线缆相连，向各模块发送控制 指令指导其产生运动。

[0124] 二、大尺寸面曝光控制系统设计

[0125] 本发明的控制系统包括上位机、下位机、投影系统、状态监控系统、运动控制系统、树脂 槽加热系统、液位调节模块、刮刀模块、投影系统和快门控制模块，控制系统整体方案如图 3所示。控制系统中的上位机用于实现本发明所述的模型切片算法，上位机的输入为STL格 式的模型文件，经过模型切片算法处理生成切片后的模型文件，其中包括对每一层切片图像 进行分割后的一系列子区域图像，以及由每个子区域图像中心坐标按照顺序排列的一系列点 构成的运动路径。切片后的模型文件可以通过有线或无线方式传输给控制系统中的下位机。 下位机使用切片后的模型文驱动投影系统产生层切图像的子区域图像，向运动控制系统发送 运动指令驱动运动部件。与此同时使用状态监控系统中的各种传感器采集设备的状态数据并 转发给上位机。另外，根据温度传感器的读数开启或关闭料仓模块18中的树脂槽加热系统。 液位调节模块15通过电机驱动浮块上下运动改变浮块浸入树脂中的体积，从而保证树脂槽中 的液面高度始终保持不变；在模型进行固化后，刮刀模块16沿着液面进行水平运动，将多余 的树脂材料刮除，以保证液面平整。

[0126] 三、大尺寸面曝光设备智能制造系统设计

[0127] 大尺寸面曝光设备智能制造系统为大尺寸面曝光设备实现智能制造提供了一套完整的解 决方案，以克服现有设备以单机模式运行，无法实行远程状态监控、分布式任务分配以设备 运行状态数据收集与工艺参数优化的功能。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0128] 大尺寸面曝光智能制造控制系统如图4所示，包括云端服务器、上位机和下位机。云端 服务器由工艺参数优化模块和Web端状态监控模块构成，其中Web端状态监控模块用于向 用户显示由上位机传输而来的设备的状态信息，同时此信息进行处理后提取出与工艺参相关 的数据通过远距离无线通信方式传输至工艺参数优化模块中，结合模型的信息进行工艺参数 优化，找出与当前打印材料与模型适配的一组最优工艺参数，同样通过远距离无线通信方式 传输给上位机作为本次打印的工艺参数。上位机由模型切片模块、层切图像显示模块和设备 状态工艺参数存储模块构成。其中模型切片模块负责运行本发明所提出的模型切片算法，将 待打印模型进行切片处理，进行完传统的层间切片后再进行层内区域划分；层切图像的分区 域显示模块将模型层切片图像进行顺序显示，用于在设备打印过程中分区域逐层固化光敏树 脂材料。另外，设备状态与工艺参数存储模块用于存储由下位机收集而来的各种状态信息， 通过远距离通信方式将信息发送给云端服务器。下位机由状态采集模块和运动控制模块构成， 其中状态采集模块用于收集设备在运行过程中的各种状态信息，运动控制模块使用由上位机 传输而来的运动指令并使用云端工艺优化模块产生的基本工艺参数进行参数设置，包括每层 固化时间、层厚、每个区域固化时间间隔等驱动运动控制模块进行工作。

[0129] 四、大尺寸面曝光模型切片方法

[0130] 使用单光源分区域多次成像方式实现大尺寸模型面曝光打印的关键在于模型切片算法。 在对一个大尺寸模型的层切图进行区域划分时，需要面对的问题是拼接方式产生的接缝会影 响零件强度与表面质量。在保证成形效率的前提下，改善零件强度与表面质量需要考虑以下 性能指标：

[0131] a)层切图内区域划分数量最优

[0132] 由于区域划分问题是一个NP难问题，多项式时间内无法求得问题的最优解，需要通过 启发式算法得到近似优解。

[0133] b)层切图堆叠强度及表面质量最优

[0134] 通过拼接方式产生的层切图会产生接缝，如果保持在同一位置进行层切图堆叠会导致接 缝不断累加，一方面会降低整个模型的强度，另一方面还会影响模型的外表面的光滑度。因 此，需要选择合适的模型强度与表面质量性能指标，对层切图的堆叠方式进行优化。

