工程设计学报, 2024, 31(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

CUI Heng,,, MA Zongfang,, SONG Lin, LIU Chao, HAN Yixuan

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

通讯作者: 马宗方(1980—),男,安徽阜阳人,教授,博士,从事智能信息处理、智慧城市及机器视觉工业应用等研究,E-mail: mazf@xauat.edu.cn

收稿日期: 2023-07-25   修回日期: 2023-11-06  

基金资助: 国家自然科学基金面上项目.  62276207

Received: 2023-07-25   Revised: 2023-11-06  

作者简介 About authors

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 , E-mail:24854119@qq.com

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.

Keywords: concrete 3D printing ; Hamiltonian circuit ; genetic algorithm ; path optimization

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本文引用格式

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

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混凝土是一种广泛应用于建筑和基础设施的材料,混凝土3D打印技术的出现为建筑施工带来了新的机遇[1]。在实际应用中,混凝土打印与一般材料打印不同[2]:混凝土是一种非牛顿流体,其成形质量受到材料配比、打印路径和打印精度等多种因素的影响[3]。因此,混凝土材料的实际打印需要特定的设计和优化。在混凝土3D打印过程中,打印喷头的下料路径会对混凝土构件的成形质量和打印速度产生重要影响。自由设计混凝土的3D打印路径成为一个具有挑战性的难题[4]

为了解决混凝土3D打印中的路径规划问题,学者们提出了许多不同的算法,以实现在尽可能缩短打印时间和减少材料浪费的同时提高打印质量。马宗方等[5]提出了一种混凝土3D打印路径优化算法,即先采用欧拉回路生成一条可覆盖所有节点的回路,再通过蚁群算法寻找到一条最优路径,以缩短打印路径和减少材料浪费,但由于欧拉回路只考虑边而不考虑顶点,使得打印喷头可能会多次经过同一个顶点,导致混凝土构件的成形质量较差。Wan等[6]提出了一种基于超限映射的混凝土3D打印路径规划算法,该算法通过变形映射技术实现了打印路径的连续和自适应,避免了路径中断和转折的问题,有效地提高了打印质量,但该算法需要进行有限元分析和变形映射等复杂运算,会占用较多的计算资源和时间,增加了算法的复杂性和成本。Fok等[7]提出了一种基于Christofides算法的3D打印路径优化方法,旨在缩短打印路径和减少材料浪费,但该方法在实际应用中需要结合特定的打印机和打印材料进行适配和调整。王祎等[8]提出了一种基于改进Q学习的薄壁结构3D打印路径规划方法,该方法使用分层Q学习将搜索空间分解成多个子空间,并在每个子空间内使用Q学习来搜索最优路径,但由于改进Q学习需要自主学习,即要进行大量的模型训练,这可能会花费较长的时间和占用较多的计算资源。曹俊峰[9]提出了一种面向混凝土3D打印的双螺旋路径规划算法,该算法能够实现打印路径的连续性和稳定性,提高了混凝土构件的打印质量,但该算法需要打印机器人准确地按照双螺旋路径进行运动,现有的混凝土3D打印机难以实现,且执行算法所需的时间较长。

为此,本文提出了一种基于连续顶点分区[10]的混凝土3D打印路径规划算法。首先,对复杂的混凝土构件模型进行切片处理,将其转化为一系列计算机可识别的数字模型。然后,采用哈密顿回路算法求解具有最大权重的哈密顿路径,以将打印区域划分为多个连续的区域,从而确保打印过程的最大连续性。哈密顿路径的独特性在于可经过每个顶点且仅经过一次,有效避免了路径的冗余和重复,保证了打印路径的唯一性和高效性。最后,采用遗传算法来优化不同哈密顿路径之间的连接路径[11-12],从而寻找到最短路径,以实现整体打印路径的高效规划。

