快速成型技术中的数据处理.ppt

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1、第四章快速成型技术中的数据处理,快速原型的制作需要前端的CAD数字模型来支持，也就是说，所有的快速成型制造方法都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。此外，样件反求以及来源于CT等的医学模型等的数据都需要转换成CAD模型或直接转换成RP系统可以接收的数据。因此，在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快速成型技术的实施过程中，数据的准备是必须的，数据的处理是十分必要和重要的。

2、,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,第一节CAD三维模型的构建方法,目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据产品的要求或直接根据二维图纸在CAD软件平台上设计产品三维模型，常被称为概念设计；另一种是在仿制产品时用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，常被称为反求工程。两种常用的产品设计思路如图所示。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,一、概念设计,目前产品设计已经大面积地直接采用计算机辅助设计软件来构造产品三维模型，也就是说，产品的现代设计已基本甩脱传统的图纸描述方式，而直接在三维造型软件平台上进行。目前，几乎

3、尽善尽美的商品化CAD/CAM一体化软件为产品造型提供了强大的空间，使设计者的概念设计能够随心所欲，且特征修改也十分方便。目前，应用较多的具有三维造型功能的CAD/CAM软件主要有Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。随着计算机硬件的迅猛发展，许多原来基于计算机工作站开发的大型CAD/CAM系统已经移植于个人计算机上，也反过来，促进了CAD/CAM软件的普及。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,一般来说，从事快速成型研

4、究与服务的机构和部门都已经配备了三维设计手段，一般的设计开发部门也逐渐地由传统的2D设计发展到3D上来。下表给出的是1995年日本几家从事RP服务的公司所服务的客户的设计来源是否采用3D 设计的统计。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,二、反求工程,新产品开发过程中的另一条重要路线就是样件的反求。反求工程技术（Reverse Engineering，RE）又称逆向工程技术，是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件(图纸、程序及技术文件等)或影像(图片、照片等)等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多

5、方面。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。反求工程主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,反求工程技术不是传统意义上的“仿制”，而是综合应用现代工业设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统地分折研究，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。反求工程对于难以用CAD设计的零件模型以及活性组织和艺术模型的数据摄取是非常有利的工具，对快速实现产品等的改进和完善或参考设计具有重要的

6、工程应用价值。尤其是该项技术与快速成型技术的结合，可以实现产品的快速三维拷贝，并经过CAD重新建模修改或快速成型工艺参数的调整，还可以实现零件或模型的变异复原，如图所示。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,反求的主要方法有三坐标测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自动断层扫描法等。常用的扫描机有传统的坐标测量机（Coordinate Measurement MachineCMM）、激光扫描机（Laser Scanner）、零件断层扫描机（Cross Section Scanner）以

7、及CT（Computer Tomography）和MRI（Magnetic Resonance Imaging）等。采用反求工程方法进行产品快速设计，需要对样品进行数据采集和处理，具体内容如图所示。反求工程中较大的工作量就是离散数据的处理。一般来说，反求系统中应携带具有一定功能的数据拟合软件，或借用常规的CAD/CAM软件UGII、Pro/E等，也有独立的曲面拟合与修补软件如Surfacer等。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,Imageware Surfacer 软件是SDRC(Structura

8、l Dynamics Research Corporation)公司推出的逆向工程软件，是对产品开发过程前后阶段的补充，是专用于将扫描数据转换成曲面模型的软件。Imageware Surfacer提供了在逆向工程、曲面设计和曲面评估方面最好的功能，它能接收各种不同的数据来源，通过3D点数据能够生成高质量曲线和曲面几何形状。该软件能够进行曲面检定，分析曲面与实际点的距离，可以进行着色、反射或曲率分析及横截面功能。曲线和曲面可以进行即时交换式形状修改。Imageware Surfacer软件具有扫描点处理、曲面制造工具、曲面分析工具、曲线处理以及曲面处理等功能和模块。下图给出的是Imageware

9、 Surfacer软件的界面及其正在进行的曲线处理。逆向工程对于企业制造过程来说是非常重要的。如何从企业仅有的样件、油泥模型、模具等“物理世界”快速地过渡到计算机可以随心所欲处理的“数字世界”，这是制造业普遍面临的实际问题。Imageware Surfacer 特别适用于以下情况：,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,企业只能拿到真实零件而没有图纸，又要求对此零件进行分析、复制及改型；,在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意结果后将此模型的外型在