[0135] c)光源运动效率最优

[0136] 由于需要通过光源运动实现分区域照射，光源的运动效率也是一个需要关注的问题。在 规划光源对每一层分割区域的照射路径时，一方面，需要保证光源在遍历所有分割区域的情 况下使得光源运动路径长度最短。另一方面，由于两层之间的固化时间间隔会对对打印结果 造成影响，过长的间隔时间会导致新固化层无法与老固化层粘合，而过短的间隔时间会导致 固化区域内的应力无法完全释放，导致翘曲变形，因此在路径规划时还需要保证光源能够在 固化时间间隔的上下限值之间对新层进行照射。

[0137] 五、大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法

[0138] 不同于一次成像方式的面曝光技术，多次成像方式的大尺寸面曝光打印技术需要考虑更 多的工艺参数对打印质量的影响。通过搭建原理样机并使用不同的工艺参数打印典型模型， 充分收集工艺数据，使用机器学习方法研究工艺参数对模型精度、强度与表面质量的影响。

[0139] 首先，通过正交试验设计，从众多工艺参数中选择对模型质量影响最大的少量工艺参数， 并收集实验数据，作为下一步训练神经网络的样本。其次，使用人工神经网络建立工艺参数 与打印质量之间的映射关系，通过建立一个BP神经网络，其中输入为工艺参数，输出为模型 打印质量的描述方式。使用第一步的试验数据对神经网络进行训练，建立一个关于工艺参数 与模型打印质量之间的映射关系。最后，使用神经网络模型作为优化目标求解一个多目标优 化问题，找出满足模型质量评价指标最优的一组工艺参数。

[0140] 优化内容

[0141] 一、大尺寸面曝光设备结构设计

[0142] 由于单光源拼接方式的要求，设备结构如图1所示，每个模块的编号及具体作用如下：

[0143] 1)光源模块11—以DMD为核心的光机，用于产生层切图像；

[0144] 2)旋转运动模块12—使光源模块11按照切片算法要求进行旋转运动；

[0145] 3)水平运动模块13—使光源模块11按照切片算法要求进行水平移动；

[0146] 4)垂直运动模块14—使成形件每次运动一个层厚的距离；

[0147] 5)液面调节模块15—控制液面始终在同一个高度；

[0148] 6)刮刀模块16—保证液面平整；

[0149] 7)成形模块17—成形件基板；

[0150] 8)料仓模块18—盛放打印树脂材料；

[0151] 9)电气控制模块19—设备的下位机，向其它模块发送控制指令并接收设备状态信息。

[0152] 设备的整体运行过程如下：首先，电气控制模块19作为设备运行的控制中心，向各个模 块发送控制指令驱动各模块工作。控制指令中运动指令驱动承载光源的水平运动模块13和旋 转运动模块12将光源移动至指定位置，然后将模型切片图像发送至光源模块11进行显示。 在完成一个区域的固化后，关闭光源模块11后根据光源运动路径信息驱动光源运动至下一个 固化位置。在完成了当前层所有区域的固化后，承载料仓模块18的垂直运动模块14向下运 动一个指定的层厚距离，此时上一层固化的模型会附着在成形模块17上随和成形模块17的 运动。此时，液面调节模块15读取页面位置信息进行补液操作。待液面基本流平后，刮刀模 块16刮除多余的树脂材料并保证液面平整，为下一层固化做好准备。该流程一直循环直至模 型所有层均固化就完成了整个模型的打印工作。

[0153] 二、大尺寸面曝光控制系统设计

[0154] 大尺寸面曝光控制系统采用了云端服务器、上位机和下位机的体系结构，其中，云端服 务器用于根据设备的实时状态参数进行工艺参数优化，为上位机提供保证打印质量最优的一 组工艺参数，并向用户实时反馈设备的运行信息。上位机用于实现本发明所述的模型切片算 法。下位机即该设备电气控制控制模块，向设备的运动部件发送运动信号驱动其运动。控制 系统的运行流程描述如下：首先、在打印前需要使用上位机完成模型切片工作，将切片文件 与光源路径规划信息发送给下位机，一方面为投影系统提供投影图片，另一方面将光源运动 信息发送给运动控制系统，控制不同运动模间的协调运动；其次、在下位机根据模型切片信 息控制控制投影系统与运动控制系统协调运动，将投影模块运动至指定位置，打开投影设备 的快门对材料进行照射，在达到材料固化时间之后关闭快门，将投影模块移动至下一个指定 位置进行照射。在完成了一层区域的照射之后，控制成形平台向下运动一个层厚的距离，然 后进行新一层的固化，如此循环直到模型所有层均被固化。最后，在打印过程中下位机通过 状态监控系统收集设备状态信息，一方面用于控制加热系统工作，另一方面将其传输给上位 机进行存储与转发。