1 混凝土3D打印的主要流程

混凝土3D打印的主要流程如图1所示,具体步骤如下[13]。首先,利用建模软件对目标混凝土构件进行3D建模和设计,并生成STL(stereo lithography,立体光刻)模型。然后,先对STL模型进行分层切片处理并提取切片模型的数据信息,再对提取的数据点进行标记并转化为计算机能够识别的数字模型,通过路径规划模块确定最优的打印路径。接着,根据路径规划结果,将打印路径转化为G代码指令,以便3D打印机能够准确执行打印命令。最后,按一定比例配制混凝土材料并进行充分搅拌和调整,利用3D打印机按预设的G代码指令生成打印路径并逐层打印混凝土,直至形成完整的混凝土构件。

图1

图1   混凝土3D打印流程

Fig.1   Concrete 3D printing flow


2 混凝土3D打印路径规划算法

2.1 算法流程

图2所示,基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划流程主要包括以下4个步骤[14]:1)根据需求,建立待打印混凝土构件的3D打印模型;2)对混凝土构件的3D打印模型进行分层切片处理并提取各切片模型的特征,尤其是顶点以及顶点之间相连接的边,以形成计算机可识别的数字模型;3)基于哈密顿回路算法将数字模型划分为几个连续的分区;4)使用遗传算法寻找所形成分区之间的最短路径。

图2

图2   基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划流程

Fig.2   Concrete 3D printing path planning process based on continuous vertex partitioning


2.2 连续顶点分区方法

哈密顿回路是指在一个无向图中,经过图中所有顶点且每个顶点恰好经过一次的一条回路[15]。本文基于哈密顿回路的原理来寻找混凝土构件切片模型中多个连续性较强的路径分区。

在将混凝土构件3D打印模型切片转化为数字模型后,提取模型中的各个几何顶点并按顺序将其编号为V1V2,…,Vn,将对应顶点坐标分别记为(x1, y1)(x2, y2),…,(xn, yn)。通过构建邻接矩阵 T 来描述各个顶点之间的连接状况,即根据各顶点的坐标,利用式(1)计算各顶点之间的欧氏距离dij 并存入邻接矩阵 T。邻接矩阵 T 中各元素记为权重,权重为0表示顶点不相连。邻接矩阵 T 的表达式如式(2)所示。

dij=xj-xi2+yj-yi2
T=0110102012030030

对邻接矩阵 T 进行循环遍历,以判断是否存在哈密顿回路[10]。设初始搜索深度d=0,随机选择顶点Vi作为起点并将其加入当前分区,枚举与Vi相邻的且未被访问过的顶点V1V2Vj,比较邻接矩阵 TT1iT2iTji的值,将权重最大的顶点Vj加入当前分区,并将邻接矩阵 T 中的TjiTij 置为0;随后,令d=d+1,以顶点Vj为起点继续递归搜索。若枚举所有相邻的且未被访问过的顶点失败,则回溯到上一顶点,继续寻找其他路径。若当前的搜索深度d=n-1,且当前顶点与起点相邻,则找到一条哈密顿回路,即形成了一个分区,将当前分区放入二维数组A1。重复上述过程,直到完成所有哈密顿回路的搜索。在完成哈密顿回路的搜索后,对切片模型中未处理的边(即邻接矩阵中行和列不为0所对应的边)继续进行分区处理。随机选择一个还有边连接的顶点Vr 作为起点并将其加入当前分区,根据上述规则枚举和增加顶点,直到当前顶点没有相邻顶点,即形成一个分区并将其放入二维数组A1中。重复上述过程,直到邻接矩阵 T 中各元素的值全部为0。随机生成的二维数组A1可表示为:

A1=V1V5V2V3V2V7Vn-1VnVn-3

定义二维数组A,将A1中各分区的起点、终点的坐标放入二维数组A中。随机生成的二维数组A可表示为:

A=x1y1x2y2x3y3x4y4xn-1yn-1xnyn

2.3 基于遗传算法的整体路径优化

遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的优化算法,属于演化计算技术[16]。鉴于遗传算法在解决优化问题中的高效性,本文选择遗传算法来寻找连接各路径分区的最短路径[17],以实现整体路径的优化。基于遗传算法的混凝土3D打印路径的优化步骤如下。

步骤1 确定初始化参数。

在遗传算法中,初始化参数的选择对算法性能和优化结果至关重要。在本文中,设染色体长度与二维数组A中的分区数量保持一致;种群大小、交叉概率和变异概率均根据分区数量进行调整;终止条件设置为最大迭代次数为m