10、计算机中建立数字模型；,对现有的零件工装等建立数字化图库；,在模具行业，往往需要用手工修模，修改后的模具形腔数据必须要及时地反映到相应的CAD设计之中，这样才能最终制造出符合要求的模具。此外，Imageware Verdict软件的快速成型模块能够快速利用数字化数据或利用其它系统的曲面几何形状生成原型，从而缩短了进行数字化、生成CAD模型直至最后生成原型这一过程的周期，而且该软件模块可以直接根据产品的STL文件自动制作出该产品的模具模型。,4 快速成型技术中的数据处理,第二节STL数据文件及处理,快速原型制造设备目前能够接受诸如STL，SLC，CLI，RPI，LEAF，SIF等多种数据格式。其

11、中由美国3D Systems公司开发的STL(StereoLithography interface specification)文件格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型系统都采用STL数据格式。,模具工程技术研究中心 METRC,一、STL文件的格式,STL文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法矢，属于“中性”文件。STL数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分。STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三

12、个顶点坐标来实现的。STL文件记载了组成STL实体模型的所有三角形面，它有二进制（BINARY）和文本文件（ASCII）两种形式。ASCII文件格式的特点能被人工识别并被修改，但是由于该格式的文件占用空间太大（一般6倍于BINARY形式存储的STL文件），因此主要用来调试程序。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,1、STL的ASCII文件格式,ASCII起初主要是为了检验CAD界面而设计开发的。但是由于其自身格式太大，使它在实际中没有太大的应用。下面就是ASCII STL文件的语法格式。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型

13、技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,2、STL的二进制文件格式,二进制文件采用IEEE类型整数和浮动型小数。文件用84字节的头文件和50字节的后述文件来描述一个三角形：,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,注意到每个面目录都是50个字节，如果是所生成的STL文件是由10000个小三角形构成的，再加上84字节的头文件，该二进制STL文件的大小便是845010000500084B0.5MB。若同样的精度下，采用ASCII形式输出该STL文件，则此时的STL文件的大小约为60.5MB=3.0MB。,4 快速成型技术中的数据处理,STL文件的数据格式是采用小

14、三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。但是，就本身面向快速成型制造所要求的CAD模型的STL文件，过高的精度要求也是不必要的。因为过高的精度要求可能会超出快速成型制造系统所能达到的精度指标，而且三角形数量的增多会引起计算机存储容量的加大，同时带来切片处理时间的显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小线段，不利于激光头的扫描运动，导致低的生产效率和表面不光洁。所以，从CAD/CAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进行综合考虑。不同的CAD/CAM系

15、统输出STL格式文件的精度控制参数是不一致的，但最终反映STL文件逼近CAD模型的精度指标表面上是小三角形的数量，实质上是三角形平面逼近曲面时的弦差的大小。弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。从本质上看，用有限的小三角面的组合来逼近CAD模型表面，是原始模型的一阶近似，它不包含邻接关系信息，不可能完全表达原始设计的意图，离真正的表面有一定的距离，而在边界上有凸凹现象，所以无法避免误差。,模具工程技术研究中心 METRC,二、STL文件的精度,4 快速成型技术中的数据处理,下图为球面STL输出时的三角形划分，从图中可以看出弦差的大小直接影响输出的表面质量。,模具工程技术研究中心

16、METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,从弦差、表面积误差以及体积误差的本身对比和两者之间的对比可以看出：随着三角形数目的增多，同一模型采用STL格式逼近的精度会显著地提高；而不同形状特征的CAD模型，在相同的精度要求条件下，最终生成的三角形数目的差异很大。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,STL文件中的每个小三角形面都是由三条边组成的，而且具有方向性。三条边按逆时针顺序由右手定则确定面的法矢指向所描述的实体表面的外侧。相邻的三角形的取向不应出现矛盾，如图所示。,模具工程技术研究中心 METRC,

17、三、STL文件的纠错处理,1、STL文件的基本规则,（1）取向规则,正确,错误,4 快速成型技术中的数据处理,每个三角形必须也只能跟与它相邻的三角形共享两个点，也就是说，不可能有一个点会落在其旁边三角形的边上，下图便示意了存在问题的点。,模具工程技术研究中心 METRC,（2）点点规规,因为每一个合理的实体面至少应有1.5条边，因此下面的三个约束条件在正确的STL文件中应该得到满足：,面必须是偶数的；,边必须是3的倍数；,2边3面。,4 快速成型技术中的数据处理,STL文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错的。然而，目前几乎所有的CAD/CAM软件都允许在任意的空间位置生成STL文件，唯

