本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種分層方向的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)(3D打印)比傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)具有減少環(huán)境污染及能源消耗的明顯優(yōu)勢(shì)。增材制造過(guò)程是通過(guò)層層材料堆疊生產(chǎn)3D產(chǎn)品，它可以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)方案的快速驗(yàn)證、產(chǎn)品的個(gè)性化定制以及復(fù)雜幾何特征和材料特性的模型加工。

模型的切片方向問(wèn)題都可以歸結(jié)為制造中的最大化和最小化問(wèn)題，可以通過(guò)STL(stereolithography，光固化立體造型術(shù))或者CAD(Computer Aided Desig)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)工件的形狀、應(yīng)用的不同，很多特點(diǎn)都值得考慮，這往往也將工件的方向問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為求解優(yōu)化問(wèn)題，這些優(yōu)化問(wèn)題往往也是多目標(biāo)的。同時(shí)工件方向問(wèn)題也會(huì)影響到切片建模的時(shí)間、質(zhì)量和機(jī)械特性等。根據(jù)切片過(guò)程的不同，某些制造的限制也需要考慮。

現(xiàn)有方法多數(shù)研究目標(biāo)都在獲取最優(yōu)的分層方向。切片方法和分層方向之間是耦合的，同時(shí)會(huì)影響到封層質(zhì)量和建模時(shí)間。有的采用預(yù)測(cè)表面粗糙度的方法來(lái)嘗試獲取梯度方向，由于建模時(shí)間可以根據(jù)切片的數(shù)量來(lái)獲得，所以這種方法可以用來(lái)估計(jì)工件的制造時(shí)間。這些方法都需要先得到所有可能的切片方向，然后對(duì)這些不同的方向進(jìn)行比較，這樣計(jì)算的復(fù)雜度較高，如果切片的要求是多方面的，這就會(huì)出現(xiàn)更大的計(jì)算負(fù)荷。近些年來(lái)，遺傳算法也被引入到分層方向問(wèn)題中用來(lái)在降低優(yōu)化問(wèn)題求解中降維以減少計(jì)算量。盡管可以減少分層方向的數(shù)量，但是遺傳算法分層空間中的擴(kuò)展型不好，在多目標(biāo)優(yōu)化中的表現(xiàn)并不理想，算法在尋找分層方向的有效性上并沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種分層方向的優(yōu)化方法，應(yīng)用于增材制造的制造對(duì)象；包括：

步驟S1，獲得所述制造對(duì)象的三維模型，并將所述三維模型轉(zhuǎn)化為表面具有三角面片的處理模型；

步驟S2，提供所述處理模型中所有所述三角面片的信息，并根據(jù)所述三角面片的信息獲得所述分層方向的樣本區(qū)間；

步驟S3，尋找所述分層方向的每個(gè)樣本的k個(gè)鄰近點(diǎn)形成一鄰近點(diǎn)集，并用與每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的所述鄰近點(diǎn)集表示所述分層方向的每個(gè)樣本；

步驟S4，采用一重構(gòu)優(yōu)化模型對(duì)每個(gè)所述鄰近點(diǎn)集進(jìn)行重構(gòu)，確定與每個(gè)所述鄰近點(diǎn)集相對(duì)應(yīng)的一重構(gòu)參數(shù)集合；

步驟S5，對(duì)所述分層方向的每個(gè)樣本進(jìn)行映射，并利用映射的所述分層方向的每個(gè)樣本以及所述重構(gòu)參數(shù)集合優(yōu)化確定最能反映所述分層方向的特征的多個(gè)特征方向；

步驟S6，選取多個(gè)所述特征方向中綜合誤差最小的作為所述分層方向。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述步驟S5中，確定的最能反映所述分層方向的特征的所述特征方向的數(shù)量為3～5個(gè)。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述步驟S5中，選取的最能反映所述分層方向的特征的所述特征方向的數(shù)量為4個(gè)。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述步驟S4中，每個(gè)所述重構(gòu)參數(shù)集合包括總和為1的k個(gè)重構(gòu)參數(shù)。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述步驟S5中，映射后的所述分層方向的每個(gè)樣本的方向的合向量為零向量。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述步驟S6中，所述綜合誤差包括每個(gè)所述特征方向下的所述處理模型與所述三維模型的體積誤差，以及所述三角面片的斜高誤差。

上述的優(yōu)化方法，其中，所述體積誤差與所述斜高誤差加權(quán)求和得到所述綜合誤差。

有益效果：本發(fā)明提出的一種分層方向的優(yōu)化方法能夠促進(jìn)增材制造加工效率的提高，以及高精度完成復(fù)雜加工的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中分層方向的優(yōu)化方法的步驟流程圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中等層厚分層模型誤差示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，如圖1所示，提出了一種分層方向的優(yōu)化方法，可以應(yīng)用于增材制造的制造對(duì)象；可以包括：

步驟S1，獲得制造對(duì)象的三維模型，并將三維模型轉(zhuǎn)化為表面具有三角面片的處理模型；

步驟S2，提供處理模型中所有三角面片的信息，并根據(jù)三角面片的信息獲得分層方向的樣本區(qū)間；

步驟S3，尋找分層方向的每個(gè)樣本的k個(gè)鄰近點(diǎn)形成一鄰近點(diǎn)集，并用與每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的鄰近點(diǎn)集表示分層方向的每個(gè)樣本；

