三维网格模型的布尔运算方法

提出了一种基于三维网格模型的布尔运算方法。首先通过基于方向包围盒（OBB）层次包围盒树的碰撞检测算法,得到实体的相交三角形对;接下来求出两相交三角形之间的交线,建立与三角形的交线拓扑关系;通过分类处理三种交线类型来对相交三角形进行区域划分,得到一系列多边形,并对多边形进行三角剖分形成结果区域;最后根据体的包含关系构建关系邻接表,判断多边形区域的相对于其他实体的内外关系并通过网格模型的拓扑关系,定位表面三角网格区域;同时根据交、并、差等布尔操作,对结果区域进行取舍,得到最终结果。实验结果表明相交部分的岩性与实体的岩性相吻合,验证了该算法的正确性以及可行性。     

多边形Voronoi图填充算法在3D打印中的研究

为了解决3D打印路径填充往复扫描时模型外壁发生形变、减少打印机喷嘴空驶及减少打印变加速次数,人们引用Voronoi图理论进行层面路径规划.这种方法现在在简单多边形的路径规划中已得到很好的应用,但是在对复杂度较高多连通多边形路径规划上容易产生大量的数据冗余.为了解决这些问题,结合利用图像分割边缘化处理技术,对构造复杂度较高的多边形Voronoi图路径填充的算法进行了改进,并用Python语言实现了该算法.     

基于CSR存储的三维网格最短路径算法

论文针对数据组织结构导致Dijkstra算法的存储空间、邻接关系检索效率等关键问题,介绍了相关研究工作。并针对三维网格模型的邻接关系为稀疏图这一要点,基于三维网格模型的CSR存储结构,给出了记录Dijkstra最短路径的算法。该文算法返回了最短路径长度,记录最短路径上点集,充分利用了中间计算结果。     

基于STL文件的柱状支撑结构自动生成算法

熔融挤压三维打印以热塑性材料为原料逐层打印完成,由于熔丝只能沉积在已存在的物体上层,模型悬空部位需要添加支撑结构。为解决该问题,提出一种基于STL(Stereo Lithography)文件的稀疏柱状支撑结构自动生成算法。算法通过对比三角面片倾斜角度与模型临界角的大小,获取独立的待支撑区域,然后基于边长自适应法和射线与面片相交法得到待支撑点集,自动生成支撑结构。此外为了保证模型表面质量和支撑结构的稳定性,支撑结构不在模型表面生成。调整支撑结构形状,进一步提高支撑结构的稳定性。通过实验证明本文算法比Cura软件节约15%的材料消耗,支撑结构更容易剥离,模型表面质量更好。     

3D打印模型切片及路径规划研究综述

3D打印包括建模、分层切片、路径规划及打印等过程。对3D打印中三维模型数据处理技术核心--切片和路径规划进行综述。介绍3D打印切片软件中针对单材料不同格式的模型切片处理方法,阐明了3D打印中的不同工艺参数影响下的切片算法,包括各类分层切片算法和扫描填充算法,说明每种算法的优缺点,并对现有的单相均质模型切片算法进行对比分析与评价,总结模型切片处理算法的不足,提出改进方向以及未来研究多材料3D打印模型数据处理的切入点。     

基于扩展总变差正则项的三维网格模型修复算法

针对特征保持的三维网格模型孔洞修复问题,提出一种基于扩展总变差正则项的修复算法.首先,根据邻接三角形中边界边的性质识别孔洞边界,利用动态规划方法重构孔洞区域的连接关系;然后,建立适用于三维网格模型修复的变分优化模型;最后,引入增广拉格朗日方法求解变分模型,迭代地优化三维网格模型的顶点位置.以带有孔洞的三维网格模型为数据,与2种基于体素的修复算法以及1种基于曲面的修复算法进行对比实验,实验结果表明,该算法能够有效地修复孔洞区域特征,在保持三维网格模型原始特征的同时全局地重建整个模型.     

面向3D打印体积极小的拓扑优化技术

与传统制造所生产的产品相比,3D打印产品的成本仍相对较高.因此,如何能在不牺牲打印物体表面质量的前提下通过模型优化来减少打印材料消耗,对于降低打印成本至关重要.针对这一问题,借鉴传统渐进结构优化方法,结合Von Mises应力计算,给出一种面向3D打印体积极小的拓扑优化算法.该算法通过模型力学计算所得的最大Von Mises应力与材料允许应力之比来引导模型体积减小进化,直至最大Von Mises应力达到允许应力值为止.同时,引入多分辨率技术,由粗网格再到细网格进行优化计算,有效地提高了计算效率.与现有其他给定结构模式的方法相比,该优化结果能更好地体现模型荷载受力的传递路径.     

