本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D打印截面匹配方法，還涉及該方法所適用的復(fù)合成形方法及截面修復(fù)方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)是基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料逐層制造零件的方式。其是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，利用高能束將材料進(jìn)行逐層堆積，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。3D打印技術(shù)更高效、更便捷、開(kāi)發(fā)前景更廣闊，它可以利用單一金屬或混合金屬粉末直接制造出具有冶金結(jié)合、致密性接近100％、具有較高尺寸精度和較好表面粗糙度的金屬零件。其綜合運(yùn)用了新材料、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等前沿技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，成為新時(shí)代極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。3D打印技術(shù)的發(fā)展不僅很大程度上降低了復(fù)雜腔體或復(fù)雜曲面的加工難度，也大大縮短了零件的加工周期。

但是，目前3D打印技術(shù)受限于加工成本高，大多僅用于加工體積較小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，對(duì)于體積較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，因此，出于成本的考慮，3D打印技術(shù)還未能在產(chǎn)業(yè)上實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用。

另外，由于3D打印過(guò)程中，因發(fā)生打印錯(cuò)誤或設(shè)備故障導(dǎo)致加工過(guò)程突然停止，重新擺放零件進(jìn)行打印時(shí)，零件的實(shí)際擺放位置與零件剖分時(shí)的擺放位置很難完全重合，通過(guò)人工調(diào)整擺放位置，精度差、效率低，大大影響零件的成形質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種3D打印的截面匹配方法，解決了零件實(shí)際擺放位置與零件剖分時(shí)的擺放位置難以完全重合的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的是提供一種3D打印復(fù)合成形方法，解決了采用3D打印技術(shù)打印體積較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成本高的問(wèn)題。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種3D打印截面修復(fù)方法，解決了現(xiàn)有打印修復(fù)時(shí)截面匹配精度差的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的一個(gè)技術(shù)方案是，一種3D打印截面匹配方法，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，調(diào)整振鏡坐標(biāo)系或剖分坐標(biāo)系位置，使截面相對(duì)于振鏡坐標(biāo)系和剖分坐標(biāo)系的位置一致。

進(jìn)一步，該方法包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)剖分軟件中截面與剖分坐標(biāo)系X0Y的相對(duì)位置，確定剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置；

步驟2，通過(guò)坐標(biāo)變換，調(diào)整振鏡坐標(biāo)系的位置，使成形區(qū)域內(nèi)的振鏡坐標(biāo)系與剖分坐標(biāo)系完全重合，完成截面的匹配。

其中，步驟1包括以下子步驟：

S1.打印參考標(biāo)記點(diǎn)

在成形區(qū)域內(nèi)的非截面區(qū)任選兩點(diǎn)作為參考標(biāo)記點(diǎn)，并在該兩點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記打印，記錄該兩點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中的坐標(biāo)，并反推振鏡坐標(biāo)系X’0Y’；

S2.獲取成形區(qū)域圖像

利用位于成形室頂部的拍照單元對(duì)整個(gè)成形區(qū)域進(jìn)行拍照，得到成形區(qū)域圖像，并將該圖像傳送至計(jì)算機(jī)；

S3.匹配截面特征點(diǎn)

計(jì)算機(jī)提取成形區(qū)域圖像中的截面圖像，在截面區(qū)內(nèi)選取任意兩個(gè)特征點(diǎn)，計(jì)算并記錄特征點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中的坐標(biāo)；在剖分軟件中的截面上匹配特征點(diǎn)，記錄特征點(diǎn)在剖分坐標(biāo)系X0Y中的坐標(biāo)；

S4.反推剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置

根據(jù)剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)相對(duì)于剖分坐標(biāo)系X0Y的位置反推剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸的方向。

上述步驟S3中特征點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中的坐標(biāo)根據(jù)成形區(qū)域圖像中參考標(biāo)記點(diǎn)與特征點(diǎn)的相對(duì)位置，及振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中參考標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算得到。

上述步驟S4中剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的原點(diǎn)位置根據(jù)剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)相對(duì)于剖分坐標(biāo)系X0Y原點(diǎn)的位置及振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中兩特征點(diǎn)的坐標(biāo)反推得到；剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)軸的方向根據(jù)剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)連線與剖分坐標(biāo)系X0Y坐標(biāo)軸的夾角反推得到。

