一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法

1.本发明涉及fdm 3d打印领域，尤其涉及一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法。


背景技术：

2.制造业是为人们提供生活用品和服务的基础产业，近年来得到振兴。与此同时，“低碳”生活已经被广泛推崇并逐渐被大众接受，fdm 3d打印作为制造业等领域未来一项重要的发展技术，其能耗优化已成为促进制造业可持续发展、缓解能源危机的重要途径。
3.fdm 3d打印是现代制造过程中非常重要的一个工序，而fdm 3d打印路径问题一直伴随着3d打印技术的发展，至今仍是提高打印效率节约能源的关键。fdm 3d打印包括“建模-切片-打印-后处理”四个过程，其中切片过程是通过切片软件将模型零件进行分层处理，为模型的打印规划出具体的路径，这种方法减少了人力投入，具有一定的鲁棒性。近年来，随着学者对路径规划的深入研究，改进的最短距离法和改进的近邻法相继应用于路径规划方法中，优化了打印起始点的位置，进而实现了轮廓打印能耗的优化。同时计算机技术的发展和人工智能技术的应用，蚁群算法、遗传算法和融合算法等都能够取得非常理想的打印路径。但是上述方法一直未能解决切片软件确立起始点位置时因遵循最短距离法原则而陷入局部最优的问题。即规划时遵循喷头完成当前轮廓打印后选取距其最近的起始点对应轮廓进行打印的原则，每次只选取距离最近的点，不再进行回溯，但是往往只能使该段路径最短，并不能保证总路径最短，导致打印路径长度陷入局部最优。因此在面对单层切片中存在多个轮廓的情况时，往往不能取得较好的效果，影响企业生产效率，提升了时间成本，增加了无用能耗。
4.综上可知，针对现有单层切片存在多个轮廓的情况，如何设计一种fdm3d切片轮廓路径规划方法来降低轮廓打印能耗，是十分必要的。