步骤2 计算适应度。

在遗传算法中,采用适应度函数来量化评估种群中每个个体对于解决特定问题或达成特定目标的适宜程度[18],以确定可在进化过程中生存下来的个体。在本文中,首先,从二维数组A中读取所有分区对应的起点和终点的坐标;然后,运用式(1)计算得到各个分区起点、终点与其他分区起点、终点之间的相对距离,并生成随机路径,路径按照随机排序的顺序遍历所有分区。最后,按照顺序将路径中各相邻分区相邻顶点之间的相对距离相加,得到所在路径的距离之和,记为dk。定义适应度函数Fs=1/dk,适应度值越大,表示路径质量越好。

步骤3 遗传操作。

1)选择。选择操作是指选择适应度值较大的个体作为下一代进化的父代。本文采用轮盘赌选择的方法,选择较短的路径作为父代。利用式(5)计算每条路径的累积概率Psa。质量更好的路径,有更大的概率被选中。

Psa=Fsab=1NFsb

2)交叉。交叉操作是模拟基因的重组过程。本文通过将2个父代个体对应的路径分区及该分区内2个端点的排列顺序进行交叉,以生成新的路径。

3)变异。变异操作是模拟基因的突变过程。在本文中,交叉操作是随机选择路径,将路径分区或该分区内2个端点的顺序进行随机交换,以产生新的路径。

步骤4 终止判断。

若达到最大迭代次数m,则终止计算并输出最优路径,包括分区顺序以及各分区起点和终点的坐标;否则重复执行选择、交叉和变异等操作,直到达到最大迭代次数。

3 混凝土3D打印仿真与实验分析

3.1 3D打印路径的评价指标

在混凝土3D打印领域,打印路径的质量直接影响最终混凝土构件的成形质量和性能。一条高质量的打印路径应具备高连续性和平滑的特点。常用的打印路径评价指标包括打印喷头覆盖总长度、打印喷头空行程、打印喷头启停次数以及总打印时间等。通过优化上述评价指标,能够显著提升混凝土3D打印的效率和可靠性,进而有效提升打印质量[19]

1)打印喷头覆盖总长度。打印喷头覆盖总长度是指打印喷头在移动过程中经过的距离总和。在同一打印模型中,打印喷头覆盖总长度越短,说明所采用的路径规划算法的效果越优。

2)打印喷头空行程。空行程是指打印过程中打印喷头移动但不下料的距离。在同一打印模型中,较小的空行程意味着打印路径更短、打印喷头移动更少以及打印过程更高效。

3)打印喷头的启停次数。在混凝土3D打印中,打印喷头的启动、暂停可能会造成混凝土物料堆积,如图3所示。启停次数过多会影响混凝土构件的成形质量。合理规划打印路径可以减少打印喷头的启停次数,从而提高打印效率和打印质量。

图3

图3   打印喷头启停造成的混凝土物料堆积

Fig.3   Concrete material accumulation caused by start and stop of print nozzle


4)打印时间。在混凝土3D打印中,打印时间是指混凝土构件成形所需的时间,表征打印效率和路径规划算法性能[20]。打印时间越短表示打印效率越高,即路径规划算法越优异。

3.2 混凝土3D打印仿真

利用CIMCO Edit8软件开展混凝土3D打印仿真分析,以验证本文基于连续顶点分区的路径规划算法(下文简称本文算法)的可行性,并与已有的采用欧拉回路的混凝土3D打印路径规划算法(下文简称欧拉回路算法)、Cura软件算法以及Dijkstra算法进行对比。

混凝土构件1:长、宽、高分别为1 000 mm、1 000 mm、48 mm,共4层。混凝土构件1的仿真成形结果如图4所示。将欧拉回路算法中的蚁群数量设为50,本文算法中的遗传迭代次数设为30。基于欧拉回路算法和本文算法的混凝土构件1的打印路径分区效果如图5所示。基于不同算法的混凝土构件1的打印路径规划仿真结果如表1所示。

