定向能量沉积技术能高效成型大尺寸金属零件,在航空航天、船舶、汽车等制造领域具有广泛的应用前景。现有的其他增材制造技术一般采用单向平面分层,并通过添加支撑结构的方式保证悬垂结构的成型,而支撑结构并不适用于定向能量沉积工艺,因此限制了成型复杂结构的能力。得益于五轴加工中心的高自由度,可以在沉积过程中不断改变材料堆叠方向,实现零件的无支撑制造,但这也给路径规划方法提出了挑战。为此,本文提出了基于体素模型的定向能量沉积路径规划算法,借助体素模型结构简单、精度低的特点,降低了路径规划的复杂度,并支持多材料沉积。为了获得准确的体素化模型,采用三角面片与体素求交的方式进行体素化,并在体素中记录下了表面法向量信息。为加速体素化过程,采用快速相交检测和分离轴检测判断三角面片是否与体素相交,避免了采用距离计算公式等复杂的运算。体素化完成后,为便于查找体素邻域,采用三维数组结构储存体素模型。对于无悬垂结构的简单零件,可直接将体素化结果作为模型分层的结果,用于后续的路径规划。对于由倾斜角产生悬垂结构的零件,提出了自适应的多向平面分层方法。在每一次新的分层过程中,首先使用上一层的分层方向进行切片,判断相交的表面体素是否满足倾斜角约束,对于不满足条件的分层,根据轮廓体素记录的法向量,采用求解最小圆覆盖的问题,优化得出新的分层方向,再对这一层进行重新分层。对于分层后的路径填充,提出了两种路径策略:轮廓扫描路径和内部Z字型扫描路径。轮廓路径为与外部空像素具有4邻接关系的表面像素。Z字型路径是通过一系列平行扫描线与轮廓像素求交,并得出沉积路径的起止点,再按照间距在起止点之间填充路径点,这些路径点记录的层厚、材料属性、工具姿态等信息。最后综合以上研究内容,形成了一套定向能量沉积路径规划软件,并在ABB机器人平台上沉积成型了轮胎模具,验证了算法的有效性。