一種3D打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法、系統(tǒng)與流程

本發(fā)明涉及3d打印智能建造，特別涉及一種3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法、系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、混凝土3d打印技術(shù)是一種建筑領(lǐng)域中的新型建造方式。相比傳統(tǒng)的施工方式，混凝土3d打印技術(shù)具有建造速度快、材料利用率高、施工成本低等優(yōu)勢，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的建筑物制造。目前，混凝土3d打印技術(shù)已經(jīng)在建筑領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。

2、許多研究人員致力于改進(jìn)混凝土材料的打印路徑、打印性能、提高打印速度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的問題。由于3d打印混凝土材料的特殊性，含有懸挑構(gòu)造的異形打印結(jié)構(gòu)在打印過程中容易出現(xiàn)整體或局部失穩(wěn)從而導(dǎo)致坍塌的問題。根據(jù)現(xiàn)有研究資料，考慮到3d打印建造是結(jié)構(gòu)動態(tài)累積的過程，對于持續(xù)成型的結(jié)構(gòu)來說，其重心也會隨著打印進(jìn)展不斷變化，而重心位置是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一大因素，因此，在此類構(gòu)件的打印路徑設(shè)計(jì)過程中，一些設(shè)計(jì)方法需要結(jié)合打印構(gòu)件變化的重心數(shù)據(jù)進(jìn)而完成打印路徑設(shè)計(jì)。形心指平面圖形的面積中心或立體圖形的體積中心，即物體的幾何中心，一般情況下，對于3d打印結(jié)構(gòu)重心位置的理論計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為材料分布均勻，即重心與形心重合。因此，通過獲取打印過程中變化的結(jié)構(gòu)形心數(shù)據(jù)指導(dǎo)打印路徑設(shè)計(jì)，能充分規(guī)劃打印過程中打印層的重心位置變化，防止打印過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，進(jìn)而提高存在懸挑等構(gòu)造的柱狀結(jié)構(gòu)的打印成功率。

3、現(xiàn)有技術(shù)中對打印過程中各層片及不同打印進(jìn)度下層積結(jié)構(gòu)形心的獲取可以采用計(jì)算二維圖形和三維結(jié)構(gòu)幾何中心的數(shù)學(xué)方法計(jì)算，但不同打印進(jìn)程下打印層片或?qū)臃e結(jié)構(gòu)的幾何中心計(jì)算數(shù)量較多，若分別提取出所需計(jì)算的相應(yīng)平面或模型，再通過可用的數(shù)學(xué)軟件逐一進(jìn)行分析計(jì)算，不僅存在跨軟件的模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換難題，影響計(jì)算效率和數(shù)據(jù)使用的便捷性，且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)格式與原始模型會存在難以避免的形狀偏差，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，對于復(fù)雜模型的幾何中心計(jì)算常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)。因此，這種形心獲取方法存在計(jì)算及獲取效率低，得到的重心數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低等問題。grasshopper是3d打印從建模、切片、路徑規(guī)劃到打印控制信息轉(zhuǎn)化的常用軟件，目前暫未發(fā)現(xiàn)基于該軟件實(shí)現(xiàn)獲取打印過程中打印結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的方法。因此，需要開發(fā)一種基于grasshopper軟件的快速獲取3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中缺少基于3d打印建模及路徑規(guī)劃軟件grasshopper的模型打印過程變化的形心數(shù)據(jù)獲取方法的問題，提供一種3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法、系統(tǒng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、一種3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法，所述獲取方法是通過grasshopper插件實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

4、輸入打印結(jié)構(gòu)的模型數(shù)據(jù)和打印層厚度數(shù)據(jù)；

5、對輸入的打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行解構(gòu)，得到模型解構(gòu)后的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取所述打印結(jié)構(gòu)模型沿打印層積方向的坐標(biāo)值范圍，計(jì)算得到所述打印結(jié)構(gòu)模型的打印高度；

6、根據(jù)打印高度數(shù)據(jù)、打印層厚度數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值，利用各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值創(chuàng)建與打印層積方向垂直的平面，即得到分層切片平面數(shù)據(jù)；

7、若需要獲取打印層片形心數(shù)據(jù)，基于打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、分層切片平面數(shù)據(jù)，得到各分層切片平面與所述打印結(jié)構(gòu)模型的相交面，獲取各相交面的幾何中心位置，作為不同打印層片的形心數(shù)據(jù)；

8、若需要獲取層積結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)，基于打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、分層切片平面數(shù)據(jù)，得到分割面，采用各分割面對所述打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分割，然后篩選出不同打印進(jìn)度下已打印完成的層積結(jié)構(gòu)模型，獲取各層積結(jié)構(gòu)模型的體積中心位置，作為不同層積結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)。

