一种确定立体列印机的列印方向的方法及系统.pdf

本发明公开了一种确定立体列印机的列印方向的方法及系统，在列印立体列印对象之前，对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；其次，根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印方向；最后，采用所确定的该立体列印对象的立体列印方向列印该立体列印对象。本发明实施例自适应调整立体列印的方向，操作简单，易于实现，提高了列印的质量。

权利要求书
1.  一种确定立体列印机的列印方向的方法，其特征在于，该方法包括：
对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象在重力作用 下使用最少外部支撑的摆放位置；
根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型后，对该立体列印对 象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印方向。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定立体列印对象在 重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置为：
通过重力滚动模拟，将立体列印对象模型自然静止的摆放位置作为初始 位置；
将立体列印对象模型从初始位置开始，通过模拟重力条件下的物体滚 动，使得立体列印对象达到自然稳定的摆放位置；
记录该自然稳定的摆放位置的立体空间坐标，作为确定立体列印对象在 重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置的立体空间坐标。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重力滚动模拟为：
通过判定立体列印对象模型的重心与重力方向的一致性，结合立体列印 对象模型接触水平面特征判断立体列印对象是否能在摆放位置上保持静止；
同时设置静止偏差值，当立体列印对象模型的重心与重力方向的偏差值 达到设置的静止偏差值后，确定静止立体列印对象的摆放位置。

4.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述物体滚动的方向是以 立体列印对象模型的初始位置的重力方向为中心，以绕该重力地平面一周 360度平分角度方式选择的，所述该重力地平面是重力方向所在的纵向与重 心所在的横向之交界点所在的水平面。

5.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述以立体列印对象模型 的初始位置的重力方向为中心，以绕该重力地平面一周360度平分角度方式 选择的过程为：
将绕该重力地平面一周360度平分为设置份数，在每个份数方向上将立 体列印对象模型进行抛物，在立体列印对象通过重力模拟自然落稳后，记录 该摆放位置的立体空间坐标；
对该摆放位置的立体空间坐标进行水平平移和旋转后，筛选掉同样的摆 放位置后，得到筛选后的该立体列印模型的摆放位置；
对筛选后的该立体列印模型的摆放位置进行设定角度的晃动模拟后，得 到筛选后的该立体列印模型的摆放位置的稳定度，将稳定度最高的摆放位置 作为该立体列印对象模型达到自然稳定的摆放位置。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟切片是对处于摆 放位置的立体列印对象模型进行切片，对应每层切片生成列印控制指令，将 列印控制指令转换为图形编码GCode进行列印。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对该立体列印对象 模型进行模拟切片之前，该方法还包括：
对立体列印对象模型进行投影轮廓分析，确定立体列印对象的各个摆放 位置的外部支撑，选定其中外部支撑最优的摆放位置作为确定的摆放位置。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进行投影轮廓分析为：
a)获得立体列印对象模型的当前角度投影图，对该投影图进行轮廓曲 线识别；
b)根据轮廓曲线识别出特征位置，记录该特征位置对应立体列印对象 的空间位置；
c)判断是否已经包含在立体列印对象本身中，如果是，则将当前角度 替换为下一角度，返回步骤a)执行；如果否，则执行步骤d)；
d)分析立体列印对象模型的外轮廓曲面特征，计算对应的立体列印对 象位置累积面积；
e)判断所有角度的投影图都完成，如果是，则执行步骤f)；如果否， 则将当前角度替换为下一角度，返回步骤a)执行；
f)将最小累积曲面面积对应的摆放位置作为外部支撑最优的摆放位置 作为确定的摆放位置。

9.  一种确定立体列印机的列印方向的系统，其特征在于，包括：重力 滚动模拟单元及模拟切片单元，其中，
重力滚动模拟单元，用于对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定 立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；
模拟切片单元，用于根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型 后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印 方向。

10.  如权利要求9所述的系统，其特征在于，
还包括投影轮廓分析单元，用于对该立体列印对象模型的投影轮廓进行 分析，确定立体列印对象的各个摆放位置的外部支撑，选定其中外部支撑最 优的摆放位置作为确定的摆放位置。