18、有AutoCAD软件还要求必须遵守这个规则。STL文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。很多快速成型前处理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。STL文件中的小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片软件的快速解算。,模具工程技术研究中心 METRC,（3）取值规则,STL文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏（即不能有裂缝或孔洞），不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。,（4）合法实体规则,4 快速成型技术中的数据处理,尽管在STL数据文件标准中没有特别指明所有的STL数据文件所包含的面必须构成一个或多个合理的

19、法定实体，但是正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式：F-E+V=2-2H其中，F（Face）、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点数和实体中穿透的孔洞数。如果一个STL文件中的数据不符合上述的欧拉公式，则该STL文件就有漏洞。在切片软件进行运算时，一般是无法检测该类错误的，这样在切片时就会产生某一边不封闭的后果，直接造成在快速成型制造中激光束或是刀具行走时漏过该边。现在有些公司开发了一些相应的软件，可以纠正一些诸如此类的错误，像3Dsystems公司的3D LightYear软件、比利时Materialise公司的Magic

20、s软件等。,模具工程技术研究中心 METRC,2、常见的STL文件错误,（1）遗漏,像其它的CAD/CAM常用的交换数据一样，STL也经常出现数据错误和格式错误，其中最常见的错误如下：,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,出现遗漏的原因一般有如下2个方面：一是2个小三角形片面在空间的交差（如图a所示），这种情况主要是由于低质量的实体布尔运算生成STL文件过程中产生的；二是在2个连接表面三角形化时不匹配造成的，如图b所示。,(A),(B),4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,退化的面是STL文件中另一个常见的错误。它不像上面所说的错误一样，

21、它不会造成快速成型加工过程的失败。这种错误主要包括以下2种类型：,(A),(B),（2）退化面,点共线（如图a）。或者是，不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。,点重合（如图b）。或者是，在数据转换运算时造成这种结果。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,尽管，退化面并不是很严重的问题，但并不是就此可以忽略。一方面，该面的数据要占据空间；另一方面，也是更重要的，这些数据有可能使快速成型前处理的分析算法失败，并且使后续的工作量加大和造成困难。下图便是由划分三角形面而产生的无穷多的退化面的一个例子。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC

22、,这种错误不是在STL文件转换过程中形成的，而是由于CAD/CAM系统中原始模型的错误引起的，这种错误将在快速成型制造过程中表现出来。,（3）模型错误,进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法矢的方向相反。为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法矢方向与相邻的一些三角形的法矢加以比较。,（4）错误法矢面,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,3、STL文件浏览和编辑,由于STL文件在生成过程中以及原有的CAD模型等原因经常会出现一些错误，因此，为保证有效地进行快速原型的制作，对STL文件进行浏览和编辑处理是十分必要的。目前，已有多

23、种用于观察和编辑（修改）STL格式文件的专用软件，如表所示。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,在上述众多的STL文件浏览与编辑软件中，比利时Materialise公司开发的Magics软件提供了能完善处理STL文件的功能，该软件提供了3个主要的面向快速成型的软件包，其功能如表所示。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4、STL文件的输出,（1）Pro/E2000i中STL文件的输出,首先选择菜单栏中的File菜单，然后选择Export中的Model选项。,当CAD模型在

24、一个CAD/CAM系统中完成之后，在进行快速原型制作之前，需要进行STL文件的输出。目前，几乎所有的商业化CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件输出过程中，根据模型的复杂程度和所要求的精度指标，可以选择STL文件的输出精度。下面以Pro/E、UGII以及AutoCAD软件为例示意STL文件的输出过程及精度指标的控制。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,从菜单中选STL，可以看到菜单中有两种控制格式CORD HEIGHT、ANGLE CONTROL，根据需要选择适当的类型。系统默认的是STL Binary，但是，如果你

25、想要ASCII格式的你可以选择STL ASCII命令。确定之后，选Output执行。CORD HEIGHT指标为真实面和拼接面之间的最大差额。ANGLE CONTROL为0到1之间的一个小数。系统将用CORD HEIGHT来拼接模型而忽略实体的具体特征。如果输入1，则系统将用CORD HEIGHT乘以目标半径和实体最大尺寸值的十分之一之间的一个值。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,Pro/E此时会要求选择一个坐标系。选Default系统默认的坐标系，或者，自建一个。如果零件不是位于第一象限，系统将会出现错误提示信息问是否继续，输入YES，继续。因为，现在很多软件