步驟S4，采用一重構(gòu)優(yōu)化模型對(duì)每個(gè)鄰近點(diǎn)集進(jìn)行重構(gòu)，確定與每個(gè)鄰近點(diǎn)集相對(duì)應(yīng)的一重構(gòu)參數(shù)集合；

步驟S5，對(duì)分層方向的每個(gè)樣本進(jìn)行映射，并利用映射后的分層方向的每個(gè)樣本以及重構(gòu)參數(shù)集合優(yōu)化確定最能反映分層方向的特征的多個(gè)特征方向；

步驟S6，選取多個(gè)特征方向中綜合誤差最小的作為分層方向。

其中，具有三角面片的處理模型可以是STL模型或者CAD模型。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，步驟S5中，確定的最能反映分層方向的特征的特征方向的數(shù)量為3～5個(gè)。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，步驟S5中，確定的最能反映分層方向的特征的特征方向的數(shù)量為4個(gè)。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，步驟S4中，每個(gè)重構(gòu)參數(shù)集合包括總和為1的k個(gè)重構(gòu)參數(shù)。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，步驟S5中，映射后的分層方向的每個(gè)樣本的方向的合向量為零向量。

在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，所述步驟S6中，綜合誤差包括每個(gè)特征方向下的處理模型與三維模型的體積誤差，以及三角面片的斜高誤差。

上述實(shí)施例中，優(yōu)選地，體積誤差與斜高誤差加權(quán)求和得到綜合誤差。

具體地，步驟1：將三維模型轉(zhuǎn)化為STL模型格式，提取STL模型中的所有的三角面片的信息(三個(gè)頂點(diǎn)信息與一個(gè)外部法向量信息)，根據(jù)信息獲得新的樣本區(qū)間其中S_m為三角形的面積,為三角面片的法向量，其中m為三角面片的總個(gè)數(shù)。

對(duì)于略微復(fù)雜的模型的三角面片的樣本數(shù)量比較大，因此通過(guò)采用降維數(shù)、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的方法來(lái)確定候選的切片方向。局部線性嵌入方法(LLE)是一種非線性降維算法，該方法通過(guò)相鄰點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)組合構(gòu)造原數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)尋找每個(gè)樣本點(diǎn)的k個(gè)鄰近點(diǎn)，通過(guò)鄰近點(diǎn)計(jì)算出該樣本的局部重構(gòu)權(quán)值矩陣，由局部重建權(quán)值矩陣和其他點(diǎn)計(jì)算出該樣本點(diǎn)的輸出。

步驟2：對(duì)每個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行k類鄰近點(diǎn)分類，即KNN計(jì)算，獲得每個(gè)樣本點(diǎn)的K個(gè)鄰近點(diǎn)并用的線性組合表示原有的樣本點(diǎn)

步驟3：計(jì)算出每個(gè)樣本空間的用線性組合來(lái)表示的重構(gòu)系數(shù)通過(guò)使重構(gòu)誤差最小，構(gòu)造目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題(1-1)：

其中，表示為的第i個(gè)相鄰點(diǎn)對(duì)它的重構(gòu)系數(shù)，可以通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題(如拉格朗日法)得到

步驟4，設(shè)原樣本空間映射到低維數(shù)空間中，通過(guò)簡(jiǎn)化優(yōu)化問(wèn)題并進(jìn)行特征分解得到特征根λ_j及對(duì)應(yīng)的特征向量具體求解得到以下公式(1-2)，通過(guò)簡(jiǎn)化問(wèn)題最終為其中M＝(I-W)^T(I-W)。

具體計(jì)算公式如下：

其中，公式(1-2)中的Q(W)為與重構(gòu)系數(shù)相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使得目標(biāo)函數(shù)為最小優(yōu)化得到

步驟5，選擇特征值中較大的四個(gè)(λ₁＞λ₂＞λ₃＞λ₄)所對(duì)應(yīng)的特征向量作為其備選切片方向。

步驟6，如圖2所示，根據(jù)基于STL模型的等厚切片算法，對(duì)四個(gè)切片方向分別進(jìn)行切片處理，并計(jì)算出四個(gè)方向下產(chǎn)生的體積誤差及斜高誤差的加權(quán)誤差，通過(guò)公式(1-3)獲得加權(quán)誤差ξ

cosθ＝M_jN/|M_j||N| (1-3)

步驟7，選取對(duì)四個(gè)方向中加權(quán)誤差的最小的ξ，作為切片算法中的切片方向M_j，N為三角面片的法向量。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種分層方向的優(yōu)化方法能夠促進(jìn)增材制造加工效率的提高，以及高精度完成復(fù)雜加工的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

通過(guò)說(shuō)明和附圖，給出了具體實(shí)施方式的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，基于本發(fā)明精神，還可作其他的轉(zhuǎn)換。盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，然而，這些內(nèi)容并不作為局限。

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說(shuō)明后，各種變化和修正無(wú)疑將顯而易見(jiàn)。因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正。在權(quán)利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價(jià)的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。