说明书一种确定立体列印机的列印方向的方法及系统
技术领域
本发明涉及列印技术，特别涉及一种确定立体列印机的列印方向的方法 及系统。
背景技术
立体列印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中立体列印 对象是立体列印机通过连续的物理层创建出来的。立体列印机相对于其他的 添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。立体列印 机是可以列印出真实立体物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采 用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料生成立体列印对象，与传统的 去除材料加工技术完全不同。称之为立体列印机是参照了其技术原理，因为 分层加工的过程与喷墨列印机的工作原理十分相似。
目前，立体列印机在进行立体列印对象的列印时，首先，获取到立体列 印对象的模型数据信息；然后，根据立体列印对象的模型数据信息，采用预 先设置的通用列印参数信息，进行立体列印；最后，得到立体列印对象。
在立体列印机在立体列印过程中，立体列印的方向与列印时间、列印耗 材及列印质量之间具有很大的关联性。目前，立体列印对象的立体列印方向 都是由立体列印机缺省设置，比如设置为从下到上垂直方向或/和从左到右 水平方向上依次列印的方式列印立体列印对象。但是采用这种方式确定立体 列印的方向，是预先设定好的，并不是针对某一要列印的立体列印对象结构 设置的，所以列印质量会降低。因此，为了针对某一要列印的立体列印对象 结构进行列印，就需要人为调整立体列印机的立体列印方向，这样，不利用 用户操作且很繁琐，实现困难。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种确定立体列印机的列印方向的方法， 该方法能够自适应调整立体列印的方向，操作简单，易于实现，提高列印质 量。
本发明实施例还提供一种确定立体列印机的列印方向的系统，该系统能 够自适应调整立体列印的方向，操作简单，易于实现，提高列印质量。
根据上述目的，本发明是这样实现的：
一种确定立体列印机的列印方向的方法，该方法包括：
对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象在重力作用 下使用最少外部支撑的摆放位置；
根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型后，对该立体列印对 象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印方向。
所述确定立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置为：
通过重力滚动模拟，将立体列印对象模型自然静止的摆放位置作为初始 位置；
将立体列印对象模型从初始位置开始，通过模拟重力条件下的物体滚 动，使得立体列印对象达到自然稳定的摆放位置；
记录该自然稳定的摆放位置的立体空间坐标，作为确定立体列印对象在 重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置的立体空间坐标。
所述重力滚动模拟为：
通过判定立体列印对象模型的重心与重力方向的一致性，结合立体列印 对象模型接触水平面特征判断立体列印对象是否能在摆放位置上保持静止；
同时设置静止偏差值，当立体列印对象模型的重心与重力方向的偏差值 达到设置的静止偏差值后，确定静止立体列印对象的摆放位置。
所述物体滚动的方向是以立体列印对象模型的初始位置的重力方向为 中心，以绕该重力地平面一周360度平分角度方式选择的，所述该重力地平 面是重力方向所在的纵向与重心所在的横向之交界点所在的水平面。
所述以立体列印对象模型的初始位置的重力方向为中心，以绕该重力地 平面一周360度平分角度方式选择的过程为：
将绕该重力地平面一周360度平分为设置份数，在每个份数方向上将立 体列印对象模型进行抛物，在立体列印对象通过重力模拟自然落稳后，记录 该摆放位置的立体空间坐标；
对该摆放位置的立体空间坐标进行水平平移和旋转后，筛选掉同样的摆 放位置后，得到筛选后的该立体列印模型的摆放位置；
对筛选后的该立体列印模型的摆放位置进行设定角度的晃动模拟后，得 到筛选后的该立体列印模型的摆放位置的稳定度，将稳定度最高的摆放位置 作为该立体列印对象模型达到自然稳定的摆放位置。
所述模拟切片是对处于摆放位置的立体列印对象模型进行切片，对应每 层切片生成列印控制指令，将列印控制指令转换为图形编码GCode进行列 印。
在所述对该立体列印对象模型进行模拟切片之前，该方法还包括：
对立体列印对象模型进行投影轮廓分析，确定立体列印对象的各个摆放 位置的外部支撑，选定其中外部支撑最优的摆放位置作为确定的摆放位置。
所述进行投影轮廓分析为：
a)获得立体列印对象模型的当前角度投影图，对该投影图进行轮廓曲 线识别；
b)根据轮廓曲线识别出特征位置，记录该特征位置对应立体列印对象 的空间位置；
c)判断是否已经包含在立体列印对象本身中，如果是，则将当前角度 替换为下一角度，返回步骤a)执行；如果否，则执行步骤d)；
d)分析立体列印对象模型的外轮廓曲面特征，计算对应的立体列印对 象位置累积面积；
e)判断所有角度的投影图都完成，如果是，则执行步骤f)；如果否， 则将当前角度替换为下一角度，返回步骤a)执行；
f)将最小累积曲面面积对应的摆放位置作为外部支撑最优的摆放位置 作为确定的摆放位置。
一种确定立体列印机的列印方向的系统，包括：重力滚动模拟单元及模 拟切片单元，其中，