[0155] 三、大尺寸面曝光设备制造系统设计

[0156] 传统的增材制造设备并不具备接入云端的功能，本发明使得大尺寸面曝光设备具备了实 现智能制造的基础。大尺寸面曝光设备智能制造系统由云端服务器进行实现，主要包括Web 端状态监控模块和工艺参数优化模块两部分，其中Web端状态监控模块用于向用户显示由上 位机传输而来的设备的状态信息，同时此信息进行处理后提取出与工艺参相关的数据通过远 距离无线通信方式传输至工艺参数优化模块中。该系统的运行过程如下：

[0157] 在云端服务器中，设备打印的状态信息由下位机中的状态采集模块进行采集。由于下位 机不具备与云端服务器直接进行通信的能力，需要由具备远距离通信功能的上位机进行转发。 一方面，这些状态信息用于向用户展示，便于用户远程监控设备的运行状态。另一方面，通 过大数据分析方法处理收集到的工艺参数与过程信息，进行工艺参数优化，得到与当前打印 材料与模型最为匹配的一组工艺参数值，能够提高设备的打印效率与打印精度。上位机与下 位机之间，通过近距离通信的方式进行控制命令与设备状态信息的传输。

[0158] 四、大尺寸面曝光模型切片方法

[0159] 使用面曝光技术进行打印前需要将一个三维模型进行切片，即将模型分割一系列平行的、 具有相同厚度的横截面图像，每一层横截面图像作为光源照射模版将光敏树脂材料固化为横 截面形状。针对单光源分区域多次照射方式的大尺寸面曝光技术，还需要再将层切图像分割 为多个大小相同的光源照射区域，使得分割区域的并集能够覆盖整个层切图像。

[0160] (1)区域划分问题的数学描述：

[0161] 令Ψ是单个光源能够投影的最大区域，在面曝光打印技术中，该区域通常是一个长方形。 每一个切片能够表示为一个二元组(Ξ，z)，其中z是切片的高度，Ξ＝(Ω1∪Ω2∪…∪Ωn)是一 个由n个不连通多边形区域构成的待固化区域的集合。对于传统的面曝光设备来说，当 ∪jΩj时，该模型就无法被打印出来。对于使用多次成像进行拼接的大尺寸面曝光设备来说， 区域划分问题表述如下：

[0162] 给定平面上一组不连通多边形区域的集合寻找一组四边形集合Ψ＝{ψk，k＝1，2，…}，其
中所有元素均具有相同尺寸w×h，使得

[0163] 上述问题是计算几何领域一个经典的NP难问题，无法在多项式时间内找到该问题的最 优解，仅能得到近似优解。目前计算复杂度最低的算法是基于中轴线变换所进行的分2 2
割算法， 其算法复杂度为O(nlogn)，其中n为生成点的数量。

[0164] (2)考虑零件强度与表面质量的分区域曝光方式切片算法

[0165] 上述算法仅把切片数量最少作为优化目标进行求解，并未考虑模型切片层间结合强度及 模型表面质量，因此需要使用零件强度和表面质量最优的作为评价指标，使用启发式算法进 行寻优。

[0166] 考虑层间结合强度最大及外表面接缝长度最小，给定性能指标进行优化。从第一层切片 开始，第一层切片使用中轴线算法给出划分数量最小的结果。第二层切片划分是在第一层划 分的基础上，考虑层间结合强度最大及表面质量最好进行启发式寻优，判断依据是由当前区 域划分的中心线构成的封闭区域与下一层划分区域的重合面积。这个面积越大，层间结合强 度越高，从而整个零件的强度也越高。根据优化理论，该目标可以表示为[0167]

