基于连续顶点分区的混凝土<strong>3D</strong>打印路径规划算法

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.189

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (3): 271-279 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.189

机械设计理论与方法

基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法

崔衡(

),马宗方(

),宋琳,刘超,韩怡萱

西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安 710055

Path planning algorithm for concrete 3D printing based on continuous vertex partitioning

Heng CUI(

),Zongfang MA(

),Lin SONG,Chao LIU,Yixuan HAN

College of Information and Control Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China

全文: PDF(2536 KB) HTML

摘要：

针对混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，提出了一种基于连续顶点分区的路径规划算法。首先，采用基于哈密顿回路的连续顶点分区方法，将打印区域划分为多个连续的区域，以确保在打印过程中打印喷头不会多次经过同一顶点，从而避免了重复打印和成形质量差的问题。然后，使用遗传算法搜索每个区域，通过迭代和优化来确定最短的打印路径。实验结果表明，与其他路径规划算法相比，所提出的算法能够显著减少打印喷头的空行程和启停次数，且缩短打印时间10%以上，有效地提升了混凝土构件的成形质量与打印效率。基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法通过有效划分打印区域、智能搜索最短路径以及合并优化路径的方式，解决了混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，这可为混凝土3D打印技术的发展和应用提供有力的技术支持。

关键词： 混凝土3D打印; 哈密顿回路; 遗传算法; 路径优化

Abstract:

Aiming at the problems of poor forming quality and long printing time of concrete 3D printing components, a path planning algorithm based on continuous vertex partitioning was proposed. Firstly, the continuous vertex partitioning method based on Hamiltonian circuit was used to divide the print area into several continuous regions to ensure that the print nozzle would not pass the same vertex many times during the printing process, thus avoiding the problem of repeated printing and poor forming quality. Then, the genetic algorithm was used to search each region, and the shortest printing path was determined through iteration and optimization. The experimental results showed that compared with other path planning algorithms, the proposed algorithm could significantly reduce the empty travel and start-stop times of the print nozzle, and shorten the printing time by more than 10%, which effectively improved the forming quality and printing efficiency for concrete components. The concrete 3D printing path planning algorithm based on continuous vertex partitioning solves the problems of poor forming quality and long printing time of concrete components by effectively dividing the print area, intelligentiy searching the shortest path and combining the optimal path, which can provide strong technical support for the development and application of concrete 3D printing technology.

Key words: concrete 3D printing Hamiltonian circuit genetic algorithm path optimization

收稿日期: 2023-07-25 出版日期: 2024-06-27

CLC:

TP3-05

基金资助: 国家自然科学基金面上项目(62276207)

通讯作者: 马宗方 E-mail: 24854119@qq.com;mazf@xauat.edu.cn

作者简介: 崔　衡（2001—），男，陕西渭南人，硕士生，从事混凝土3D打印路径规划研究，E-mail: 24854119@qq.com，https://orcid.org/0009-0008-5254-8023

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引用本文:

崔衡,马宗方,宋琳,刘超,韩怡萱. 基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 271-279.

Heng CUI,Zongfang MA,Lin SONG,Chao LIU,Yixuan HAN. Path planning algorithm for concrete 3D printing based on continuous vertex partitioning[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 271-279.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.189 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/271

