一种三维打印下的外部轴优化方法

1.一种三维打印下的外部轴优化方法，其特征在于：包括驱动机构，所述驱动机构驱动连接有外部位移轴，所述外部位移轴一端驱动设置在操作区上方，所述外部位移轴的另一端驱动连接有与操作区对应的操作部；所述驱动机构的外部位移轴的动作优化方法包括以下步骤；
步骤S1，采集待加工的产品的结构点阵模型数据；
步骤S2，获取产品的结构点阵模型数据中目标点的空间位置，并根据外部位移轴的运动方向对目标点的空间位置进行拆分，得到X轴或/和Y轴或/和Z轴的分量在时间轴上的运动轨迹；
步骤S3，目标点位于外部位移轴方向上的X轴或/和Y轴或/和Z轴的分量在时间轴上的运动轨迹通过切片软件或/和切片程序进行切片分量形成X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)；且t代表的是此目标点在整个目标点集中的序号；
步骤S4，对X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)进行傅里叶级数求解，得到X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量拟合后的f2(t)，根据X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量拟合后的f2(t)得到优化的轨迹f3(t)或f3(t)组；
步骤S5,检测复验拟合的轨迹f3(t)或f3(t)组；
步骤S6,符合步骤S5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤S5则修正轨迹f3(t)或f3(t)组；
其中：步骤S4中，傅里叶级数求解是求解X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)与三角函数g(t)之间的内积，得到拟合的X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的f2(t)；
其中：所述三角函数g(t)分别选自于cos(A)和sin(A),A∈[0,k],A是大于等于零的整数，k为傅里叶阶数，且k是一个大于等于零的整数；
其中：根据傅里叶阶数k的选择，得到g(t)＝cos(0)～cos(k)，以及g(t)＝sin(0)～sin(k)时分别与原函数f1(t)的内积函数f2(t)；
其中：步骤四中，全部待打印的所述目标点缩放到[0,2π]的区间，缩放系数coeff为：
；
其中：步骤四中，t＝目标点序号*coeff；其中，目标点序号是指产品的结构点阵模型数据中按时间轴循序依次排列操作的目标点对应的序号，t是缩放后的目标点序号；
其中：步骤四中，选择需要的傅里叶阶数k，根据已知的缩放后的目标点序号t得到的在cos(k*t)的内积和sin(k*t)的内积；
＝π；
＝π；
得到，
；
；
求出k>0至k之间的所有ak和bk，ak代表着在f1(t)与cos(k*t)求得的傅立叶级数，同理bk代表着在f1(t)与sin(k*t)求得的傅立叶级数；
又因为k＝0时的函数投影的系数为：
；
；
得到，指定阶数k之下的f2(t)，
。
2.根据权利要求1所述一种三维打印下的外部轴优化方法，其特征在于：步骤S5,包括检测拟合的轨迹f3(t)是否与三维打印中设备结构有碰撞；目标点可及检测，查看目标点是否可以到达。
3.根据权利要求2所述一种三维打印下的外部轴优化方法，其特征在于：步骤S6,符合步骤S5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤S5则修改傅里叶阶数k调节拟合的轨迹f3(t)。

一种三维打印下的外部轴优化方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机械自动化控制领域，具体涉及一种三维打印下的外部轴优化方法。\n背景技术\n[0002] 三维打印在打印大型物件的时候，一般借助于外部轴来实现。目前机器人三维打印的主要方法是通过描述一系列的三维空间点，通过离线文件的形式传输给机器人，机器人再通过内置的反向运动学算法算出机器人自身每个轴的需要转动的度数，从而使得自身的末端工具头能够达到目标点。\n[0003] 线性外部轴的作用就是把机器人移动到目标点的附近，使得目标点在机器人的作业半径之内，这时机器人就可以顺利完成作业。三维打印的时候，外部轴会根据目标点的改变和机器人的作业范围，不断的改变机械臂的位置。如何根据目标点的位置来决定外部轴的运动，从而把机器人送到目标点附近存在着如下几种方案：方案一，使外部轴的运动完全跟随目标点的移动。