[0168] 其中，s(·)表示面积计算算子， 表示由第i层区域划分结果的中心线导出的区域，其大 小等于光源投影区域。如图5所示，蓝色区域为第i层切片的区域划分结果，虚线为每个子 区域的中心线，中间灰色区域为第i+1层切片的中心区域划分结果，结果表面灰色区域位于 上一层分割结果的中心，这样划分的模型强度最高。目标函数(1)式的意义是找到第i+1层的 区域划分方式，使得该方式划分的区域尽量位于第i层区域划分的中心位置。对于区域划分 边缘无法构成封闭区域的情况使用线段的重合长度作为面积重合的退化情况进行考虑。

[0169] 直观上，为了保证层间结合强度，需要使区域划分产生的接缝尽量位于上一层划分区域 中心，这样的排列方式能够保证两层交错的更加紧密，从而增加层间结合强度。同时，每层 交错分布还能够避免在同一位置进行层间堆叠，这样的排列方式保证了在打印物体表面由于 错位堆叠而不会出现接缝，从而提高零件的表面质量。

[0170] (3)单光源运动照射路径规划算法

[0171] 为了保证光源在层内照射每个分割区域时运动距离最短，同时需要满足层间照射间隔约 束，该问题可以表示为一个含优先级约束的旅行商问题。将当前层切片的每个分割区域都表 示为一个节点，建立一个有权完全图，即所有节点之间均具有边，每条边的权值等于两个区 域中心之间的距离。加权图模型表示：

[0172] G＝(V，E，Ω，P)，

[0173] 其中顶点集V＝{1，2，…，Ni}，Ni表示当前层的区域划分总数，边集表 示 任意 两 个顶 点 之间 均 具有 一 条边 ，权值 集 合优先级集合 P＝{pi，i＝1，2，，Ni}是一组根据上一层切片分
割区域的固化顺序排列的一组实数。问题的求解 需要找出图中的一条最短路径满足以下两个条件：第一、该路径遍 历了图中的所有顶点，且重
复经过的顶点数量最少；第二、优先级较高的顶点必须先于优先 级较低的节点被访问，及防伪优先级较低的顶点之前，必须保证优先级比它高的节点都已经 被改路径访问。

[0174] 使用加权邻接矩阵表示顶点之间的距离关系，即

[0175]

[0176] 使用优先级拓扑矩阵表示顶点之间的优先级依赖关系

[0177]

[0178] 其中Pi表示优先级低于顶点i的顶点集合，V0是一个包含虚拟起止点的顶点集合，V0＝V∪ {0}。决策变量xij是一个二元变量，当且仅当路径经过边eij时取值为1，否则取值为0。整数 变量yi的取值范围是{1，2，…，Ni}，代表顶点i在路径中的次序；建立一个整数线性规划模型：

[0179]

[0180]

[0181]

[0182] yi‑yj＞(xi‑1)Ni，i∈V0，j∈V；i≠j

[0183] yi＜yj，i∈V0，j∈Pi

[0184] y0＝0

[0185] 1≤yi＜Ni，integer，i∈V

[0186] xij∈{0，1}，i∈V0，j∈V0；i≠j

[0187] 使用动态规划算法通过逐步递推最优子结构得到最终的最优解，同时能够消除冗余的中 间状态，得到约束TSP问题的解。

[0188] 上述区域分割算法与光源运动路径规划算法共同组成了完整的单光源分区域照射大尺寸 模型切片算法，算法流程如图6所示，算法的输入为使用通用面曝光切片软件处理过的三维 模型的一系列层切图。模型切片方法的执行步骤如下：首先，对第一张层切图进行拼接图像 划分时，仅需考虑划分区域数量最优的约束，使用现有的基于中轴线变换的层内区域划分算 法。其次，在进行光源照射路径规划时，仅需要保证光源以最短路径遍历所划分区域。然后， 在进行下一层的拼接图像划分时需要根据上一层的划分结果，保证上一层的接缝尽量落在新 一层划分区域的中心位置，这样的划分原则能够保证整个零件的强度与表面质量。通过贪婪 启发式算法求解该拼接图像划分问题。接下来，还需要根据光源的当前位置与上一层区域划 分被光源照射后的等待时间，在每一个区域的最大容许曝光间隔时间的约束下，求解光源路 径规划问题。最后，在所有层切图都完成了区域划分后，就得到了大尺寸模型的最终切片文 件。该文件存储为具有顺序的图像序列，同时存储遍历每幅图像中心位置的二维坐标序列， 作为光源运动路径。模型切片如图7所示，可以看出在相邻两个层切片图像中，层内区域划 分的结果由中轴线算法给出，层间相同位置的区域划分进行了错位摆放，提高了模型的强度。

