《計算機輔助制造實踐——Python實現(xiàn)三維打印路徑規(guī)劃》實現(xiàn)Python+3D打印CAM技術(shù)

​南極熊導讀：浙江大學博士寫的這本書《計算機輔助制造實踐——Python實現(xiàn)三維打印路徑規(guī)劃》,，是市面上非常難得的一本關(guān)于3D打印路徑規(guī)劃軟件類的專業(yè)書籍​,。強烈推薦業(yè)內(nèi)人士閱讀（文末有聯(lián)系方式）,。

計算機輔助制造（CAM）是計算機輔助設(shè)計（CAD）和數(shù)控加工（CNC）的中間環(huán)節(jié),，主要負責將三維模型轉(zhuǎn)化（翻譯）為數(shù)控加工設(shè)備可以識別的NC代碼,，是機械制造領(lǐng)域重要研究課題之一�,！队嬎銠C輔助制造實踐——Python實現(xiàn)三維打印路徑規(guī)劃》旨在介紹CAM刀具路徑生成相關(guān)底層算法的設(shè)計,、開發(fā)、應用及實踐,。為方便讀者理解,、學習和實踐，本書以三維打印為例,，涵蓋三維打印CAM模型載入,、切片生成、路徑生成與優(yōu)化,、支撐生成與優(yōu)化等各環(huán)節(jié),，提出了一系列通用、簡潔,、高效,、易于理解和實現(xiàn)的CAM算法。本書選用Python作為算法講解和實現(xiàn)語言,，方便讀者上手,，讀者只需掌握基礎(chǔ)數(shù)學知識，便能讀懂此書,，練習書中算法,。本書相關(guān)CAM路徑規(guī)劃算法可推廣至數(shù)控車削、銑削,、磨削以及激光加工等其他數(shù)控加工場合,。

出版信息
書名：《計算機輔助制造實踐——Python實現(xiàn)三維打印路徑規(guī)劃》
作者：林志偉、傅建中 著
出版社：浙江科技出版社
定價：66.00元

該書特色

• 趣味性,�,；�于Python這門語法簡單、極易上手的“網(wǎng)紅”編程語言,，面向當下熱門的三維打印應用,，以生動、風趣的語言,，介紹并實現(xiàn)三維打印路徑規(guī)劃方法,，所見即所得。
  

圖. Python + 3D打印路徑規(guī)劃

• 系統(tǒng)性,。從搭建基礎(chǔ)計算幾何庫及三維幾何實體可視化平臺著手,，涵蓋三維打印路徑規(guī)劃涉及的：STL模型切片截交、截交線段拼接,、STL模型拓撲切片,、輪廓平行路徑生成,、方向平行路徑生成、填充方向優(yōu)化,、打印支撐生成,、打印支撐優(yōu)化、模型端面識別及NC代碼生成等各環(huán)節(jié),，提出了一系列通用,、簡潔、高效的路徑規(guī)劃算法,。
  

圖. 三維打印CAM系統(tǒng)需要解決的問題

• 基礎(chǔ)性,。涵蓋：計算幾何中點、向量,、矩陣等基礎(chǔ)類型的構(gòu)建以及空間幾何實體相交,、包含等關(guān)系的判斷方法，掃描線或掃描平面快速截交算法,，字典序概念及基于字典序排序的線段快速拼接算法,，半邊結(jié)構(gòu)及基于拓撲模型的追蹤切片方法，平面曲線偏置算法及基于偏置的輪廓路徑生成方法,，平面輪廓布爾運算,、平面區(qū)域填充線生成方法等。
  

圖. 三維打印路徑規(guī)劃中的計算幾何基礎(chǔ)概念和算法

• 科學性,。在路徑規(guī)劃過程中提出了一系列高效,、穩(wěn)定、實用的算法,，如：基于層高匹配的STL模型快速截交算法,、基于字典查詢法的截交線段快速拼接算法、平面曲線包含關(guān)系快速確定方法,、基于凹峰點的輪廓區(qū)域分區(qū)方法,、最少跳刀填充方向優(yōu)化方法、基于改進粒子群算法的打印支撐量優(yōu)化方法,、基于布爾運算的模型端面識別方法等,。
  