進(jìn)一步地，在步驟S3中選取3個(gè)以上特征點(diǎn)，兩兩組合后，分別進(jìn)行特征點(diǎn)匹配和剖分坐標(biāo)系X0Y反推，得到至少兩組剖分坐標(biāo)系X0Y；比較各組剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置是否一致，若一致，則表明匹配成功，執(zhí)行步驟2；若不一致，則表明匹配失敗，重新執(zhí)行步驟S3、S4，直至匹配成功，再執(zhí)行步驟2。

上述截面匹配方法所用的裝置包括位于3D打印成形室頂部的拍照單元，以及與拍照單元和3D打印機(jī)控制系統(tǒng)相連的計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是，一種3D打印復(fù)合成形方法，將零件分割為基礎(chǔ)部分和復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，先采用機(jī)械加工完成零件基礎(chǔ)部分的成形，再采用3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)部分上成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分。

成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分前，采用上述截面匹配方法完成基礎(chǔ)部分和復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的復(fù)合截面匹配。

本發(fā)明的第三個(gè)技術(shù)方案是，一種3D打印截面修復(fù)方法，包括采用上述截面匹配方法將零件當(dāng)前層已打印部分截面與剖分軟件中零件當(dāng)前層截面進(jìn)行匹配，然后對(duì)當(dāng)前層截面待修復(fù)部分進(jìn)行打印。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的3D打印的截面匹配方法基于坐標(biāo)變換法，通過(guò)調(diào)整振鏡坐標(biāo)系或剖分坐標(biāo)系，使二者保持一致，來(lái)確保零件相對(duì)于兩個(gè)坐標(biāo)系的位置保持一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)截面的準(zhǔn)確匹配。該方法適用于本發(fā)明提出的新的3D打印復(fù)合成形方法的截面匹配，同時(shí)，本發(fā)明提出的新的3D打印復(fù)合成形方法將傳統(tǒng)機(jī)械加工和3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，在縮短零件加工周期的同時(shí)，大大降低了零件的加工成本，使3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊。還適用于3D打印過(guò)程截面修復(fù)時(shí)的截面匹配，克服了現(xiàn)有打印修復(fù)時(shí)截面匹配度不高的問(wèn)題。該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效確保后續(xù)的打印能夠精準(zhǔn)地與已成形部分結(jié)合，保證了零件的成形質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明3D打印設(shè)備成形室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明3D打印的截面匹配方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明方法用于復(fù)合成形的截面匹配示意圖，a為振鏡坐標(biāo)系下截面，b為剖分坐標(biāo)系下截面，c為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后截面；

圖4是本發(fā)明反推剖分坐標(biāo)系的原理圖；

圖5是本發(fā)明方法用于截面修復(fù)的截面匹配示意圖，a為振鏡坐標(biāo)系下截面，b為剖分坐標(biāo)系下截面。

圖1中，1.成形室，2.拍照單元，3.成形區(qū)域，4.計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。

本發(fā)明的3D打印截面匹配方法是為了將3D打印中待打印部分的截面與零件已成形部分的截面相匹配，使后續(xù)的打印能夠精準(zhǔn)地與已成形部分結(jié)合而提出。

該截面匹配方法適用于本發(fā)明提出的一種新的3D打印方法，即3D打印復(fù)合成形方法，該復(fù)合成形方法包括：將零件分割為基礎(chǔ)部分及復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，先采用機(jī)械加工完成零件的基礎(chǔ)部分成形，再采用3D打印技術(shù)在零件基礎(chǔ)部分上成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分。

該3D打印復(fù)合成形方法在縮短零件加工周期的同時(shí)，大大降低了零件的加工成本。但是采用該方法進(jìn)行零件加工時(shí)，存在零件基礎(chǔ)部分與復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分結(jié)合面的匹配問(wèn)題。在復(fù)合加工中基礎(chǔ)部分成形后，零件的實(shí)際擺放位置與零件剖分時(shí)的擺放位置很難完全重合，通過(guò)人工調(diào)整擺放位置，精度差、效率低，容易導(dǎo)致基礎(chǔ)部分與復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的結(jié)合面不能準(zhǔn)確匹配，會(huì)大大影響零件的成形質(zhì)量。因此，需要一種截面匹配方法。

