[发明专利]一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法

权利要求书

1.一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)轮廓偏置：将模型的单层打印轮廓通过向量积法做外轮廓向内和内轮廓向外偏置；

(2)干涉处理：对于复杂凹形轮廓的偏置，如果偏置后的轮廓有自交的情况，进行干涉处理并重构得到新的轮廓；

(3)关键点获取：由填充率获取填充区域内均匀分布的关键点；

(4)轨迹求解：在填充区域内遍历关键点，求解出一条连续的打印轨迹；

(5)轨迹平滑处理：通过挤出材料线宽求最小曲率半径，采用三阶贝塞尔曲线调节参数做打印轨迹的平滑处理以满足曲率约束。

2.根据权利要求1所述复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(2)中干涉处理的具体方法为：

1)轮廓分解：将偏置后的轮廓分解为多段线，多段线上的点的横纵坐标依次递增或递减；

2)多段线求交点：多段线两两判断，通过扩展的矩形是否重合判断是否相交，如果相交，求出所有自交点；

3)新环有效性的判别：重构轮廓环的交点为P_i，交点前后点分别为P_i-1，P_i+1，通过向量叉积判断环的走向，F＝P_i-1P_i×P_iP_i+1，若F＞0，环为顺时针为有效环，若F＜0，环为逆时针为无效环。

4)新环的重构：遍历所有有效的自交点，如果新环有效，插入轮廓顶点数组中，连接重构新轮廓。

3.根据权利要求2所述复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(3)中，关键点获取的具体方法为：由挤出材料的线宽L和单层填充率ε，计算坐标轴的单位长度为绘制网格，过网格点(x₀，y₀)做射线，求与轮廓边界交点的横坐标x，公式如下：

其中，(x₁，y₁)，(x₂，y₂)为轮廓边界线段两端点的坐标，将x与x₀比较得到与轮廓边界交点的个数，交点个数为奇数，网格点在填充区域内则保留，交点个数为偶数，网格点不在填充区域内则去除。

4.根据权利要求3述复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据填充区域内关键点的坐标，由模拟退火算法求解一条遍历所有关键点的连续打印轨迹，使轨迹长度最小化；使用增强系数α和迭代次数i的指数形式构造的退火速率函数来提高求解速率，公式如下：

并采用玻尔兹曼常数k和放大系数μ构造的新解接受概率函数：

其中，函数为d_jk为两个关键点j，k之间的距离，x_jk标记关键点是否被访问，s表示任意解，即所有关键点的一个排列，s′为迭代后的新解，n为模拟退火算法的种群数量，T_i为当前温度，T_i+1为下一时刻的温度，ΔT为两次迭代的温度差，P为新解接受的概率。

5.根据权利要求4所述复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用三阶贝塞尔曲线对打印轨迹做平滑处理，满足尖角处曲率约束，由线宽L计算打印轨迹最小曲率半径贝塞尔曲线的参数调节范围为k∈[0.2-0.8]，使打印轨迹上任意点处的曲率满足：

其中，x(t)，y(t)为打印轨迹上任意点的坐标随时间t的参数方程，x′(t)，y′(t)和x″(t)，y″(t)分别为参数方程的一阶和二阶导函数。