四面体胞的尽可能刚性网格变形算法

提出一种基于四面体胞的尽可能刚性三角形网格变形算法。用户通过操作网格上的若干顶点以得到所需的模型变形结果。首先,算法对网格模型内部进行稀疏四面体化,以产生一个贴合模型表面的四面体胞集。在模型变形过程中,算法通过最小化相应的变形能量函数,以保持网格模型表面局部区域的刚性以及每个四面体胞的刚性,从而有效避免模型表面及其内部的扭曲。同时,针对大尺度编辑可能造成的模型局部塌陷,提出一种简单的四面体胞自适应剖分方法,根据模型局部体积的剧烈变化,自动剖分对应的四面体胞以增加模型内部的局部变形自由度,进而消除不正确的变形效果。此外,自适应的四面体胞剖分允许算法在初始时只需对网格模型进行稀疏的四面体化,而在变形过程中根据需要进一步提高四面体胞的局部稠密度,因而保证了算法的鲁棒性及其效率。实验结果表明,该变形算法可以有效保持模型的表面细节以及模型的内部体积,并能够有效避免模型形状在大尺度变形时的局部退化。     

多边形网格的非流形封闭三角形网格正则化

为了提高基于网格模型的算法与应用的效率和稳定性,提出一种将任意多边形网格模型转化为正则三角网格模型的算法.首先对输入多边形网格模型中非三角形的面片进行三角剖分,然后查找并移除模型中的重合或重叠元素,再通过模型内部三角形求交对模型进行边和面的分割,从而修正模型的拓扑结构;在求交的过程中,根据边和三角形的位置关系对共面求交进行细致的分类处理,减少了求交次数,提高了算法的稳定性;最后循环搜索在网格模型中可以确定法向的种子三角形,通过拓扑结构调整与之相邻的三角形的法向,最终构成一个或多个法向确定的闭合曲面.实验结果表明,该算法能够将多边形网格转化为正则三角形网格模型.     

熔丝沉积制造中稳固低耗支撑结构生成

熔丝沉积制造(Fused deposition modeling, FDM)是利用熔融塑料丝的一种3D打印技术,热塑料由喷嘴喷出逐层堆积完成打印.由于熔丝只能沉积在已存在物体的上层,因此需要构造支撑结构以支撑悬空部分.针对现有支撑结构生成算法中存在的或结构不稳固或耗材多的缺陷,提出一种以熔丝为支撑单位的树形稀疏支撑结构.与传统算法计算模型表面支撑区域不同,本算法计算每段熔丝需要支撑的区域,使支撑结构更契合熔丝沉积特点.算法还将支撑结构分为三类,将多约束优化问题分解,降低算法复杂度.实验结果表明,本文算法生成的支撑结构算法耗材少、支撑稳定.     

改进Q学习的薄壁结构3D打印路径规划

3D打印是一项先进的制造技术,通过优化其中路径规划方案可以提高效率或成型质量。由于用于3D打印路径规划的传统方法在打印复杂薄壁结构时效果不佳,该文结合强化学习的智能性,提出了一种适用于复杂薄壁结构的路径规划方法。基于3D打印中的路径规划是填充任务,将强化学习中的路径规划任务转换为全遍历问题。为提高打印效率和成型质量,以最小化打印总成本为优化目标,根据优化目标设计强化学习中的约束条件,即最小化打印头的启停和转弯次数。建立单层切片的仿真环境,采用带有上述约束条件的Q-learning算法,通过计算总成本的值来引导学习,寻找最优路径方案。实验结果表明,该方法在打印复杂薄壁结构上的表现优于用于3D打印路径规划的传统方法。     

一种提高FDM三维打印系统成型效率的算法

目前,FDM三维打印系统制件加工时间比较长,成型效率较低。在权衡加工时间和加工精度的前提下,从切片层厚和层扫描速度控制的角度,提出了一种基于面积变化率的自适应切片层厚控制和基于周长变化率的自适应层扫描速度控制相结合的算法。首先通过二维轮廓面积变化情况计算每层切片数据的层厚值;然后用获得的层厚数据对模型进行切片,得到每层可打印的真实轮廓;最后计算每层二维多边形轮廓的周长,并根据周长的变化情况确定该层合适的扫描速度。实际打印测试结果表明,该算法可以有效降低打印时间,提高成型效率,验证了算法的有效性。     