重力滚动模拟单元，用于对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定 立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；
模拟切片单元，用于根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型 后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印 方向。
还包括投影轮廓分析单元，用于对该立体列印对象模型的投影轮廓进行 分析，确定立体列印对象的各个摆放位置的外部支撑，选定其中外部支撑最 优的摆放位置作为确定的摆放位置。
由上述方案可以看出，本发明实施例在列印立体列印对象之前，对立体 列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象在重力作用下使用最少 外部支撑的摆放位置；其次，根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象 模型后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体 列印方向；最后，采用所确定的该立体列印对象的立体列印方向列印该立体 列印对象。本发明实施例自适应调整立体列印的方向，操作简单，易于实现， 提高了列印的质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的确定立体列印机的列印方向的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的立体列印对象的重心与重力方向的偏差示 意图；
图3为本发明实施例提供的重力滚动模拟的滚动方向示意图；
图4为本发明实施例提供的在投影角度为1、2、3位置时对立体列印对 象的轮廓投影示意图；
图5为本发明实施例提供的图4所示1、2、3位置时立体列印对象与立 体列印对象的轮廓投影示意图；
图6为本发明实施例提供的对立体列印对象进行投影轮廓分析的方法 流程图；
图7为本发明实施例提供的确定立体列印机的列印方向的系统结构示 意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举 实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例为了自适应调整立体列印的方向，从而简便用户的操作， 且易于实现及提高列印的质量，对立体列印对象的列印过程进行模拟，确定 立体列印对象的立体列印方向。具体地说，就是在列印立体列印对象之前， 对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象在重力作用下使 用最少外部支撑的摆放位置；其次，根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列 印对象模型后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象 的立体列印方向；最后，采用所确定的该列印列印对象的立体列印方向进行 列印。
从实验数据可以表明，当立体列印对象模型被列印为立体列印对象时， 在同样的列印参数下，列印参数诸如列印层厚精度、模型厚度、填充比及列 印速率，立体列印对象在重力作用下能摆放的摆放姿势及外部轮廓的平面与 水平面角度之和的总角度越小，该之和的角度限制在立体列印机所设置的列 印角度之内，则需要外部支撑结构就越少，从而使得列印耗材及浪费的外部 支撑耗材也越少。基于上述叙述，本实施例对立体列印对象模型进行重力滚 动模拟，确定立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置，从 而提高后续真正列印时的列印质量。
图1为本发明实施例提供的确定立体列印机的列印方向的方法流程图， 其具体步骤为：
步骤101、对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定立体列印对象 在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；
该步骤采用软件实现，也就是采用软件对立体列印对象模型进行重力滚 动模拟，确定立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；
在这里，所确定的立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放 位置一个或多个；
步骤102、根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型后，对该 立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印方向；
该步骤采用软件实现，模拟切片指的是对处于摆放位置的立体列印对象 模型进行模拟切片后，对应每层切片生成列印控制指令，将列印控制指令转 换为图形编码(GCode)进行列印，切片的方向及角度，确定了该立体列印 对象的立体列印方向，该切片的方法及角度保证使用了最少的外部支撑。
进一步地，模拟切片过程，还可以根据立体列印机的参数特点，估算得 到列印时间和列印耗材等列印信息。
在本发明实施例中，重力滚动模拟就是在立体坐标系中，通过模拟立体 列印对象在重力环境下的落物情况。一般分为三个步骤确定立体列印对象在 重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置：
第一个步骤，通过重力滚动模拟，将立体列印对象模型自然静止的摆放 位置作为初始位置；
第二个步骤，将立体列印对象模型从初始位置开始，通过模拟重力条件 下的物体滚动，使得立体列印对象达到自然稳定的摆放位置；