技术实现要素：

5.针对现有切片软件在对多轮廓进行规划易陷入路径长度局部最优的问题，本发明提供了一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，结合遗传算法收敛速度快与模拟退火算法能够接受较差解的优势，建立了基于遗传模拟退火算法的轮廓路径规划方法，避免了切片软件由于遵循最短路径原则导致的路径长度增加的问题。在满足打印条件的情况下，使打印路径达到最优。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
7.一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，包括以下步骤：
8.s1、零件轮廓读取
9.读取模型零件单层切片中的每个轮廓；
10.s2、轮廓中心点确定
11.确定单层切片轮廓中每个多边形的中心点，并与打印原点组成初始点集合；
12.s3、初始点排序
13.采用遗传模拟退火算法对初始点进行排序，求取所有初始点之间连线的最短距离；
14.s4、起始点位置以及打印顺序确定
15.将s3中得出的初始点间最短路径经过的每个轮廓的第一个点作为该轮廓的起始点，依次确定每个轮廓的打印起始点；同时将起始点的确定顺序记为打印顺序，以此来确定打印顺序；
16.s5、起始点位置优化
17.对起始点的位置进行优化，形成最优轨迹；
18.s6、形成最终打印路径。
19.进一步，所述步骤s2中描述的轮廓中心点的确定是将模型零件的最外层轮廓作为单独的轮廓，并选取该轮廓的一个顶点作为打印原点，并取内部其他多边形轮廓的中心点与打印原点作为初始点集合；这里针对不规则多边形可选取该轮廓的集合重心作为该轮廓的中心点。
20.进一步，所述步骤s3初始点排序中采用的算法为遗传模拟退火算法：从原点出发，遍历所有中心点后回到原点，将该过程视作解决旅行商问题，通过该算法规划出初始点集合中各点间连线的最短距离。
21.进一步，所述步骤s4起始点位置以及打印顺序确定的方法为：从原点出发沿着s3步骤规划出的最短路径开始，将该路径经过的每个轮廓的第一个点作为该轮廓的打印起始点，依次确定每个轮廓的打印起始点；同时将起始点的确定顺序记为打印顺序，以此来确定打印顺序。
22.进一步，所述步骤s5中起始点位置优化的方法为：首先将连续的三个打印其实点作为一组；其次判断中间点是否在其余两点的最优路径上，若不在，找到与其余两点距离和更近的点作为中间点的更新位置，若存在多个点距离和最近，则选择与第三个点更近的点最为中间点的更新位置；然后按照上述方法依次更新完所有点，若某一点发生更新则需要重新判断前面的点是否需要更新，对于最后一个点，则参照原点与最后一个点前面的一个点；最后获得最优的打印路径。
23.进一步，所述步骤s5中判定最优打印路径的标准为：重复步骤s5操作，若所有点位置不再变化则输入到下一级，若发生变化则返回上一级继续优化获取新的路径。
24.相对于现有的技术，本发明具有如下优点：
25.1、本发明利用遗传模拟退火算法快速收敛和避免早熟的特性快速确定了轮廓打印顺序，提高了工作效率，避免了路径长度局部最优问题。
26.2、本发明后续还对轮廓的起始点进行进一步的优化，实现了能耗的进一步降低。
附图说明
27.图1是本发明提供的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法流程示意图；
28.图2是本发明实施例提供的打印模型零件示意图；
29.图3是本发明实施例提供的步骤2各轮廓中心点位置示意图；
30.图4a是本发明实施例提供的步骤3中遗传算法操作流程示意图；
31.图4b是本发明实施例提供的步骤3中模拟退火算法操作流程示意图；
32.图4c是本发明实施例提供的步骤3中模拟退火操作完成后返回遗传算法操作流程示意图；
33.图5是本发明实施例提供的步骤3通过遗传模拟退火算法确定的初始点排序结果示意图；
34.图6是本发明实施例提供的步骤4确定起始点位置以及打印顺序结果示意图；
35.图7是本发明实施例提供的步骤5起始点位置优化后的结果示意图；
36.图8是本发明实施例提供的由cura切片软件对图2所示的模型零件切片后的轮廓路径示意图；
37.图9是本发明实施例提供的由simplify3d切片软件对图2所示的模型零件切片后的轮廓路径示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
39.一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，参照如图1所示的方法流程图，对如图2所示的模型零件中包含的轮廓进行路径规划。图中模型零件共有7个轮廓，定义最外层轮廓为g1，g1中包含有6个封闭轮廓，分别记为gi＝{g2,g3,
…
,g7}，每个轮廓有不同数量的顶点，除最外层轮廓外每个轮廓的中心为{l2,l3,
…
,l7}。本实施例采用的功率仪器为lmg600系列功率分析仪，对轮廓打印过程中的功率进行采集。
40.具体优化过程如下：
41.步骤1：零件轮廓读取
42.根据autocad所绘制的模型零件，将该模型零件所包含的轮廓进行读取，确定要打印的最外层轮廓以及内部打印轮廓。
43.步骤2：轮廓中心点的确定
44.如图3所示各轮廓中心点位置，将模型零件的最外层轮廓作为单独的轮廓，并选取该轮廓的一个顶点作为打印原点l1，选取内部其他多边形轮廓的中心点记为{l2,l3,
…
,l7}，并与打印原点作为初始点集合r＝{l1,l2,l3,
…
,l7}。
45.步骤3：初始点排序
46.从原点l1出发，遍历所有中心点后回到原点l1，将该过程视作解决旅行商问题，通过遗传模拟退火算法规划出初始点集合中各点间连线的最短距离。
47.具体操作如下：
48.遗传算法操作，如图4a：
49.1.定义初始化参数。定义最优解sbest；设置遗传算法种群数目n、迭代次数maxgen、交叉概率pc、变异概率pm；设置模拟退火算法外循环迭代次数maxoutiter、内循环迭代次数maxiniter、初始温度t0、冷却因子alpha。
50.2.计算适应度值。适应度值为目标函数值的倒数。因此适应度值越小，子代个体被选中的概率就会越小。本发明所提出的目标函数为最短路径值，则适应度值为：
51.52.3.执行选择操作。根据每个个体的适应度值，采用二元锦标赛的方式从所有路径值中选取最优的个体进入下一代。
53.4.交叉、变异运算。依据概率pc和pm随机确定交叉变异个体，然后在该个体中随机挑选两个起始点进行交换、逆转、插入操作，生成新的个体。
54.遗传算法运行完一次，将子代种群中最优个体的前30％进行模拟退火操作，如图4b所示：
55.1.产生新解。在搜索时将交换结构、逆转结构、插入结构赋予不同的权重，采用轮盘赌的方式选择使用哪个结构，在该邻域结构下产生当前路径scurr的新路径snew，并比较两路径的适应度值g(scurr)与g(snew)。