即为外部轴做下一个动作和下一个目标点与已完成目标点的位移完全一致。使得机器人的的轴关节运动最小化。例如，CN201911146612.0一种基于分步优化的多机器人多工位协作点焊作业规划方法。主要是通过优化电焊点的排序来进行路径优化。方案二，如图1所示，通过手工编程调整外部轴的运动，以此减小外部轴的多余运动。\nCN201820931272.7多机器人在轨联动系统光栅定位配合协调装置。通过硬件来进行配合协调多机器人的轨道运动。方案三，如图2所示，通过多项式函数对比较简单机械的运动轨迹进行平滑优化。\n[0004] 但是，方案一中无论外部轴作为一个相比机器人的设备，是不够精确的，而且缓慢。大部分运动线性外部轴来承担会造成打印时间变长，打印效果也会下降。方案二中，缺点是耗时耗力，在大型复杂形体的三维打印中，外部轴的运动会比较复杂。如果每一段都进行手工编程，实际工程会耗费大量人工进行编程。方案三，计算量会比较大，而且这种算法并不适合三维打印，因为三维打印，尤其是层级打印的特点是周期性重复性。\n[0005] 因此，需要研发一种便捷、稳定的外部轴优化方法。能够通过傅立叶级数方法来生成外部轴的运动轨迹。\n发明内容\n[0006] 本发明克服了现有技术的不足，提供了一种便捷、稳定的外部轴优化方法。能够通过傅立叶级数方法来生成外部轴的运动轨迹。\n[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种三维打印下的外部轴优化方法，包括驱动机构，所述驱动机构驱动连接有外部位移轴，所述外部位移轴一端驱动设置在操作区上方，所述外部位移轴的另一端驱动连接有与操作区对应的操作部。\n[0008] 所述驱动机构的外部位移轴的动作优化方法包括以下步骤。\n[0009] 步骤S1，采集待加工的产品的结构点阵模型数据。\n[0010] 步骤S2，获取产品的结构点阵模型数据中目标点的空间位置，并根据外部位移轴的运动方向对目标点的空间位置进行拆分，得到X轴或/和Y轴或/和Z轴的分量在时间轴上的运动轨迹。\n[0011] 步骤S3，目标点位于外部位移轴方向上的X轴或/和Y轴或/和Z轴的分量在时间轴上的运动轨迹通过切片软件或/和切片程序进行切片分量形成X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)；且t代表的是此目标点在整个目标点集中的序号。\n[0012] 步骤S4，对X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)进行傅里叶级数求解，得到X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量拟合后的f2(t)，根据X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量拟合后的f2(t)得到优化的轨迹f3(t)或f3(t)组。\n[0013] 步骤S5,检测复验拟合的轨迹f3(t)或f3(t)组。\n[0014] 步骤S6,符合步骤5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤5则修正轨迹f3(t)或f3(t)组。\n[0015] 本发明一个优选的实施方案中，步骤S4中，傅里叶级数求解是求解X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的原函数f1(t)与三角函数g(t)之间的内积，得到拟合的X轴分量的或/和Y轴分量的或/和Z轴分量的f2(t)。\n[0016] 本发明一个优选的实施方案中，三角函数g(t)分别选自于cos(A)和sin(A),A∈[0,k],A是大于等于零的整数，k为傅里叶阶数，且k是一个大于等于零的整数。\n[0017] 本发明一个优选的实施方案中，根据傅里叶阶数k的选择，得到g(t)＝cos(0)～cos(k)，以及g(t)＝sin(0)～sin(k)时分别与原函数f1(t)的内积函数f2(t)。\n[0018] 本发明一个优选的实施方案中，步骤四中，全部待打印的所述目标点缩放到[0,2π]的区间，缩放系数coeff为，\n[0019] 本发明一个优选的实施方案中，步骤四中，t＝目标点序号*coeff；其中，目标点序号是指产品的结构点阵模型数据中按时间轴循序依次排列操作的目标点对应的序号，t是缩放后的目标点序号。