基于灰度图像边缘检测的3D游戏路径搜索*

着重研究了3D游戏中路径搜索算法。其路径搜索算法内容包括障碍认知与标志、A*路径规划、高度代价函数与路径最短相结合的,由计算粒度引出的基于静态障碍物体碰撞检测的动态路径规划。该算法在实际的游戏引擎中进行了测试,其效率和实时性都满足要求。     

基于改进粒子群算法的多机器多任务3D打印智能调度方法

针对批量3D打印成本高,多机器多任务的3D打印批次调度复杂的问题,建立以最小单位体积平均成本为目标的优化模型,并提出一种基于改进粒子群算法的智能调度方法求解该模型;首先,分析打印工场、生产流程,构建3D打印单位体积平均成本模型;之后基于改进粒子群算法,以单位体积平均成本为适应度,以调度序列为粒子的位置信息,采用十进制顺序二维编码方式表示问题的解,并在更新策略上应用线性递减权值的动态惯性因子来调整全局与局部的搜索能力;算法迭代后,得到目标函数最优值及对应解集;经实验算例结果表明,该方法较单独打印加工的单位体积平均成本降低了0.101 3GBP/cm3,有效地降低工厂生产的总成本,提高了3D打印机的利用效率。     

基于应力分布的3D打印壳模型构造与优化

近年来,愈发成熟的3D打印技术拉近了模型设计与产品制造的距离.但高昂的材料费用仍是制约其发展的重要因素.因此,如何在不改变模型外观的情况下进行模型结构的优化,以此来减少模型的打印体积、降低打印成本是亟待解决的问题.针对该问题,本文提出一种基于应力分布的壳模型构造和优化算法.该算法首先基于模型的体素化表示构造距离场,提取出初始的均匀厚度壳模型.然后基于顶点的von Mises应力,自适应的向外扩张内表面,调整各部位厚度,直到达到相关约束条件.优化得到的内表面与输入的外表面围成最终的优化模型.实验结果表明,在满足外观不变、力学稳定等约束的同时,优化得到的壳模型体积为输入模型体积的17.2%~24.4%,大幅减少了模型的打印体积,有效降低了打印成本.     

熔丝制造的三维连续编织填充图案

为提高熔丝制造(FFF)工件的机械强度,降低各向异性,提出一种3D连续编织路径规划方法.采用连续纤维增强丝材作为打印材料,设计了1个8层循环结构,利用3D打印机喷嘴挤出丝材生成经纬纱线,控制FFF平台在z方向的运动,生成类似3D编织的连续沉积路径,不同层的纤维相互交错和嵌入以实现相邻切片平面之间的互锁,以提高层内与层间...     

室内场景下应用拓扑结构的高效路径规划算法

针对基于随机采样的路径规划算法效率低且采样具有随机性的问题,提出一种应用拓扑结构的高效路径规划算法ATIRRT^*。通过引入拓扑节点代替STIRRT*算法中Harris角点检测算法得到的特征点进行采样,给出基于阈值的自适应选择方法来消除路径骨架上提取的冗余特征点,利用该阈值得到的拓扑节点可以使随机树的扩展更具方向性,从而减少寻找初始路径的时间和代价。根据非单一父节点的连接方式加强交叉支路上的拓扑节点间的联系,通过节点扩充策略增加相邻拓扑节点间的节点数量以加快优化算法的收敛。在此基础上定义相关约束条件将初始路径分段并进行逐段优化,以提高优化算法的效率。在常规环境、狭长空间和仿真的室内环境3种类型地图上的仿真结果表明,相较于STIRRT^*算法,改进算法在规划路径长度上平均减少8%,在规划时间上平均降低10%,可快速地找到更优的初始路径,同时在优化过程中减少了无用的探索空间,提高了搜索效率。     

基于神经网络的3D打印批次排样研究

针对3D打印批次排样是一个建立在多约束条件下的复杂优化问题,本文提出一种基于Hopfield人工神经网络的3D打印批次排样方法。通过对3D打印批次排样目标的设定,建立了Hopfield人工神经网络的能量函数。通过神经网络优化计算,实现了将3D打印工件在三维空间的排布问题转化为二维图形的输出。该算法实用性强,提高了工件的加工效率。     

最短路径Dijkstra算法改进

本文提出改进型最短路径Dijkstra算法,以凸边形障碍物的顶点为网络节点,最短路径为代价函数,寻找一条连接起始点与终点之避障路径。通过顺时钟方向搜寻与逆时钟针方向搜寻两种模式,可大幅减小所有节点代价函数的评估时间。