一種基於象限區域引導的偽隨機島型掃描路徑規劃方法與流程

2023-09-22 22:01:50 1

本發明設計一種增材製造技術領，特別是一種基於象限區域引導的偽隨機島型掃描路徑規劃方法。

背景技術：

雷射選區熔化技術的機理無非是高能雷射束與粉末狀材料之間的作用，即成形過程中能量吸收與傳遞範圍控制機理與機制。然而，對於雷射選區熔化技術，粉末在快速熔化凝固過程中產生熱量及其傳遞及其傳遞對成形能力、殘餘應力與變形具有重大影響。因此，合理的雷射掃描路徑是對熱量的有效管理和控制，能夠在很大程度上避免零件產生過大變形。

目前，增材製造技術對金屬實體採用四種掃描路徑生成方式，即軸平行掃描、等距、變角度平行掃描以及棋盤分區掃描。其中主要採取的對熱量進行分配和控制的方法是通過平面輪廓生成棋盤狀分區並生成掃描路徑。

棋盤分區掃描對輸入熱量的管理和控制主要體現在其棋盤格子的加載策略上，目前大多數軟體所採用的加載策略為，回形加載，或者隨機加載，這些加載策略難以對高能束雷射的輸入熱量進行有效管理和控制。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於象限區域引導的偽隨機島型掃描路徑規劃方法，該方法能夠克服高能束雷射加工過程中無法對輸入熱量進行有效管理和控制的問題。

該方法包括以下步驟：

步驟1，建立直角坐標系將切片放置於直角坐標系中獲取切片輪廓坐標信息並獲取切片輪廓包圍盒，其中包圍盒邊界由切片輪廓在直角坐標系中x、y軸最大值、最小值對應的平行於x、y軸的直線組成；

步驟2，布置正方形格子覆蓋包圍盒，正方形格子的集合記為{Sij}p×q，其中p、q分別為正方形格子的行數和列數，i∈p，j∈q；

步驟3，將集合{Sij}p×q中的格子逐個與切片輪廓進行布爾求交運算得到離散切片集合{C1ij}p×q；

步驟4，濾除{C1ij}p×q為空的切片得到集合{C2ij}p×q；

步驟5，對於{C2ij}p×q定義基於象限區域引導的偽隨機島形加載策略，得到最終的切片集合{Cij}p×q；

步驟6，遍歷集合{Cij}p×q針對每一個切片求取內部掃描填充路徑，得到格子路徑集合{Pij}p×q。

基於上述方法，所述步驟5具體包括以下步驟：

步驟5.1，以包圍盒的中心點為原點建立相對坐標系，將包圍盒分為四個象限區域；

步驟5.2，遍歷{C2ij}p×q，將每個切片存入其所在的象限容器中且各個象限容器中所存儲的切片的數目分別為n1、n2、n3、n4；

步驟5.3，生成四組連續的隨機數範圍分別為1到n1，1到n2，1到n3，1到n4，並按照隨機數的次序對於每個象限的切片次序進行重新排列且不同象限中的同一隨機數代表的切片不相鄰；

步驟5.4，將重新分配次序後的切片存入集合{Cij}p×q且存入順序為不同象限中相同次序代表的切片存入{Cij}p×q後再存入不同象限中另一相同次序代表的切片。

作為上述方法的一種改進，採用下述步驟替代：

步驟5.31，生成四組連續的隨機數範圍分別為1到n1，1到n2，1到n3，1到n4，並按照隨機數的次序對於每個象限的切片次序進行重新排列；

步驟5.41，將重新分配次序後的切片存入集合{Cij}p×q且存入順序為每個象限相同次序代表的切片按照1-3-2-4的象限順序存入{Cij}p×q後再將每個象限中另一相同次序代表的切片按照1-3-2-4的象限順序存入{Cij}p×q；