\n[0020] 本发明一个优选的实施方案中，步骤四中，选择需要的傅里叶阶数k，根据已知的缩放后的目标点序号t得到的在cos(k*t)的内积和sin(k*t)的内积；\n[0021] ＝π；\n[0022] ＝π；\n[0023] 得到，\n[0024]\n[0025]\n[0026] 求出k>0至k之间的所有ak和bk，ak代表着在f1(t)与cos(k*t)求得的傅立叶级数，同理bk代表着在f1(t)与sin(k*t)求得的傅立叶级数；\n[0027] 又因为k＝0时的函数投影的系数为：\n[0028]\n[0029]\n[0030] 得到，指定阶数k之下的f2(t)，\n[0031]\n[0032] 本发明一个优选的实施方案中，步骤S5,包括检测拟合的轨迹f3(t)是否与三维打印中设备结构有碰撞；目标点可及检测，查看目标点是否可以到达。\n[0033] 本发明一个优选的实施方案中，步骤S6,符合步骤5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤\n5则修改傅里叶阶数k调节拟合的轨迹f3(t)。\n[0034] 三维打印设备采用外部轴优化方法。\n[0035] 本发明解决了技术背景中存在的缺陷，本发明有益的技术效果是：\n[0036] 本发明公开了一种便捷、稳定的外部轴优化方法。能够通过傅立叶级数方法来生成外部轴的运动轨迹。\n[0037] 一种便捷、稳定的外部轴优化方法。能够通过傅立叶级数方法来生成外部轴的运动轨迹。通过对外部轴优化的动作轨迹的运动曲线进行优化，提升了3D打印大型物体的运动稳定性和运动顺滑性，进一步较少扰动，提升打印的平滑性。\n附图说明\n[0038] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。\n[0039] 图1是现有技术中方案二中外部轴优化后的运动曲线图；\n[0040] 图2是现有技术中方案三中外部轴优化后的运动曲线图；\n[0041] 图3是本发明的优选实施例中外部轴驱动3D打印头的结构示意图；\n[0042] 图4是本发明的优选实施例中傅里叶阶数K为100时外部轴的轨迹会趋向于目标点的形状对比；\n[0043] 图5是本发明的优选实施例中傅里叶阶数K为200时外部轴的轨迹会趋向于目标点的形状对比；\n[0044] 图6是本发明的优选实施例中外部位移轴在时间轴T上位移的曲线示意图(其中，图a为外部位移轴根据目标点动作位移的动作曲线；图b为高阶数的傅里叶级数拟合动作曲线图；图c为低阶数的傅里叶级数拟合动作曲线图)；\n[0045] 图7是本发明的优选实施例中的三维打印中的外部轴优化方法流程示意图；\n[0046] 图中附图标记的含义；1‑外部位移轴，2‑3D打印头，21‑喷口，3‑拟合轨迹，4‑物体轮廓轨迹，5‑打印的产品。\n具体实施方式\n[0047] 现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。\n[0048] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、底、顶等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。\n[0049] 如图3～图7所示，本实施例公开了一种三维打印中的外部轴优化方法，包括驱动机构，所述驱动机构驱动连接有外部位移轴1，所述外部位移轴1一端驱动设置在操作区上方，所述外部位移轴1的另一端驱动连接有与操作区对应的操作部。\n[0050] 实施例一\n[0051] 具体的，外部位移轴1通过单轨驱动，单轨为X轴。驱动机构的外部位移轴1的动作优化方法包括以下步骤；\n[0052] 步骤S1，采集待加工的产品的结构点阵模型数据。\n[0053] 步骤S2，获取产品的结构点阵模型数据中目标点的空间位置，并根据外部位移轴1的运动方向对目标点的空间位置进行拆分，得到X轴的分量在时间轴上的运动轨迹。\n[0054] 步骤S3，目标点位于外部位移轴1方向上的X轴的分量在时间轴上的运动轨迹通过切片软件furobot软件进行切片分量形成X轴分量的原函数f1(t)。\n[0055] 步骤S4，对X轴分量的原函数f1(t)进行傅里叶级数求解，得到X轴分量拟合后的f2(t)，根据X轴分量拟合后的f2(t)得到优化的轨迹f3(t)。\n[0056] 步骤S5,检测复验拟合的轨迹f3(t)。步骤S5,还包括检测拟合的轨迹f3(t)是否与三维打印中设备结构有碰撞；目标点可及检测，查看目标点是否可以到达。\n[0057] 步骤S6,符合步骤5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤5则修改傅里叶阶数k调节拟合的轨迹f3(t)。