图4

图4   混凝土构件1的仿真成形结果

Fig.4   Simulation forming result of concrete component 1


图5

图5   混凝土构件1的打印路径分区效果对比

Fig.5   Comparison of printing path partition effect of concrete component 1


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

Table 1  Simulation results of printing path planning for concrete component 1 based on different algorithms

算法打印喷头覆盖总长度/mm打印喷头空行程/mm打印喷头启停数/次打印时间/s
本文算法51 6593 5808183
欧拉回路算法53 8205 74016212
Cura软件算法61 25013 17127278
Dijkstra算法58 34010 26023245

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表1结果可知,相较于欧拉回路算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小37.6%的空行程、减少50.0%的启停次数以及缩短13.7%的打印时间;相较于Cura软件算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小72.8%的空行程、减少70.4%的启停次数以及缩短34.2%的打印时间;相较于Dijkstra算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小65.1%的空行程、减少65.2%的启停次数以及缩短25.3%的打印时间。

混凝土构件2:长、宽、高分别为600 mm、600 mm、48 mm,共4层。混凝土构件2的仿真成形结果如图6所示。同样地,将欧拉回路算法中的蚁群数量设为50,本文算法中的遗传迭代次数设为30。基于欧拉回路算法和本文算法的混凝土构件2的打印路径分区效果如图7所示。基于不同算法的混凝土构件2的打印路径规划仿真结果如表2所示。

图6

图6   混凝土构件2的仿真成形结果

Fig.6   Simulation forming result of concrete component 2


图7

图7   混凝土构件2的打印路径分区效果对比

Fig.7   Comparison of printing path partition effect of concrete component 2


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

Table 2  Simulation results of printing path planning for concrete component 2 based on different algorithms

算法打印喷头覆盖总长度/mm打印喷头空行程/mm打印喷头启停数/次打印时间/s
本文算法23 3893 76011132
欧拉回路算法26 0245 10015149
Cura软件算法30 18210 55322181
Dijkstra算法29 3329 70318163

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表2结果可知,相较于欧拉回路算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小26.3%的空行程、减少26.7%的启停次数以及缩短11.4%的打印时间;相较于Cura软件算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小64.4%的空行程、减少50.0%的启停次数以及缩短27.1%的打印时间;相较于Dijkstra算法,采用本文算法的打印路径规划方案能够减小61.2%的空行程、减少38.9%的启停次数以及缩短19.0%的打印时间。

综上,相较于其他的路径规划算法,采用本文算法进行路径规划能够显著地减小打印喷头的空行程、减少打印喷头的启停次数以及缩短打印时间。由此可得,在混凝土的3D打印中,使用本文算法进行打印路径规划可有效提高打印效率和节约成本。

3.3 混凝土3D打印实验

为了进一步验证本文算法在实际混凝土3D打印中的可靠性和实用性,基于本文算法、欧拉回路算法、Cura软件算法和Dijkstra算法开展混凝土3D打印实验并对比成形构件的外观和质量。每种路径规划算法下均打印3个混凝土构件。其中:构件1的长、宽、高分别为600 mm、600 mm、48 mm,共4层;构件2的长、宽、高分别为1 038 mm、1 000 mm、24 mm,共2层;构件3的长、宽、高分别为600 mm、520 mm、48 mm,共4层。本文所使用的混凝土3D打印机的控制器为DDCS V3.1,其打印喷头的直径为30 mm,最大移动速度为100 mm/s;混凝土构件的每一层高度均为12 mm。图8所示为基于不同算法的混凝土构件的打印成形效果。

图8

图8   基于不同算法的混凝土构件打印成形效果对比

Fig.8   Comparison of print forming effect of concrete components based on different algorithms


图8结果可知,采用欧拉回路算法、Cura软件算法和Dijkstra算法规划的打印路径存在连续性较差和打印喷头启停次数过多的问题,导致局部混凝土物料堆积和混凝土构件成形质量较差。相比之下,基于本文算法规划的打印路径连续性较高且相对平滑,实现了混凝土构件成形质量的有效提升。