9、在本發(fā)明的技術(shù)方案中，根據(jù)輸入的打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行解構(gòu)，得到頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行打印高度的計(jì)算，并根據(jù)打印高度、打印層厚度數(shù)據(jù)，對打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分層，創(chuàng)建不同的分層切片平面，明確各分層切片平面的位置，然后基于打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、分層切片平面數(shù)據(jù)，分別獲取打印層片形心數(shù)據(jù)或?qū)臃e結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)，通過獲取打印過程中變化的結(jié)構(gòu)形心數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的打印路徑設(shè)計(jì)，防止打印過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，進(jìn)而提高存在懸挑等構(gòu)造的柱狀結(jié)構(gòu)的打印成功率。

10、grasshopper是基于rhino平臺運(yùn)行的可視化編程插件，是通過參數(shù)化編制程序算法進(jìn)行運(yùn)算處理并通過rhino平臺實(shí)現(xiàn)可視化的插件，通過輸入?yún)?shù)、計(jì)算處理和輸出結(jié)果的基本邏輯來進(jìn)行，在需要考慮形心變化的打印路徑設(shè)計(jì)方法中，可以直接依托該軟件調(diào)用模型形心計(jì)算所得的相關(guān)數(shù)據(jù)，為打印結(jié)構(gòu)打印過程變化形心數(shù)據(jù)的獲取提供了高效且便捷的途徑，可以避免現(xiàn)有形心獲取方法存在的計(jì)算及獲取效率低，得到的重心數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低等問題。本發(fā)明的方法通過grasshopper插件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)打印過程中變化模型的處理、模型數(shù)據(jù)調(diào)用、形心數(shù)據(jù)的批量計(jì)算、可視化等，顯著提高了數(shù)據(jù)的獲取效率，避免了跨軟件計(jì)算存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難以及格式轉(zhuǎn)換后帶來的模型誤差所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果偏差等問題，且所得數(shù)據(jù)可直接作為后續(xù)打印路徑設(shè)計(jì)的依據(jù)數(shù)據(jù)源，簡化流程。

11、需要說明的是沿打印層積方向是指打印過程中垂直打印平面的方向，各打印層片的形心數(shù)據(jù)是指各分層切片平面與打印結(jié)構(gòu)模型相交面的形心坐標(biāo)數(shù)據(jù)。層積結(jié)構(gòu)是指當(dāng)前已完成打印的打印層堆疊形成的結(jié)構(gòu)，當(dāng)所有的打印層打印完成時(shí)，層積結(jié)構(gòu)即為整個(gè)打印結(jié)構(gòu)。層積結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)是指在不同分層切片平面高度處，已打印完成的層積結(jié)構(gòu)整體的形心數(shù)據(jù)。

12、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述打印結(jié)構(gòu)模型通過rhino平臺端或grasshopper插件構(gòu)建。

13、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在grasshopper環(huán)境下，所述打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)是通過brep運(yùn)算器進(jìn)行參數(shù)輸入，打印層厚度數(shù)據(jù)是通過number?slider運(yùn)算器進(jìn)行參數(shù)輸入。

14、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在grasshopper環(huán)境下，通過運(yùn)算器deconstruct?brep對所述打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行解構(gòu)，輸出端vertices得到模型解構(gòu)后的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。

15、作為本發(fā)明的更優(yōu)選方案，所述打印結(jié)構(gòu)模型打印高度的獲取方法為：在grasshopper環(huán)境下，利用運(yùn)算器deconstruct讀取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中沿打印層積方向的坐標(biāo)，利用運(yùn)算器bounds統(tǒng)計(jì)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)沿打印層積方向坐標(biāo)值范圍，并利用運(yùn)算器deconstructdomain提取坐標(biāo)值范圍的最小值和最大值，然后通過運(yùn)算器subtraction計(jì)算最大值和最小值的差值，以差值作為打印高度數(shù)據(jù)。

16、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，獲取各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值的方法為：對于等層厚打印，基于頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值、打印層厚度數(shù)據(jù)建立等差數(shù)列，得到各分層切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值，即首個(gè)切片平面對應(yīng)的沿打印層積方向坐標(biāo)值為首項(xiàng)，以打印層厚度數(shù)據(jù)為公差建立等差數(shù)列，數(shù)列中的各項(xiàng)值即為各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值；對于不等層厚打印，基于頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值、打印層厚度數(shù)據(jù)建立不等差數(shù)列，得到各分層切片平面的沿打印層積方向的坐標(biāo)值，即首個(gè)切片平面對應(yīng)的沿打印層積方向坐標(biāo)值為首項(xiàng)，沿打印層積方向?qū)⒏鞔蛴雍穸葦?shù)據(jù)分別作為相鄰兩項(xiàng)之間的差值，建立不等差數(shù)列，數(shù)列中的各項(xiàng)指即為各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值。