图1 混凝土3D打印流程

图2 基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划流程

图3 打印喷头启停造成的混凝土物料堆积

图4 混凝土构件1的仿真成形结果

图5 混凝土构件1的打印路径分区效果对比

表1 基于不同算法的混凝土构件1的打印路径规划仿真结果

图6 混凝土构件2的仿真成形结果

图7 混凝土构件2的打印路径分区效果对比

表2 基于不同算法的混凝土构件2的打印路径规划仿真结果

图8 基于不同算法的混凝土构件打印成形效果对比

表3 基于不同算法的混凝土构件打印路径规划实验结果

表4 不同迭代次数下本文算法的运行时间以及打印喷头的空行程

1	盛蕾，武雷.3D打印混凝土技术研究综述［J］.混凝土与水泥制品，2021（10）：7-11. SHENG L， WU L. Summary of 3D printed concrete technology research［J］. China Concrete and Cement Products， 2021（10）： 7-11.
2	王猛.增材制造直接分层和路径规划技术研究［J］.机械工程与自动化，2018（6）：34-35，38. doi：10.3969/j.issn.1672-6413.2018.06.012 WANG M. Research on direct slicing and path planning technology of additive manufacturing［J］. Mechanical Engineering & Automation， 2018（6）： 34-35， 38. doi: 10.3969/j.issn.1672-6413.2018.06.012
3	汤寄予，席义斌，高丹盈，等.3D打印混凝土的可打印性研究综述［J］.混凝土与水泥制品，2022（12）：18-23. TANG J Y， XI Y B， GAO D Y， et al. Review on printability of 3D printed concrete［J］. China Concrete and Cement Products， 2022（12）： 18-23.
4	崔凤英，李晓微.3D打印路径规划研究［J］.青岛科技大学学报（自然科学版），2020，41（2）：101-105. CUI F Y， LI X W. Research on 3D printing path planning［J］. Journal of Qingdao University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2020， 41（2）： 101-105.
5	马宗方，万伟鹏，宋琳，等.采用欧拉回路的混凝土3D打印路径优化算法［J］.机械科学与技术： 1-7（2023-02-21）［2023-07-15］.. MA Z F， WAN W P， SONG L， et al. Path optimization algorithm for concrete 3D printing using the Euler circuit［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering： 1-7 （2023-02-21）［2023-07-15］. .
6	WAN Q， WANG L， MA G W. Continuous and adaptable printing path based on transfinite mapping for 3D concrete printing［J］. Automation in Construction， 2022， 142： 104471.
7	FOK K Y， GANGANATH N， CHENG C T， et al. A 3D printing path optimizer based on christofides algorithm［C］//2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics. Nantou， Taiwan， China， May 27-29， 2016.
8	王祎，葛静怡，薛昕惟，等.改进Q学习的薄壁结构3D打印路径规划［J］.计算机工程与应用，2022，58（12）：299-303. doi：10.3778/j.issn.1002-8331.2012-0438 WANG Y， GE J Y， XUE X W， et al. Path planning for complex thin-walled structures in 3D printing： improved Q-learning method［J］. Computer Engineering and Applications， 2022， 58（12）： 299-303. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2012-0438
9	曹俊峰.面向3D混凝土打印的双螺旋路径规划算法研究与施工作业系统搭建［D］.武汉：华中科技大学，2021. CAO J F. Research on 3D concrete printing-oriented double helix path planning algorithm and construction operation system construction［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2021.
10	高遵海，陈倬.图的路径运算矩阵与哈密顿回路等路径问题［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2021，49（2）：32-36. doi：10.13245/j.hust.210204 GAO Z H， CHEN Z. Path-operation matrices of graph for solving Hamilton cycles and other path problems［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2021， 49（2）： 32-36. doi: 10.13245/j.hust.210204
11	王港华.基于遗传算法的小规模TSP问题研究分析［J］. 物流工程与管理，2022，44（3）：111-114. doi：10.3969/j.issn.1674-4993.2022.03.031 WANG G H. Research analysis of small-scale TSP problem based on genetic algorithm［J］. Logistics Engineering and Management， 2022， 44（3）： 111-114. doi: 10.3969/j.issn.1674-4993.2022.03.031
12	胡作玄，王献芬.两个古老的回路问题［J］.科学世界，2007（5）：82-89. HU Z X， WANG X F. Two ancient circuit problems［J］. Science World， 2007（5）： 82-89.
13	张大旺，王栋民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展［J］.硅酸盐通报，2015，34（6）：1583-1588. ZHANG D W， WANG D M. Progress of 3D print of concrete materials and concrete construction technology［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2015， 34（6）： 1583-1588.
14	黄舒弈，张宇，徐卫国.机器人3D打印建筑的打印路径规划方法探索［J］.建筑技艺，2022，28（7）：79-81. doi：10.3969/j.issn.1674-6635.2022.07.010 HUANG S Y， ZHANG Y， XU W G. Exploring tool path planning methods of the robotic 3DP construction［J］. Architecture Technique， 2022， 28（7）： 79-81. doi: 10.3969/j.issn.1674-6635.2022.07.010
15	叶志琳.基于邻接矩阵和递归算法的哈密顿回路研究［J］.佳木斯大学学报（自然科学版），2022，40（4）：164-167. YE Z L. Research on Hamiltonian loop based on adjacency matrix and recursive algorithm［J］. Journal of Jiamusi University （Natural Science Edition）， 2022， 40（4）： 164-167.
16	陈旭.基于遗传算法的移动机器人路径规划研究综述［J］.科技和产业，2023，23（8）：274-278. doi：10.3969/j.issn.1671-1807.2023.08.042 CHEN X. Summary of research on path planning of mobile robot based on genetic algorithms［J］. Science Technology and Industry， 2023， 23（8）： 274-278. doi: 10.3969/j.issn.1671-1807.2023.08.042
17	尹雅楠.基于改进遗传算法的无人机航迹规划与任务分配方法研究［D］.石家庄：河北科技大学，2023. YIN Y N. Research on UAV path planning and task allocation method based on improved genetic algorithm［D］. Shijiazhuang： Hebei University of Science and Technology， 2023.
18	刘树赵，邹德旋，罗鸿赟，等.改进遗传算法求解旅行商问题［J］.计算机时代，2023（5）：66-71. LIU S Z， ZOU D X， LUO H Y， et al. Improved genetic algorithm to solve traveling salesman problem［J］. Computer Era， 2023（5）： 66-71.
19	雷聪蕊，葛正浩，魏林林，等.3D打印模型切片及路径规划研究综述［J］.计算机工程与应用，2021，57（3）：24-32. doi：10.3778/j.issn.1002-8331.2009-0106 LEI C R， GE Z H， WEI L L， et al. Review of 3D printing model slicing and path planning research［J］. Computer Engineering and Applications， 2021， 57（3）： 24-32. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2009-0106
20	翟晓雅，陈发来.分形模型的3D打印路径规划［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2018，30（6）：1123-1135. doi：10.3724/sp.j.1089.2018.16618 ZHAI X Y， CHEN F L. 3D printing path planning of fractal models［J］. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics， 2018， 30（6）： 1123-1135. doi: 10.3724/sp.j.1089.2018.16618
21	圣文顺，徐爱萍，徐刘晶.基于蚁群算法与遗传算法的TSP路径规划仿真［J］.计算机仿真，2022，39（12）：398-402，412. doi：10.3969/j.issn.1006-9348.2022.12.073 SHENG W S， XU A P， XU L J. Simulation of traveling salesman path planning based on ant colony algorithm and genetic algorithm［J］. Computer Simulation， 2022， 39（12）： 398-402， 412. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2022.12.073