圖. 三維打印路徑規(guī)劃核心算法

• 實踐性。該書中涉及的計算幾何基礎(chǔ)庫及所有三維打印路徑規(guī)劃方法都已使用Python語言實現(xiàn),，讀者只需具備基礎(chǔ)數(shù)學知識即可讀懂此書,，并在個人電腦上實踐及優(yōu)化書中相關(guān)算法，最后在三維打印機上驗證算法及路徑,。建議有C++基礎(chǔ)的讀者使用C++重構(gòu)書中算法,。
  

圖. 三維打印路徑規(guī)劃算法實踐結(jié)果（使用VTK顯示）

• 拓展性。該書涉及的相關(guān)路徑規(guī)劃算法具有一定的拓展性,，只要稍加改進,，便能推廣至數(shù)控車銑削路徑規(guī)劃,、工業(yè)機器人路徑規(guī)劃、激光加工路徑規(guī)劃以及其他通用路徑規(guī)劃應用（如掃地機器人路徑規(guī)劃,、AGV路徑規(guī)劃等）。
  

圖. 本書路徑規(guī)劃算法推廣應用

目標讀者

• 高校機械類專業(yè)高年級本科生或研究生
• 高校計算機類,、電氣類,、控制類等專業(yè)學生
• 數(shù)控或三維打印從業(yè)人員
• 計算機輔助設(shè)計及制造軟件開發(fā)人員
• 路徑規(guī)劃算法研發(fā)人員
• 對三維打印或Python編程感興趣的讀者
  

作者介紹

林志偉，博士,，博士后,。2014年獲浙江大學機械制造及其自動化專業(yè)工學博士學位。2014年至2017年在浙江大學控制科學與工程博士后流動站從事博士后研究工作,，2017年留校工作,。近幾年來，承擔國家自然科學基金項目1項,、浙江省自然科學基金項目1項,、博士后面上及特別資助各1項。林志偉博士致力于計算機輔助制造（CAM）,、三維打印,、智能制造等方向研究，在曲面造型,、機床誤差,、三軸/五軸刀具路徑規(guī)劃等方面具有扎實的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，已在Computer-Aided Design (CAD),、International Journal of Machine Tools & Manufacture (IJMT&M)等國際知名期刊雜志上發(fā)表論文20余篇,，授權(quán)發(fā)明專利10余項。

傅建中,，博士,、教授、博士生導師,，中組部“萬人計劃”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才,，國家科技部科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才，浙江省優(yōu)秀科技工作者�,，F(xiàn)任浙江大學制造技術(shù)及裝備自動化研究所所長,，智能制造技術(shù)研究中心主任，浙江省三維打印工藝與裝備重點實驗室主任,。擔任國家重點研發(fā)計劃“增材制造與激光制造”重點專項總體組專家,，“十二五”浙江省高端裝備制造技術(shù)重大專項專家組組長，浙江省智能制造專家委員會委員,，浙江省機械工程學會副理事長,，中國機械工程學會機械工業(yè)自動化分會副主任委員,，中國儀器儀表學會精密機械分會副理事長，中國機械工程學會生產(chǎn)工程分會機床專業(yè)委員會常務(wù)理事,。近年來,，主持國家支撐計劃項目1項，國家自然科學基金項目4項,，國家自然科學基金兩化融合聯(lián)合基金項目1項,，863重點項目1項，承擔國家科技專項“高檔數(shù)控機床及基礎(chǔ)制造裝備”子課題3項,，在國際及國內(nèi)期刊上發(fā)表SCI收錄的學術(shù)論文100余篇,，獲得省部級科技進步獎3項，授權(quán)國家發(fā)明專利100多項,。主要研究方向為智能制造技術(shù)與裝備,，包括智能CAM/CNC技術(shù)、三維打印技術(shù),、機器人協(xié)同智能制造技術(shù)等,。

序

以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為特征的智能制造正在全球引發(fā)新一輪工業(yè)革命�,！肮び�善其��,，必先利其器。器欲盡其能,，必先得其法,。”在“人工智能+制造技術(shù)”的時代來臨之際,，我們首先需要掌握人工智能的理論方法和編程工具,，并將之應用于先進制造技術(shù)中。