第三个步骤，记录该自然稳定的摆放位置的立体空间坐标，作为确定立 体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置的立体空间坐标。
在所确定的立体空间坐标下该立体列印对象是可以自然摆放的，以此摆 放位置进行后续列印有利于立体列印对象自然成型，尽量减少额外的外部支 撑。
在上述叙述中，重力滚动模拟即通过判定立体列印对象模型的重心与重 力方向的一致性，结合立体列印对象模型接触水平面特征判断立体列印对象 是否能在摆放位置上保持静止，同时需要借助立体列印对象模型的重心与重 力方向的偏差值确定立体列印对象静止的摆放位置，静止的摆放位置会影响 立体列印对象的稳定性，也就是设置静止偏差值，当立体列印对象模型的重 心与重力方向的偏差值达到设置的静止偏差值后，则确定静止立体列印对象 的摆放位置。图2为本发明实施例提供的立体列印对象的重心与重力方向的 偏差示意图。
在上述叙述的第二个步骤，滚动方向是以立体列印对象模型的初始位置 的重力方向为中心，以绕该重力地平面一周360度平分角度方式选择的，所 述该重力地平面是重力方向所在的纵向与重心所在的横向之交界点所在的 水平面。图3为本发明实施例提供的重力滚动模拟的滚动方向示意图，图3 所示的为一个参考的例子，具体地说：
第一个步骤，将绕该重力地平面一周360度平分为4份，沿着1、2、3、 4四个方向将立体列印对象模型进行抛物，在立体列印对象通过重力模拟自 然落稳后，记录该摆放位置的立体空间坐标，假定四个方向都进行了立体列 印对象模型的抛物，则确定的立体列印对象的摆放位置为Ni(i＝1,2,3…n)；
第二个步骤，对摆放位置Ni进行水平平移和旋转后，筛选掉同样的摆 放位置后，得到该立体列印模型的摆放位置Nj(j＝1,2,3，…m)，m小于n；
第三个步骤，对该立体列印模型的摆放位置Nj进行设定角度的晃动模 拟后，得到摆放位置Nj的稳定度，将稳定度最高的摆放位置Nj作为该立体 列印对象模型达到自然稳定的摆放位置。
在本发明实施例提供的步骤102之前，该方法包括：对立体列印对象模 型进行投影轮廓分析，确定立体列印对象的各个摆放位置的外部支撑，选定 其中外部支撑最优的摆放位置作为确定的摆放位置。这个步骤为可选步骤， 当在步骤101中确定出的立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的 摆放位置为一个时，就可以直接省略该步骤。
在本发明实施例中，投影轮廓分析是对立体列印对象摆放位置的空间轮 廓信息进行分析，对需要外部支撑的立体列印对象进行列印方向上的进一步 优化选择，及确定所采用的外部支撑，以确定立体列印对象的摆放位置是否 会产生额外的外部支撑而导致耗材和列印时间的增加。具体地说，对立体列 印对象的每一个摆放位置Nj进行切分角度投影分析外部轮廓特征，切分角 度设定依据精度要求，以立体列印对象俯视图的平分角度切分进行，如图4 所示，将360度等分进行投影轮廓分析，图4为本发明实施例提供的在投影 角度为1、2、3位置时对立体列印对象的轮廓投影示意图。图5为本发明实 施例提供的图4所示1、2、3位置时立体列印对象与立体列印对象的轮廓投 影示意图。如图所示，图5中的上图为1、2、3位置时立体列印对象的结构 示意，图5中的下图为1、2、3位置时立体列印对象的轮廓投影的结构示意。
对立体列印对象的轮廓投影进行处理，识别出轮廓曲线，进行曲线分析， 具体地说：以立体列印对象模型的底部摆放位置平行线为x轴，以摆放方向 为y轴，建立空间坐标系，以曲线的切线与x轴的夹角记为夹角a，夹角a 定义为曲线弧度需要产生外部支撑才能列印的角度，夹角a大于等于0，但 小于90度，且确定夹角a的下方无立体列印对象实体支撑，则进行标注。 如图5中圆圈内的曲面，得到曲面对应的立体列印对象位置，计算对应的立 体列印对象位置累积面积，假定摆放位置Nj的累积曲面面积为Sj，后续则 对设定个数的最小累积曲面面积Sj对应的摆放位置Nj进行模拟切片分析。
图6为本发明实施例提供的对立体列印对象进行投影轮廓分析的方法 流程图，其具体步骤为：
步骤601、获得立体列印对象模型的当前角度投影图；
步骤602、对该投影图进行轮廓曲线识别；
步骤603、根据轮廓曲线识别出特征位置；
步骤604、记录该特征位置对应立体列印对象模型的空间位置；
步骤605、判断是否已经包含在立体列印对象模型本身中，如果是，则 将当前角度替换为下一角度，返回步骤601执行；如果否，则执行步骤606；
步骤606、分析立体列印对象模型外轮廓曲面特征；
步骤607、计算对应的立体列印对象模型的位置累积面积；
步骤608、判断所有角度的投影图都完成，如果是，则执行步骤609； 如果否，则将当前角度替换为下一角度，返回步骤601执行；
步骤609、将最小累积曲面面积Sj对应的摆放位置Nj作为外部支撑最 优的摆放位置作为确定的摆放位置。
图7为本发明实施例提供的确定立体列印机的列印方向的系统结构示 意图，包括：重力滚动模拟单元及模拟切片单元，其中，
重力滚动模拟单元，用于对立体列印对象模型进行重力滚动模拟，确定 立体列印对象在重力作用下使用最少外部支撑的摆放位置；
模拟切片单元，用于根据所确定的摆放位置模拟摆放立体列印对象模型 后，对该立体列印对象模型进行模拟切片，确定该立体列印对象的立体列印 方向。
在该系统中，还包括投影轮廓分析单元，用于对该立体列印对象模型的 投影轮廓进行分析，确定立体列印对象的各个摆放位置的外部支撑，选定其 中外部支撑最优的摆放位置作为确定的摆放位置。
以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详 细说明，所应理解的是，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。