26、能自动把它转换到适当的位置。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,（2）Unigraphics中STL文件的输出,选择File菜单中的Export命令下拉菜单中的Rapid-Prototyping操作。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,出现下面的对话框后，可以选择输出格式（Binary，ASCII）及角度公差，拼接公差。也可以选择系统默认值，点击OK完成。这时系统会提示输入STL头文件信息，头文件信息可以不添加，直接点击OK完成。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,然后，用鼠标左键选择要输出的实体，这时被

27、选择的实体会改变颜色以示选中，点击OK完成。下图为某CAD模型采用UGII进行STL输出最终形成的三角形化的结果。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,（3）AutoCAD中STL文件的输出,在AutoCAD中物体的光滑程度和误差大小是可以设定的。系统默认的是0.5，用户可以自定义0.01到10之间的任何值。值越大，物体的表面质量越好。当然，文件大小也随着增大。,在示例中输入10，按ENTER键确定。,当命令行出现stlout时再按一下ENTER，这时系统会提示选择输出的实体。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,实体选择之后，系统会提示

28、选择要输出的格式，选择完毕后按ENTER确定。系统一般默认的是Binary格式。,这时会出现“创建STL文件”对话框。在此对话框中可以选择自己文件名和存放路径。选择完后，点击“Save”按钮确定。在一般情况下，当实体有一部分或者是整体不在第一象限时，AUTOCAD拒绝生成STL文件。这时，需要用移动命令来挪动它，使它处在第一象限，然后重复上面的操作。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,STLOUT和AMSTLOUT的比较介绍,STLOUT和AMSTLOUT是在AUTOCAD中生成STL文件的两个主要命令。AMSTLOUT转换时物体可以是装配零件，但是，STLOUT

29、只能是没有相互关系的实体。下表给出了两者的比较。,4 快速成型技术中的数据处理,5、分割与拼接处理软件,在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸相对于快速成型系统台面尺寸过大或过小，就必须对STL模型进行剖切处理或者有必要进行拼接处理。拼接可以将多个尺寸相对偏小的STL模型合并成一个STL模型，并在同一工作台上同时成型。目的是节省快速成型机的机时，降低成形费用，提高成型效率。如果一个STL模型的尺寸超过了成型机工作台尺寸而无法一次成型，可采用分割STL模型的方法将一个STL模型分成多个STL模型，而后在成型机上依次加工，再将加工好的各个部分粘合还原成整体原型，这样解决了快速成型机加工尺

30、寸范围有限的问题。,模具工程技术研究中心 METRC,（1）分割基本原理,STL文件分割的基本原理是将一个STL文件分成两个新STL文件，即用多个面将一个STL模型分成若干个部分，每部分重新构成一个STL模型，每个新STL文件对应一个新生成的STL模型。,STL文件分割与拼接的意义：,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,具体地说，分割就是用1个平面将一个空间物体分成两部分，实际上是平面与空间物体的求交问题。分割后的每部分必须要有构成完整的三维实体模型几何信息。由于快速成型系统中的处理三维实体模型是由许多个空间三角形逼近的表面模型，因此分割实质上就是如何将若干个空间三

31、角形以1个平面为界，分成若干个空间三角形集合。位于平面不同侧面的三角形集合构成不同的小实体。但是，每个小实体均缺少一个封闭面，存在一个“空间”，就像一个桶缺少一个盖子一样，因此，必须要生成一个封闭面，将每一个实体完全封闭。三维实体表面与切割平面相交的交线是截面轮廓线，显然，截面轮廓线不可能直接构成一个面，必须将截面轮廓的内环和外环之间的区域、单个外环内的区域用三角形网格填充封闭，形成轮廓截面，这个轮廓截面就是实体的封闭面。加入该封闭面，每个实体就可以形成一个完整独立的三维CAD实体模型。至此，一个实体被分割成两个实体。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,对于任意一

32、个空间三角形来说，它与切割平面的位置关系不外乎三种情况：位于平面之上、位于平面之下、与平面相交，如图a、b、c所示。位于平面之上的三角形构成一个集合，位于平面之下的三角形构成另一个三角形的集合。若三角形与平面相交，其交点可能是一条线段也可能为一个点。若三角形中的任意定点与平面相交，在以后的处理过程中会遇到很多麻烦，为此需采用切片高度摄动法，即将三角形沿平面法向方向向上或向下移动一个极小的位移量，以保证三角形中的任意顶点不落在平面上，确保三角形与该平面相交为一条线段或根本不相交，这是在切片过程中必须要解决的问题。所有与平面相交的三角形构成一个三角形集合，其中的每一个三角形必须变成三个三角形。因为