[1]	余晓波,陈素姣,章勇华,马彬隽. 基于遗传算法的集中式传动系统齿轮修形及模态优化研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 340-347.
[2]	冀炳晖,茅健,钱波. 基于遗传算法-模糊PID的双喷头FDM型3D打印机温度控制方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 151-159.
[3]	田雅琴,胡梦辉,刘文涛,侯寅智. 基于跳点搜索-遗传算法的自主移动机器人路径规划[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 697-706.
[4]	赵迪,陈果,陈小利,王熊锦. 轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 579-589.
[5]	窦方健,邱清盈,管成,邵锦杰,吴海峰. 大转动惯量缠绕机加减速曲线优化设计[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 503-511.
[6]	米鑫,李虹,郭彦青,高宏伟,王浩楠,宁羿帆. 基于线性回归的单柱塞泵单向阀参数优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 705-712.
[7]	李琴,贾英崎,黄玉峰,李刚,叶闯. 一种工业机器人多目标轨迹优化算法[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 187-195.
[8]	丁述勇, 张征, 丁文洁, 林勇. 多巷道式立体车库优化设计与车辆存取策略研究[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 443-449.
[9]	张帅, 韩军, 涂群章, 杨小强, 杨旋. 基于GA-NLP的剪刀式折叠桥梁展桥机构多目标优化设计[J]. 工程设计学报, 2020, 27(1): 67-75.
[10]	刘春青, 王文汉. 基于人工神经网络-遗传算法的展成法球面精密磨削参数优化[J]. 工程设计学报, 2019, 26(4): 395-402.
[11]	马天兵, 王孝东, 杜菲, 王鑫泉. 基于GA-SVM的刚性罐道故障诊断[J]. 工程设计学报, 2019, 26(2): 170-176.
[12]	邓星, 于兰峰, 雷聪, 徐江平, 肖泽平. 基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计[J]. 工程设计学报, 2018, 25(3): 288-294.
[13]	唐维, 谢延敏, 黄仁勇, 张飞, 潘贝贝. 基于自适应SVR-ELM混合近似模型的镁合金差温成形本构参数反求[J]. 工程设计学报, 2017, 24(5): 536-544.
[14]	程兵, 于兰峰, 吴永明, 符康. 基于响应面法的地坑式架车机轻量化研究[J]. 工程设计学报, 2016, 23(6): 606-611.
[15]	邱瑞斌, 雷飞, 陈园, 王琼. 基于权重比的车架多工况拓扑优化方法研究[J]. 工程设计学报, 2016, 23(5): 444-452.

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