所述步驟5.41中四個象限存入順序可以用以下方式替代：

第一順位和第三順位為其中一對相對象限的排列組合，第二順位和第四順位為另一對相對象限的排列組合。

現有技術的島形掃描所採用的加載策略是完全隨機的加載策略，這就使得在島(即相交所得的切片)的數目較多的情況下，可能會出現相鄰次序的兩個島在幾何位置上也相鄰，從而使得局部區域雷射輸入能量過高，產生較大的熱變形。而本發明所採用的這種加載策略能夠完全使得次序上能夠相鄰的兩個島在幾何位置上不相鄰，從而使得雷射的能量輸入均勻化，減少了增材製造過程中的熱變形，能夠很好的解決雷射選區熔化技術無法對輸入熱量進行有效管理和控制的問題。

下面結合說明書附圖對本發明做進一步描述。

附圖說明

圖1是本發明的方法流程圖。

圖2是輪廓包圍盒示意圖。

具體實施方式

結合圖1，一種基於象限區域引導的偽隨機島型掃描路徑規劃方法，包括以下步驟：

步驟1，建立直角坐標系將切片放置於直角坐標系中獲取切片輪廓坐標信息並獲取切片輪廓包圍盒，其中包圍盒邊界由切片輪廓在直角坐標系中x、y軸最大值、最小值對應的平行於x、y軸的直線組成；

步驟2，布置正方形格子覆蓋包圍盒，正方形格子的集合記為{Sij}p×q，其中p、q分別為正方形格子的行數和列數，i∈p，j∈q；

步驟3，將集合{Sij}p×q中的格子逐個與切片輪廓進行布爾求交運算得到離散切片集合{C1ij}p×q；

步驟4，濾除{C1ij}p×q為空的切片得到集合{C2ij}p×q；

步驟5，對於{C2ij}p×q定義基於象限區域引導的偽隨機島形加載策略，得到最終的切片集合{Cij}p×q；

步驟6，遍歷集合{Cij}p×q針對每一個切片求取內部掃描填充路徑，得到格子路徑集合{Pij}p×q。

切片材料包括：鋼、鋁合金、鈦合金以及陶瓷。

所述步驟5具體包括以下步驟：

步驟5.11，以包圍盒的中心點為原點建立相對坐標系，將包圍盒分為四個象限區域；

步驟5.12，遍歷{C2ij}p×q，將每個切片存入其所在的象限容器中且各個象限容器中所存儲的切片的數目分別為n1、n2、n3、n4；

步驟5.13，生成四組連續的隨機數範圍分別為1到n1，1到n2，1到n3，1到n4，並按照隨機數的次序對於每個象限的切片次序進行重新排列且不同象限中的同一隨機數代表的切片不相鄰；

步驟5.14，將重新分配次序後的切片存入集合{Cij}p×q且存入順序為不同象限中相同次序代表的切片存入{Cij}p×q後再存入不同象限中另一相同次序代表的切片。

所述步驟5還可以通過以下步驟來實現：

步驟5.21，以包圍盒的中心點為原點建立相對坐標系，將包圍盒分為四個象限區域；

步驟5.22，遍歷{C2ij}p×q，將每個切片存入其所在的象限容器中且各個象限容器中所存儲的切片的數目分別為n1、n2、n3、n4；

步驟5.23，生成四組連續的隨機數範圍分別為1到n1，1到n2，1到n3，1到n4，並按照隨機數的次序對於每個象限的切片次序進行重新排列；

步驟5.24，將重新分配次序後的切片存入集合{Cij}p×q且存入順序為每個象限相同次序代表的切片按照1-3-2-4的象限順序存入{Cij}p×q後再將每個象限中另一相同次序代表的切片按照1-3-2-4的象限順序存入{Cij}p×q；

所述步驟5.24中四個象限存入順序可以用以下方式替代：

第一順位和第三順位為其中一對相對象限的排列組合，第二順位和第四順位為另一對相對象限的排列組合，所謂第一象限和第三象限為相對象限，第二象限和第四象限為相對象限，順序可以為3-1-2-4或1-3-4-2或3-1-4-2等。