\n[0058] 进一步的，步骤S4中，傅里叶级数求解是求解X轴分量的原函数f1(t)与三角函数g(t)之间的内积，得到拟合的X轴分量的f2(t)。三角函数g(t)分别选自于cos(A)和sin(A),A∈[0,k],A是大于等于零的整数，k为傅里叶阶数，且k是一个大于等于零的整数。根据傅里叶阶数k的选择，得到g(t)＝cos(0)～cos(k)，以及g(t)＝sin(0)～sin(k)时分别与原函数f1(t)的内积函数f2(t)。\n[0059] 更进一步的，例如，当k采用5时，即将cos(0)、cos(1)、cos(2)、cos(3)、cos(4)、cos(5)、sin(0)、sin(1)、sin(2)、sin(3)、sin(4)、sin(5)、分别与f1(t)求内积。单不仅限于此，傅里叶阶数k的选择可以根据实际的需求记性选用，选用后的变化如图3和图4的图表显示可以看出，傅里叶阶数k选择的数字越大，匹配拟合原函数f1(t)的运动轨迹越贴合。确定缩放系数coeff所在的傅里叶阶数k。\n[0060] 实际三维打印中，目标点数量很多，为了能够将傅里叶级数求解运用到实际的打印过程中，把所有目标点全部缩放到[0,2π]的区间里去。全部待打印的目标点缩放到[0,2π]的区间，缩放系数coeff为， t＝目标点序号*coeff；其中，目标\n点序号是指产品的结构点阵模型数据中按时间轴循序依次排列操作的目标点对应的序号；\nt是缩放后的目标点序号。\n[0061] 根据已知的自变量t得到的在cos(k*t)的内积和sin(k*t)的内积；\n[0062] ＝π；\n[0063] ＝π；\n[0064] 得到，\n[0065]\n[0066]\n[0067] 求出k>0的所有ak和bk，ak代表着在f1(t)与cos(k*t)求得的傅立叶级数，同理bk代表着在f1(t)与sin(k*t)求得的傅立叶级数；\n[0068] 又因为k＝0时的函数投影的系数为：\n[0069]\n[0070]\n[0071] 得到，指定阶数k之下的f2(t)，f3(t)＝f2(t)；\n[0072]\n[0073] 实施例二\n[0074] 外部位移轴1通过单轨驱动，单轨为Y轴。根据实施例一中的方法同理可得，定阶数k之下的Y轴分量的f2(t)，单轨驱动时，即f3(t)＝f2(t)；\n[0075]\n[0076] 近似函数f3(t)比原函数光滑，且对原函数的高频率小幅度的移动不敏感，我们可以用它作为外部轴的运动输入，对减少抖动和无效移动有很好的效果。\n[0077] 最后的使用上，我们只需要把目标点序号对应的t带入公式(3)，就可以获得在这个目标点序号下的外部轴位移量了。\n[0078] 实施例三\n[0079] 外部位移轴1通过单轨驱动时，在实施例一和实施例二的基础上。\n[0080] 同Y轴分量的运动轨迹的拟合匹配同理X轴上的运动轨迹的拟合匹配得到属于Y轴分量的f2(t)，即表示为f2x(t)；\n[0081]\n[0082] 将X轴分量的f2(t)，即表示为f2y(t)；\n[0083]\n[0084] 一个目标点的(x,y,z)中x或者Y中的一个分量的拟合过程，在实际工程中，z分量因为不太会剧烈变化，所以可以忽略不计，不需要拟合。直接使用原始z分量数据即可。分别把X轴分量和Y轴分量带入上述方法中得到计算结果后，把拟合的结果分别把目标点的X轴分量和Y轴分量进行原位替换即可得到拟合后的轨迹；即将X轴分量和Y轴分量代入原目标点运动轨迹的函数中得出拟合后的运动轨迹。\n[0085] 本发明工作原理：\n[0086] 如图3～图7所示，通过获取产品的结构点阵模型数据中目标点的空间位置，并根据外部位移轴1的运动方向对目标点的空间位置进行拆分，得到X轴的分量在时间轴上的运动轨迹。目标点位于外部位移轴1方向上的轴的分量在时间轴上的运动轨迹通过切片软件furobot软件进行切片分量形成轴分量的原函数f1(t)。对轴分量的原函数f1(t)进行傅里叶级数求解，得到轴分量拟合后的f2(t)，根据轴分量拟合后的f2(t)得到优化的轨迹f3(t)。检测复验拟合的轨迹f3(t)；检测拟合的轨迹f3(t)是否与三维打印中设备结构有碰撞；目标点可及检测，查看目标点是否可以到达。符合步骤5则确定轨迹f3(t)；不符合步骤5则修改傅里叶阶数k调节拟合的轨迹f3(t)或f3(t)组。\n[0087] 以上具体实施方式是对本发明提出的方案思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。