本書是“人工智能+制造技術(shù)”系列叢書中的一本實戰(zhàn)性書籍,，讀者能夠從人工智能編程語言Python入手,，對計算機輔助制造中三維路徑規(guī)劃進行實踐，并應用于三維打印實戰(zhàn)中,，使讀者在學習掌握了計算機輔助制造知識的同時,，也學會了Python編程。

Python是人工智能首選的編程語言,，也是數(shù)據(jù)科學和機器學習領(lǐng)域最受歡迎的語言,，它也被用于Web開發(fā)和后端編程，并逐漸發(fā)現(xiàn)到移動應用開發(fā)領(lǐng)域,，甚至已經(jīng)開始步入嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域,。Python很容易上手學習，而且第三方庫極為豐富,，這兩種特性對于想要在智能制造領(lǐng)域有所作為的人來說是很有吸引力的,。

廣義上的計算機輔助制造（CAM）可以包括使用計算機應用程序為工裝設(shè)計,、計算機輔助設(shè)計 (CAD) 模型準備、計算機數(shù)控（CNC）編程,、坐標測量機 (CMM) 檢測編程,、模擬仿真或后處理定義制造計劃，然后在一個生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行該計劃,。

在CAM中,，根據(jù)計算機三維模型創(chuàng)建工具（刀具）的三維路徑規(guī)劃是其重要的核心技術(shù)，初學者一般“只知其然,，而不知其所以然”,，這就為進一步掌握和開發(fā)CAM系統(tǒng)帶來了困難,。而現(xiàn)有學習CAM的書籍和資料很少有涉及三維路徑規(guī)劃生成的編程方法介紹,，更少有指導CAM路徑生成實踐的教程。

作者的初衷是設(shè)計一套實踐教程能夠使讀者融會貫通計算機輔助制造,、Python編程語言,、三維打印這三種智能制造必備的知識，通過本書的學習可以為掌握“人工智能+制造技術(shù)”打下扎實的理論和實踐基礎(chǔ),。

本書是作者多年從事智能制造技術(shù)教學與研究工作的總結(jié),，也是作者探索新工科教學實踐改革的一個嘗試，希望通過人工智能與制造技術(shù)交叉融合的實戰(zhàn),，能夠為國家培養(yǎng)更多的智能制造人才,。

——浙江大學制造技術(shù)及裝備自動化研究所  傅建中教授、所長

前言
計算機輔助制造（Computer-Aided Manufacturing,，CAM）是一門制造工程技術(shù)和計算機技術(shù)緊密結(jié)合,、相互滲透而發(fā)展起來的綜合性學科，是計算機輔助設(shè)計（Computer-Aided Design,，CAD）的后道工序,，是國民經(jīng)濟及國防軍工的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，其發(fā)展水平直接體現(xiàn)了一個國家的制造業(yè)現(xiàn)代化水平,。廣義的計算機輔助制造是指利用計算機手段完成產(chǎn)品從原材料到成品的整個生產(chǎn)制造過程,；而在學術(shù)界，計算機輔助制造一般特指刀具路徑規(guī)劃,，即輸入零件和工藝信息,，輸出刀具運動軌跡和相應數(shù)控程序（如G代碼）。中國是一個制造業(yè)大國,，相應的,，中國也是一個CAM技術(shù)需求和應用大國。

目前,，國內(nèi)CAM技術(shù)的發(fā)展尚處于起步階段,。常用的CAM軟件大都從國外引進,，如PowerMILL、Cinatron,、MasterCAM,、UG、CATIA等,，這些軟件功能強大,、性能穩(wěn)定，但價格昂貴,，且核心技術(shù)受制于人,。值得慶幸的是，近年來,，國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的國產(chǎn)CAM軟件,，但由于種種原因，這些軟件尚未普及,，用戶接受程度不高,。

高校是培養(yǎng)計算機輔助制造應用和研發(fā)方面人才的搖籃。目前,，國內(nèi)各大高校的機械類專業(yè)都已將計算機輔助制造課程納入培養(yǎng)計劃,，將其設(shè)置為專業(yè)必修或選修課程。課程體系及配套教材大致涵蓋計算機輔助制造基礎(chǔ)概念講解,、機械零件建模,、CAM軟件應用、數(shù)控工藝與加工實踐等內(nèi)容,，但極少涉及CAM路徑規(guī)劃實現(xiàn)算法層面的內(nèi)容,。當前國內(nèi)高校在計算機輔助制造教學方面的不足之處在于過分側(cè)重職業(yè)技能培訓，無法滿足國內(nèi)對機械人才,、特別是CAM軟件研發(fā)方面人才的培養(yǎng)需求,。