基于不同算法的混凝土构件打印路径规划实验结果如表3所示。表3结果显示,在相同的打印喷头移动速度下,基于本文算法的打印路径规划方案至少减小了35.9%的打印喷头空行程、减少了27.8%的打印喷头启停次数以及缩短了14.9%的打印时间。因此,在混凝土3D打印中,应用本文算法可有效地提高混凝土构件的成形质量和降低生产成本,这意味着本文算法具有广阔的应用前景。

表3   基于不同算法的混凝土构件打印路径规划实验结果

Table 3  Experimental results of printing path planning for concrete components based on different algorithms

构件算法打印喷头覆盖总长度/mm打印喷头空行程/mm打印喷头启停数/次打印时间/s
构件1本文算法21 1014 26411195
欧拉回路算法23 4906 65317224
Cura软件算法34 50217 66524253
Dijkstra算法36 97220 13522258
构件2本文算法16 3043 38413150
欧拉回路算法19 6016 68118179
Cura软件算法23 38110 46123202
Dijkstra算法21 9879 06721232
构件3本文算法16 2019004131
欧拉回路算法18 3013 1009163
Cura软件算法28 57213 27113194
Dijkstra算法30 00814 70710212

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3.4 结果分析

综合上述混凝土3D打印路径规划的仿真结果与实验结果可知,与其他的路径规划算法相比,基于连续顶点分区的路径规划算法有效提升了混凝土3D打印路径的质量,主要体现在以下方面。

1)所采用的哈密顿回路算法是一种顶点遍历算法,能够确保打印喷头在打印过程中不会重复经过同一个顶点,减少了打印喷头的启停次数,从而缩短了打印时间、降低了打印过程的不稳定性和减少了成形构件的缺陷。

2)采用遗传算法来获得各路径分区之间的最短连接路径,尽可能地减小了打印喷头在打印过程中的空行程,以确保连续打印路径的最大化,有效地提高了打印效率和打印质量。

仿真和实验结果证明了本文算法的可行性和实用性,其在混凝土3D打印领域的应用前景非常广阔。

3.5 本文算法的迭代次数讨论

对于本文算法,遗传算法中的迭代次数m对算法的运行效率以及打印喷头空行程有重要影响。从理论上看,随着迭代次数m的增加,遗传算法搜索解空间的机会增加,即更有可能趋近全局最优解[21]。但是,过多的迭代次数不仅会增加计算成本和算法执行时间,还可能会使算法陷入局部最优解,从而无法获得最优的打印路径。因此,针对实际应用中的混凝土3D打印路径规划问题,须综合考虑路径规划的复杂性、解空间的大小,以合理设定遗传算法中的迭代次数m

对于常见的混凝土构件,本文算法通常会将其打印路径划分为2~6个分区。通过打印实验系统地分析不同迭代次数m下本文算法的运行时间以及打印喷头空行程的变化情况,结果如表4所示。

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

Table 4  Running time of algorithm in this paper and empty travel of print nozzle under different iterations

分区数量/

迭代数/次

算法运行

时间/s

打印喷头空行程/mm
2200.34243
400.78243
601.42243
3401.12337
602.18325
803.67325
4603.55458
803.98419
1005.03382
5804.93687
1005.86612
1207.34612
61007.42945
1209.09863
14010.93825

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表4结果可知,在分区数量较少的情况下,迭代次数对路径规划速度和打印喷头空行程的影响不太明显。然而,当分区数量增加时,在相同的分区条件下,迭代次数的增加会使路径规划速度变慢,但会减小打印喷头的空行程。但当迭代次数达到一定数量时,可能会导致路径规划时间增加,从而导致优化效果变差。因此,在混凝土3D打印路径的规划过程中,应根据具体情况选择合适的迭代次数,以提高路径规划的效率。

4 结 论

目前,混凝土3D打印技术的发展突飞猛进,但是关于混凝土3D打印路径规划算法的研究仍较少。本文提出了一种基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法,该算法结合哈密顿回路算法和遗传算法对打印路径进行规划和优化,可为混凝土3D打印技术提供新思路,有望推动混凝土3D打印技术在建筑施工领域的广泛应用。但是,本文算法也存在很多不足,如待打印的混凝土构件不连续时,基于本文算法的打印效率较低,这是未来需要进一步研究的问题。

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