該截面匹配方法還適用于3D打印過(guò)程中，發(fā)生打印錯(cuò)誤或設(shè)備故障導(dǎo)致加工過(guò)程突然停止，重新打印時(shí)，對(duì)當(dāng)前層截面修復(fù)時(shí)的截面匹配。

本發(fā)明3D打印截面匹配方法的原理是，正常打印過(guò)程中，振鏡坐標(biāo)系默認(rèn)與剖分坐標(biāo)系一致，即成形零件在振鏡坐標(biāo)系中與其在剖分坐標(biāo)系中的位置一致，但若采用3D打印復(fù)合成形方法，或者傳統(tǒng)3D打印出現(xiàn)故障，在零件重新擺放打印時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致零件相對(duì)于振鏡坐標(biāo)系的位置與其相對(duì)于剖分坐標(biāo)系的位置不一致。為了保證復(fù)合截面的準(zhǔn)確匹配，必須使零件相對(duì)于兩個(gè)坐標(biāo)系的位置保持一致。因此，本發(fā)明基于坐標(biāo)變換法，通過(guò)調(diào)整振鏡坐標(biāo)系或剖分坐標(biāo)系，來(lái)確保零件相對(duì)于兩個(gè)坐標(biāo)系的位置保持一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合截面的準(zhǔn)確匹配。

本發(fā)明所使用的裝置如圖1所示，包括位于3D打印成形室1頂部的拍照單元2，用于對(duì)成形區(qū)域3進(jìn)行拍照，還包括與拍照單元2和3D打印機(jī)控制系統(tǒng)相連的計(jì)算機(jī)4，用于對(duì)實(shí)際加工截面進(jìn)行分析匹配。

本發(fā)明優(yōu)選，基于坐標(biāo)變換，通過(guò)調(diào)整振鏡坐標(biāo)系，使其與剖分坐標(biāo)系保持一致，確保零件相對(duì)于兩個(gè)坐標(biāo)系的位置保持一致，從而實(shí)現(xiàn)截面的準(zhǔn)確匹配。

如圖2所示，該方法具體包括：

步驟1，根據(jù)剖分軟件中零件截面與剖分坐標(biāo)系X0Y的相對(duì)位置，確定剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置。

S1.打印參考標(biāo)記點(diǎn)

在成形區(qū)域內(nèi)的非截面區(qū)任選兩點(diǎn)A、B作為參考標(biāo)記點(diǎn)，如圖3a所示，并在該兩點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記打印，記錄該兩點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中的坐標(biāo)(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)，并反推振鏡坐標(biāo)系X’0Y’。

S2.獲取成形區(qū)域圖像

利用位于成形室頂部的拍照單元對(duì)整個(gè)成形區(qū)域進(jìn)行拍照，得到成形區(qū)域圖像，并將該圖像傳送至計(jì)算機(jī)。

S3.匹配截面特征點(diǎn)

計(jì)算機(jī)提取成形區(qū)域圖像中的截面圖像，在截面區(qū)內(nèi)選取任意兩個(gè)特征點(diǎn)a、b。

根據(jù)振鏡系統(tǒng)中參考標(biāo)記點(diǎn)A、B的坐標(biāo)(X_A,Y_A)或(X_B,Y_B)，及特征點(diǎn)a、b與參考標(biāo)記點(diǎn)A或B的相對(duì)位置，計(jì)算并記錄特征點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中的坐標(biāo)(x₁’，y₁’)和(x₂’，y₂’)。

在剖分軟件中的截面上匹配特征點(diǎn)a、b，記錄特征點(diǎn)a、b在剖分坐標(biāo)系X0Y中的坐標(biāo)(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

S4.反推剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置

(1)根據(jù)剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)a、b相對(duì)于剖分坐標(biāo)系X0Y原點(diǎn)的位置，及振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中兩特征點(diǎn)的坐標(biāo)(x₁’，y₁’)和(x₂’，y₂’)，反推剖分坐標(biāo)系X0Y原點(diǎn)在成形區(qū)域內(nèi)的位置。

(2)根據(jù)公式(1)計(jì)算剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)的連線與剖分坐標(biāo)系X0Y坐標(biāo)軸的夾角α，如圖4所示。

根據(jù)剖分坐標(biāo)系X0Y中兩特征點(diǎn)連線與剖分坐標(biāo)系X0Y坐標(biāo)軸的夾角α，及振鏡坐標(biāo)系X’0Y’中兩特征點(diǎn)連線，反推剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)軸的方向。