17、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在grasshopper環(huán)境下，對于等層厚打印，基于打印層厚度數(shù)據(jù)和打印高度，通過運(yùn)算器division及round得到打印層數(shù)，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值、打印層厚度數(shù)據(jù)以及打印層數(shù)輸入series運(yùn)算器，實(shí)現(xiàn)以頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值，即首個(gè)切片平面對應(yīng)的沿打印層積方向坐標(biāo)值為首項(xiàng)、打印層厚度為公差的等差數(shù)列構(gòu)建，得到不同打印層對應(yīng)的各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值數(shù)據(jù)；對于不等層厚打印，基于打印層厚度數(shù)據(jù)、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值，通過massaddition及addition運(yùn)算器連接，實(shí)現(xiàn)以頂點(diǎn)數(shù)據(jù)中坐標(biāo)最小值為首項(xiàng)，沿打印層積方向?qū)⒏鞔蛴雍穸葦?shù)據(jù)分別作為相鄰兩項(xiàng)之間差值的不等差數(shù)列構(gòu)建，得到不同打印層對應(yīng)的各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值數(shù)據(jù)。

18、作為本發(fā)明的更優(yōu)選方案，創(chuàng)建分層切片平面的方法為：將得到的各切片平面沿打印層積方向的坐標(biāo)值zi通過construct?point運(yùn)算器生成一系列點(diǎn)(0,0,zi)，然后通過xyplane運(yùn)算器創(chuàng)建分別經(jīng)過各點(diǎn)且與打印層積方向垂直的平面，即得到不同的分層切片平面。

19、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，獲取打印層片的形心數(shù)據(jù)的方法：在grasshopper環(huán)境下，基于打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、分層切片平面數(shù)據(jù)，通過brep?plane運(yùn)算器，獲取各分層切片平面與所述打印結(jié)構(gòu)模型的相交面，然后通過area運(yùn)算器計(jì)算獲取各相交面的幾何中心坐標(biāo)信息，作為不同打印層片的形心數(shù)據(jù)。

20、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，獲取層積結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)的方法：在grasshopper環(huán)境下，基于輸入的分層切片平面數(shù)據(jù)及打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)，通過plane?through?shape運(yùn)算器在各分層切片平面創(chuàng)建能夠包裹住打印結(jié)構(gòu)模型的矩形面，作為分割面，將分割面數(shù)據(jù)與打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)輸入split?brep運(yùn)算器，得到分割后的兩部分模型，將其輸入treestatistics運(yùn)算器返回兩部分模型數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的數(shù)據(jù)路徑名稱，然后基于treestatistics運(yùn)算器返回的數(shù)據(jù)路徑名稱，通過split?tree運(yùn)算器篩選出已打印完成的層積結(jié)構(gòu)模型，輸入volume運(yùn)算器計(jì)算獲取各層積結(jié)構(gòu)模型的體積中心坐標(biāo)信息。

21、本發(fā)明的另一方面提供了一種3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取系統(tǒng)，包括至少一個(gè)處理器，以及與至少一個(gè)處理器通信連接的存儲器；存儲器存儲有能夠被至少一個(gè)處理器執(zhí)行的指令，所述指令被至少一個(gè)處理器執(zhí)行，以使至少一個(gè)處理器能夠執(zhí)行所述的3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

23、1、本發(fā)明提供了3d打印過程結(jié)構(gòu)變化形心數(shù)據(jù)的獲取方法，解構(gòu)輸入的打印結(jié)構(gòu)模型得到頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行打印高度的計(jì)算，并根據(jù)打印高度、打印層厚度數(shù)據(jù)，對打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分層，創(chuàng)建不同的分層切片平面，然后基于打印結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、分層切片平面數(shù)據(jù)，分別獲取打印層片形心數(shù)據(jù)或?qū)臃e結(jié)構(gòu)整體形心數(shù)據(jù)。獲取方法通過grasshopper插件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對打印過程中變化模型的處理、模型數(shù)據(jù)調(diào)用、形心數(shù)據(jù)的批量計(jì)算等，顯著提高了數(shù)據(jù)的獲取效率，避免了跨軟件計(jì)算存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難以及格式轉(zhuǎn)換后帶來的模型誤差所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果偏差等問題，簡化流程。

24、2、采用本發(fā)明方法獲取的形心數(shù)據(jù)，覆蓋打印進(jìn)度中各切片平面對應(yīng)高度的層片及層積結(jié)構(gòu)形心數(shù)據(jù)，適用于平行切片的不同打印結(jié)構(gòu)。獲取的形心數(shù)據(jù)可直接作為后續(xù)打印路徑設(shè)計(jì)的依據(jù)數(shù)據(jù)源，從而在路徑設(shè)計(jì)過程中將結(jié)構(gòu)重心位置偏移的波動控制在一定范圍內(nèi)，有效降低打印建造過程中結(jié)構(gòu)傾覆、局部塌陷等打印失效概率，達(dá)到提升打印過程穩(wěn)定性及提高打印成功率的目的。