本書的定位是計算機輔助制造底層算法的設(shè)計、開發(fā),、應用及實踐,。面向讀者為計算機輔助制造從業(yè)人員，尤其面向高校機械類專業(yè)老師,、高年級本科生或研究生,。本書試圖引導讀者運用所學的代數(shù)、幾何等數(shù)學理論,，以及機械制造,、數(shù)控、計算機編程等技術(shù)，針對數(shù)控車床,、數(shù)控銑床,、三維打印機、工業(yè)機器人等對象,，研究刀具路徑規(guī)劃關(guān)鍵算法,，獨立開發(fā)一套小型實用CAM系統(tǒng)，最后在數(shù)控設(shè)備上對CAM系統(tǒng)及生成的路徑進行加工驗證,。為方便讀者理解,、學習和實踐，本書以三維打印這一當下時髦的數(shù)控設(shè)備為例,，針對三維打印路徑規(guī)劃流程,，從切片生成、路徑生成,、支撐生成到代碼生成等環(huán)節(jié),，提出了一系列通用、簡潔,、高效,、易于理解和實現(xiàn)的CAM算法,。

本書的特色之一是選用Python作為路徑規(guī)劃算法的編程實現(xiàn)語言,。這在本書寫作之初其實是一個相當艱難的抉擇！一方面,，Python語言本身具有語法簡單,、容易上手、免費開源等特點,，隨著云計算,、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、人工智能等技術(shù)發(fā)展,，Python這門小眾語言搖身一變,，成為眾多編程語言中的“網(wǎng)紅”，近年來異�,；鸨�,。另一方面，Python語言又經(jīng)常被人詬病運行速度慢,，這是Python與生俱來的缺陷,，主要是由它的動態(tài)性和多功能性決定的。CAM路徑規(guī)劃是一項計算密集型任務(wù),，需要處理大量的矩陣相乘,、幾何求交、搜索查詢等計算，消耗大量計算資源,，這對Python語言來說,，似乎是一個巨大的挑戰(zhàn)。

但是我們毅然決然地選擇了Python,！這其實是出于兩個方面的考慮：一方面,，如上所述，Python語法簡單,、易于上手,，因此我們不必要求讀者必須具備編程基礎(chǔ)，他（她）只要掌握基礎(chǔ)數(shù)學和機械知識即可讀懂此書,；另一方面,，Python接近偽代碼的語言風格可以方便我們以非常直觀地方式展示路徑規(guī)劃算法原理和流程，同時這種展示方式是直接可執(zhí)行的,，所見即所得,。

值得一提的是，為了提升使用Python實現(xiàn)的路徑規(guī)劃算法效率,，我們在算法本身的效率優(yōu)化上下了不少功夫,，以保證大部分路徑規(guī)劃算法能在可接受的時間內(nèi)（如幾秒鐘）執(zhí)行完成，這其實是對算法優(yōu)化的一種反向促進,。盡管如此,，我們?nèi)匀唤ㄗh那些有編程基礎(chǔ)的讀者使用C、C++等效率更高的編程語言重構(gòu)本書涉及的相關(guān)算法,。

本書章節(jié)內(nèi)容安排如下：第一,、二、三章為基礎(chǔ)章節(jié),，其中第一章介紹Python語法和開發(fā)環(huán)境,，第二章介紹如何搭建一個基礎(chǔ)計算幾何庫，第三章介紹如何使用VTK庫顯示三維幾何實體,。第四,、五、六,、七章主要介紹三維打印切片算法,，其中第四章介紹切片基本概念和基礎(chǔ)算法，第五章介紹兩種平面和三維模型的優(yōu)化截交算法,，第六章介紹兩種截交線段的優(yōu)化拼接算法,，第七章介紹基于拓撲模型的三維模型切片算法，從邏輯上來說,，第五章加第六章內(nèi)容和第七章平行,。第八、九章主要介紹三維打印路徑生成方法，其中第八章介紹輪廓平行路徑生成方法,，第九章介紹方向平行路徑生成方法,。第十章主要介紹模型支撐區(qū)域生成與支撐路徑規(guī)劃方法，同時以支撐量為目標,，介紹粒子群優(yōu)化算法,。第十一章主要介紹切片端面識別和打印代碼生成方法，該章最終輸出打印代碼,，為本書收關(guān)章節(jié),。

