[发明专利]一种3D打印模型的G-code并行生成方法

说明书

本发明涉及一种3D打印模型的G‑code并行生成方法，该方法通过多级架构对三维模型的G‑code导出生成进行并行化加速，具体包含四级的G‑code并行化生成，分别为计算节点级、多进程级、多线程级和GPU级。在每一层次的并行化中，依据当前层次的地址空间分布、访存方式及数据结构特点设计了相应的任务划分与数据交互方案，使得各并行执行单元负载均衡及减少数据通信量。本发明减少了三维模型G‑code生成的耗时，提升处理器计算资源的使用率，并支持工业级大尺寸大数据量三维模型的G‑code处理生成。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种3D打印模型的G-code并行生成方法。

背景技术

增材制造，又称3D打印，是一种新型的工业制造技术，主要通过计算机对STL模型文件进行处理生成G-code，打印机器在G-code的控制下叠加原材料，实现三维模型的实体打印。这种新型的打印技术，相比于传统制造方式，使得打印的模型更精确，尺寸更大，并且更加节省原材料。而G-code生成转换是对三维模型的数据处理的最后一步，主要是对前驱处理过程所生成的轮廓线进行路径规划，并将规划出来的路径按照G-code标准进行“翻译”，转换为G-code文件。

G代码又称G-code，是一种广泛使用的数控编程语言，主要是用来通过计算机来控制机器按照给定的路径进行移动操作等。3D打印机由于制造厂商的不同，G-code虽然有着不同的风格，但是都基于G-code语言标准。随着越来越多工业领域将3D打印技术应用到了生产链上，对打印的模型的尺寸和数据量提出了更高的要求，例如制造核电站的核内3米多外径的关键构建。这种大型应用场景的增多，使3D打印处理过程的耗时问题至关重要。而G-code代码生成部分，又是增材制造模型数据处理中的最重要，也是最耗时的一步。现有的技术，主要是串行解决方案来生成G-code，有的技术使用了单进程内多线程的方案来加速G-code代码的生成转换，但是在处理工业级超大规模的模型时，受限于单计算节点的计算能力，G-code生成效率及成功率不高，而现有计算机多核处理器为主，该过程对计算资源的利用不充分。

发明内容

要解决的技术问题

为了减少三维模型G-code生成的耗时，提升处理器计算资源的使用率，并支持工业级大尺寸大数据量三维模型的G-code处理生成。由于3D打印流程是按层打印处理，层与层之间的G-code代码关联性不大，G-code代码生成具有很好的并行潜力。故本发明提出了一种3D打印模型的G-code多级并行生成方法，其设计了一种四级生成方案，利用计算机的各执行处理单元并行处理，达到支持大规模大尺寸模型的G-code处理和降低大尺寸模型G-code生成耗时的效果。

技术方案

一种3D打印模型的G-code并行生成方法，包括STL模型在集群间的数据分配，多进程级的轮廓线生成，线程级的G-code生成，GPU级的G-code数据计算，G-code文件的合并。其中，G-code生成和计算主要是依照生产者-消费者模型进行生成处理。总步骤如下：

步骤1：计算节点级及进程级数据并行化。在集群内，以面片为基本单元在计算节点间做数据分配，将原有的模型文件切分为多个子模型文件并分配给每个计算节点。每个节点将子模型文件的面片数据按照面片Z值和所需打印层数的对应关系平均划分给每个进程；

步骤2：多进程级的轮廓线生成。在单个节点内，由每个进程对分配到的数据进行STL文件的面片按层切割，并将切割后生成的切线段进行连接，生成轮廓线数据。之后在进程内，按层对横截面内的所有初始轮廓线进行区域划分，在每个初始轮廓线内生成墙壁区域的轮廓线数组和填充区域的轮廓线。

步骤3：多线程G-code路径生成。在单节点中的单个进程内，生成多个生产者线程和一个消费者线程。依照层数，将路径的生成任务平均分发给每个生产者线程，由生产者线程来执行每层轮廓线的路径规划。