由步驟(1)、(2)得到剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置。

步驟2，根據(jù)成形區(qū)域內(nèi)振鏡坐標(biāo)系X’0Y’與剖分坐標(biāo)系X0Y的相對(duì)位置，通過(guò)將振鏡坐標(biāo)系X’0Y’旋轉(zhuǎn)θ角度、平移距離，使其與成形區(qū)域內(nèi)剖分坐標(biāo)系X0Y完全重合，如圖3b、3c所示，來(lái)確保截面相對(duì)于兩個(gè)坐標(biāo)系的位置保持一致，完成截面的準(zhǔn)確匹配。

為了進(jìn)一步確保剖分坐標(biāo)系反推的準(zhǔn)確性，尤其對(duì)于截面復(fù)雜的零件而言，在步驟S3中，可選取3個(gè)以上的特征點(diǎn)，兩兩組合后，分別進(jìn)行上述特征點(diǎn)匹配和剖分坐標(biāo)系X0Y反推，比較反推得到的各組剖分坐標(biāo)系X0Y在成形區(qū)域內(nèi)的位置是否一致，若一致，則表明匹配成功，執(zhí)行步驟2；若不一致，則表明匹配失敗，重新執(zhí)行步驟S3、S4，直至匹配成功，再執(zhí)行步驟2，避免出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤。

經(jīng)過(guò)上述步驟，確保了截面的正確匹配，避免了因錯(cuò)位等問(wèn)題引起的零件加工失敗。

同理，也可通過(guò)調(diào)整剖分坐標(biāo)系X0Y的位置，將振鏡坐標(biāo)系X’0Y’旋轉(zhuǎn)θ角度、平移距離，使其與振鏡坐標(biāo)系X’0Y’保持一致，從而完成截面的匹配。

將本發(fā)明截面匹配方法用于3D打印復(fù)合成形方法進(jìn)行零件成形的過(guò)程如下：

(1)、固定零件

利用工裝或者螺釘緊固等方式將已經(jīng)過(guò)機(jī)械加工成形的零件基礎(chǔ)部分固定在基材上，并將基材放至設(shè)備成形區(qū)域。

(2)、調(diào)平、鋪粉

對(duì)基材進(jìn)行調(diào)平，并調(diào)整工作平面Z軸高度，確保零件已成形基礎(chǔ)部分的上表面與成形平面保持一致。然后，將成形區(qū)域鋪滿(mǎn)粉末，為下一步成形做好準(zhǔn)備。

(3)、根據(jù)剖分軟件中零件與剖分坐標(biāo)系X0Y的相對(duì)位置，確定剖分坐標(biāo)系X0Y在成形面內(nèi)的位置。

(4)、通過(guò)坐標(biāo)變換，調(diào)整振鏡坐標(biāo)系的位置，使二者在成形區(qū)域內(nèi)完全重合，完成截面的匹配。

(5)、打印零件

設(shè)備打印系統(tǒng)控制振鏡根據(jù)變換后的振鏡坐標(biāo)系讀取打印點(diǎn)位置，開(kāi)始打印，直至完成整個(gè)零件的打印。

將本發(fā)明截面匹配方法用于3D打印過(guò)程截面修復(fù)的過(guò)程如下：

(1)根據(jù)剖分軟件中零件截面與剖分坐標(biāo)系X0Y的相對(duì)位置，確定剖分坐標(biāo)系X0Y在成形面內(nèi)的位置。

(2)、通過(guò)坐標(biāo)變換，調(diào)整振鏡坐標(biāo)系的位置，使二者在成形區(qū)域內(nèi)完全重合，完成截面的匹配。

(3)將變換后的振鏡坐標(biāo)系下的截面輪廓與剖分坐標(biāo)系下截面輪廓進(jìn)行對(duì)比，如圖5a、5b所示，識(shí)別并提取缺失截面信息。

(4)、打印零件

設(shè)備打印系統(tǒng)控制振鏡對(duì)當(dāng)前層截面缺失部分進(jìn)行打印，完成當(dāng)前層打印后，繼續(xù)下一層打印，直至完成整個(gè)零件的打印。

本發(fā)明以上描述只是部分實(shí)施例，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式。上述的具體實(shí)施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本發(fā)明的方法，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。