56.2.判断是否接受新解。当新路径的适应度值优于当前最优路径时，则接受该新路径；否则按照metropolis准则依概率接受新路径，接受概率p为：
[0057][0058]
3.更新模拟退火全局最优解。比较当前新路径的目标函数g(snew)与当前最优解的目标函数g(sbest1)来更新全局最优路径。
[0059]
4.更新当前温度。用于在外循环中修改温度值，使算法具有渐近收敛性，整个系统以概率1收敛到全局最优解，更新后的温度为：
[0060]
t(t+1)＝alpha
·
t(t)
ꢀꢀ
式(3)
[0061]
5.输出模拟退火最优个体。当外层循环次数达到最大值时，跳出模拟退火算法，输出当前最短路径。
[0062]
返回遗传算法，如图4c:
[0063]
1.重组新的chrom。将模拟退火算法每次迭代输出个体sbest1重组为新的子代种群。
[0064]
2.更新遗传算法全局最优解。比较重组的种群chrom的最优个体bestchrom以及当前sbest的适应度值更新全局最优解。
[0065]
3.输出全局最优解。重复步骤3，达到遗传算法最大迭代次数，输出此时全局最优解sbest，即该算法下的最短路径，如图5所示。
[0066]
步骤4：起始点位置以及打印顺序确定
[0067]
从原点出发沿着s3步骤规划出的最短路径开始，将该路径经过的每个轮廓的第一个点作为该轮廓的打印起始点，依次确定每个轮廓的打印起始点m＝{l1,s2,s3,
…
,s7}；同时将起始点的确定顺序记为打印顺序，以此来确定打印顺序l1－s2－s3－
…
－s7，结果如图6所示。
[0068]
步骤5：起始点位置优化
[0069]
选取起始点集合m后，对其进行优化处理。首先选取起始点集合m中的l1和s3，遍历s2所在轮廓的所有顶点，找到与l1和s3两点距离和更近的点，更新s2所在的点。若存在多个顶点距离和最近，则选择离s3更近的点作为更新的s2。按照以上步骤依次更新s3,s4,
…
,s6。优化过程中，若某一点发生更新则需要重新判断前面的点是否需要更新，若需要更新则直至s2，若不需要更新则继续正向优化。对于最后一个点s7，则参考s6和l1更新为最短距离的点。最后获得优化后的起始点集合m’＝{l1’
,s2’
,s3’
,
…
,s7’
}以及打印顺序l1’‑
s2’‑
s3’…
s7’‑
l1’
，得到图7所示的轮廓打印路径。
[0070]
步骤6：形成最终打印路径
[0071]
此外本实施例还利用cura和simplify 3d切片软件对图2所示的模型零件进行切片，形成图8和图9所示的切片轮廓路径。对图7、图8和图9所示的轮廓打印路径进行打印试验，采集打印时间信息和能耗信息结果如下表1所示。由表1可知本发明规划的路径单层打印时间为74.75s，相较于两种切片软件分别缩短了10.21％和11.80％。本发明规划的路径单层打印能耗为2069.91j，在打印环境与床身、喷头加热温度相同的条件下相较于两种切片软件两种方法分别减少了12.87％和14.73％。由此可见，本发明提出的方法打印效率明显提高、打印能耗明显降低。
[0072]
表1打印时间以及能耗比较
[0073]
路径规划方法本文方法curasimplify3d单层打印时间/s74.7583.2584.75单层打印能耗/j2069.912375.692427.59
[0074]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、零件轮廓读取读取模型零件单层切片中的每个轮廓；s2、轮廓中心点确定确定单层切片轮廓中每个多边形的中心点，并与打印原点组成初始点集合；s3、初始点排序采用遗传模拟退火算法对初始点进行排序，求取所有初始点之间连线的最短距离；s4、起始点位置以及打印顺序确定将s3中得出的初始点间最短路径经过的每个轮廓的第一个点作为该轮廓的起始点，依次确定每个轮廓的打印起始点；同时将起始点的确定顺序记为打印顺序，以此来确定打印顺序；s5、起始点位置优化对起始点的位置进行优化，形成最优轨迹；s6、形成最终打印路径。2.根据权利要求1所述的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，所述步骤s2中描述的轮廓中心点的确定是将模型零件的最外层轮廓作为单独的轮廓，选取该轮廓的一个顶点作为打印原点，并取内部其他多边形轮廓的中心点与打印原点作为初始点集合；这里针对不规则多边形可选取该轮廓的几何重心作为该轮廓的中心点。3.根据权利要求1所述的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，所述步骤s3初始点排序中采用的算法为遗传模拟退火算法：从原点出发，遍历所有中心点后回到原点，将该过程视作解决旅行商问题，通过该算法规划出初始点集合中各点间连线的最短距离。4.根据权利要求1所述的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，所述步骤s4起始点位置以及打印顺序确定的方法为：从原点出发沿着s3步骤规划出的最短路径开始，将该路径经过的每个轮廓的第一个点作为该轮廓的打印起始点，依次确定每个轮廓的打印起始点；同时将起始点的确定顺序记为打印顺序，以此来确定打印顺序。5.根据权利要求1所述的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，所述步骤s5中起始点位置优化的方法为：首先将连续的三个打印起始点作为一组；其次判断这三个打印起始点中顺序在中间的点是否在其余两点的最短路径上，若不在，在中间点所在轮廓的全部顶点中找到与其余两点距离和更近的点作为更新后的中间点位置，若存在多个点距离和最近，则选择与三者中第三个点更近的点最为更新后的中间点位置；然后按照上述方法依次更新完所有点，若某一点发生更新则需要重新判断前面的点是否需要更新，对于最后一个点，则参照原点与最后一个点前面的一个点进行更新；最后获得最优的打印路径。6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，其特征在于，所述步骤s5中判定最优打印路径的标准为：重复步骤s5操作，若所有点位置不再变化则输入到下一级，若发生变化则返回上一级继续优化获取新的路径。

技术总结
本发明提供了一种熔融沉积成型轮廓打印能耗的优化方法，包括以下步骤：S1、零件轮廓读取；S2、轮廓中心点确定；S3、初始点排序；S4、起始点位置以及打印顺序确定；S5、起始点位置优化；S6、形成最终打印路径。本发明的优化方法在打印多轮廓模型零件时，保证打印要求的前提下，使打印路径达到最优从而减少空行程，降低打印能耗。打印能耗。打印能耗。


技术研发人员：庹军波 王晓 谢俊
受保护的技术使用者：重庆工商大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6