在本書的示例代碼中，我們使用了3個第三方Python庫,。一是VTK庫,，這是一個強大的計算機圖形可視化開源庫，它的底層使用C++編寫,，提供Python調(diào)用接口,，我們在書中用它來顯示三維模型和生成的路徑。二是Clipper庫,，這是一個用于平面幾何圖形的布爾運算開源庫,，同時提供曲線偏置功能，它的底層同樣使用C++編寫,，也提供Python調(diào)用接口,，我們在書中用它來裁剪和偏置多邊形輪廓。三是pyserial庫,，這是一個Python調(diào)用系統(tǒng)串口,、讀寫串口的庫,，我們用它來向三維打印機發(fā)送打印代碼,，實現(xiàn)打印機控制。在此,，我們對這三個庫的作者表示感謝,！

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章節(jié)安排
第1章 Python簡介
1.1. Python語言概述
1.2. Python解釋器安裝及運行
1.3. Python第三方庫安裝
1.4. Python集成開發(fā)環(huán)境
1.5. Python語法簡介
1.6. Python模塊
第2章 基礎(chǔ)計算幾何庫搭建
2.1. 點,、向量、矩陣
2.2. 直線,、射線,、線段
2.3. 多段線
2.4. 平面
2.5. 幾何算法

第3章 幾何可視化平臺搭建
3.1. VTK概述
3.2. Hello VTK
3.3. VTK可視化流程
3.4. VTK適配器構(gòu)建
3.5. VTK模型變換

第4章 STL模型切片輪廓計算基礎(chǔ)
4.1. STL模型加載
4.2. 空間三角形和平面求交算法
4.3. STL模型截交計算
4.4. 截交線段拼接計算
4.5. 輪廓方向識別與調(diào)整
4.6. 切片數(shù)據(jù)存取
4.7. SliceModel模塊

第5章 STL模型截交計算優(yōu)化
5.1. 暴力截交存在的問題
5.2. 掃描平面法截交優(yōu)化
5.3. 層高匹配法截交優(yōu)化
5.4. 算法測試比較

第6章 截交線段拼接計算優(yōu)化
6.1. 暴力拼接存在的問題
6.2. 鏈接點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
6.3. 字典序排序法拼接優(yōu)化
6.4. 字典查詢法拼接優(yōu)化
6.5. 算法測試比較

第7章 基于拓撲模型的切片輪廓計算
7.1. STL模型存在的問題
7.2. 拓撲關(guān)系表示
7.3. STL拓撲模型重建
7.4. 拓撲模型切片
7.5. 算法測試比較

第8章 輪廓平行填充路徑生成
8.1. 常用填充路徑概述
8.2. 輪廓偏置基礎(chǔ)方法簡介
8.3. 基于裁剪的輪廓偏置
8.4. Clipper適配器構(gòu)建
8.5. 輪廓路徑生成與連接
8.6. 輪廓路徑生成測試

第9章 方向平行填充路徑生成
9.1. 掃描線法填充線生成
9.2. 基于裁剪的填充線生成
9.3. 填充區(qū)域分區(qū)
9.4. 平行路徑生成與連接
9.5. 最少跳刀填充方向優(yōu)化
9.6. 平行路徑生成與優(yōu)化測試

第10章 支撐生成與優(yōu)化
10.1. 支撐生成概述
10.2. 支撐區(qū)域識別
10.3. 支撐路徑生成
10.4. 支撐量優(yōu)化

第11章 端面封閉與代碼生成
11.1. 端面識別與切片分區(qū)
11.2. 打印代碼生成

附1. FDM三維打印機控制方法
附2. 本書封裝的路徑規(guī)劃類和函數(shù)

值得學習啊,，簡單容易掌握的語言，讓3d打印軟件更多人來做

python 以后很多人都會使用