[0189] 五、大尺寸面曝光技术工艺参数优化方法

[0190] 大尺寸面曝光技术工艺包优化方法分成两个步骤：

[0191] 第一步使用BP神经网络建立工艺参数与打印模型质量之间的映射关系。一方面，由于 影响面曝光成形精度的因素有很多，首先采用正交试验设计方法从众多因素中选择出对成形 精度影响最大的主要因素，包括面收缩补偿因数、曝光时间、曝光时间间隔、光源照射强度 五个因素作为工艺参数，每个参数各取四个水平打印一个已知长宽高尺寸的长方体试件，模 型的打印精度表示为实际打印模型与理论模型在三个尺寸上误差的平方和，表示为：

[0192] E＝(x‑x0)2+(y‑y0)2+(z‑z0)2

[0193] 使用试验数据训练一个神经网络建立工艺参数与模型质量评价函数，作为第二步优化过 程目标函数。

[0194] 第二步将第一步得到的神经网络模型作为目标函数进行优化，建立一个优化模型，使用 遗传算法得到一组最优解就是打印质量最高的一组工艺参数。

[0195] 该问题是一个NP难问题，本发明采用遗传算法进行求解，算法的基本求解过程如下：

[0196] (1)初始化：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为 初始群体P(0)；

[0197] (2)个体评价：选择该问题目标函数的倒数作为遗传算法的适应度函数，计算群体P(t) 中各个个体的适应度；

[0198] (3)遗传操作：根据群体中个体的适应度对群体P(t)进行选择、交叉与变异运算，得到 下一代群体P(t+1)；

[0199] (4)终止条件判断：若t＝T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输 出，终止计算。

[0200] 工艺参数优化方法的执行步骤分为两个阶段：

[0201] 第一阶段，选择一个标准模型作为打印样件，针对收缩补偿因数、曝光时间、曝光时间 间隔、光源照射强度五个工艺参数，选择一系列典型值进行打印试验。测量实际打印样件与 理论模型在三个尺寸上误差，计算误差的平方和，得到工艺参数优化的试验样本。使用得到 工艺参数和模型误差的样本中的70％作为训练集，训练一个5输入‑8隐层‑1输出的BP神经 网络。使用样本数据中的20％作为验证集，验证网络的训练效果。使用剩余的
10％样本数据 作为测试集，测试训练完成后网络的性能。如果网络的性能无法满足需求，则继续进行试验 收集更多的训练数据。

[0202] 第二阶段，将第一阶段训练好的神经网络模型的倒数作为适应度函数，建立一个遗传模 型。选择5个工艺参数值构成一组染色体样本随机生成M个染色体作为初始群体P(0)，给定 最大迭代次数N和适应度计算容差值e。计算群体P(t)中各个个体的适应度函数，然后进行 选择、交叉与变异运算的遗传操作，得到下一代群体P(t+1)，继续就算新一代群体的适应度函 数，直到达到最大迭代次数N或者自适应函数的值小于给定的容差值，此时得到的一组染色 体值即为最优的工艺参数值。

[0203] 完整的单光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造设备进行大尺寸模型的打印的步骤如下： 首先，使用切片软件进行层间切片以及层内区域划分；其次，根据模型选择合适的工艺参数； 然后，根据模型切片结果对光源进行路径规划；最后，驱动硬件设备完成打印。在打印过程 中能够使用云端状态监控系统在远程观察模型打印情况，并且将打印过程数据进行收集，供 工艺参数优化使用。另外，第二步中采用的工艺参数是在工艺参数优化阶段得到的。使用工 艺试验设计方法制定工艺试验方案，然后在工艺试验阶段，使用不同工艺参数组合进行模型 打印。测量打印完成样件的精度，作为样本数据集训练一个人工神经网络，用于在寻找不同 工艺参数的最优组合，作为为本设备的打印工艺包，能够保证模型打印效率、强度与表面质 量的要求。