33、与平面相交的空间三角形被平面分成两部分：一部分为三角形，另一部分为平面四边形。在STL文件中不能出现四边形，必须将四边形变成两个三角形，如图d所示。,（2）分割基本算法,分割过程前置处理,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,根据切片原理，实体中的某些三角形平面上的边与切割平面相交，所有的交点组成平面上的离散点集合，这些离散点经过排序后形成若干个封闭环，这些封闭环构成了三维实体与切割平面相交的截面轮廓线。采用平面有界区域三角形网格化之前，必须对截面轮廓上的外环与内环进行特殊处理：外环上的节点要按逆时针方向排序；内环上的节点要按顺时针方向排序；其次，若有内环，必须确定内

34、环和外环相对位置关系：一个外环包括一个或若干个内环、一个内环对应一个外环。通过这样处理，可以确保三角形网格的正确形成。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,这涉及到快速成型中的切片处理。切片以STL文件格式为基础，首先读入STL文件，将STL模型与平面求交，得出平面内的交线再经过数据处理生成截面轮廓线。由于STL模型是由大量的小三角形平面片组成，切片问题实质上是平面与平面求交问题。再对其进行切片处理后，其每一个切片界面都是由一组封闭的轮廓线组成。如果切片界面上的某条封闭轮廓线变成一条线段，则切片平面切到一条边上；如果界面上的某条封闭轮廓变成一点，则切片平面切到一个顶

35、点上。这些情况将影响后续工作的进行，需采用切片高度摄动法（即将三角形沿平面发向方向向上或向下移动一个极小的位移量），以避免这种影响。,轮廓截面的形成,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,切片后的轮廓封闭线由若干个封闭的有向内外环构成。为保证轮廓界面是新STL模型的一部分，必须将其进行三角形面化处理，使内外环之间区域或单独外环里的区域用三角形网格填充，这样才能使分割成的两部分都是完整的立体图形。平面网格化的形成算法有很多，采用平面上的有界区域的任意多边形Delaunary三角划分法可以实现轮廓截面的三角形网格化。这种方法能对凸域内的三角形进行划分，具有三角剖分结果唯一

36、、程序简单、运行稳定可靠的优点，能有效的对给定的有界区域进行三角形划分，形成三角形网格。,轮廓三角形网格化,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,切片时，STL模型与切片平面相交，许多三角形被切片平面分成两部分：一部分为三角形，另一部分可能为三角形也可能为四边形。图a为四边形位于切片平面之下；图b为平面四边形位于切片平面之上；图c为原三角形恰好被分成两个三角形。将上述平面四边形的对角线相连可形成两个新的三角形。这些生成的三角形构成了新STL模型不可缺少的一部分。,一个三角形转化为多个三角形,4 快速成型技术中的数据处理,拼接的基本原理是，在两个原STL模型不发生干涉的

37、情况下，按一定的要求对某一个STL模型进行平移或旋转变换，然后把两个STL模型数据都保存在一个STL文件中，从而两个STL模型变成了一个新STL模型，两个STL文件合并成为一个新的STL文件。从文件格式分析可知，STL文件包含许多空间小三角形的数据。其中每个三角形平面都用一个法向向量、三个顶点的坐标来描述。许许多多小三角形平面构成了三维STL模型的所有表面。因此，拼接的基本任务就是将某一个原STL模型包含的空间三角形进行平移、旋转的几何位置变换，获得具有最佳相对位置的新STL文件。,模具工程技术研究中心 METRC,（1）拼接基本原理,拼接包括以下几个步骤：读入多个STL文件，在计算机中显示出

38、多个要拼接的原STL模型；建立一个数据文件File，用于保存原STL模型被拼接后形成的新STL模型的数据；平移变换、旋转变换。最后把没有实施几何变换的模型的数据也存入File中，将文件File转化为标准的STL文件。,（2）拼接算法,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,在实际拼过程中，可以按需要对单个模型进行平移或旋转变换，也可以对多个模型进行平移和旋转变换。如果要将某个模型放大或缩小，只需将该模型乘以一个比例因子k即可。拼接后的新STL模型包含了拼接前所有的原STL模型的几何信息，快速成型机加工一个新STL模型，实质上同时加工多个原STL模型。这样，大大地提高了快

39、速成型机的生产效率，同时也节省了时间和材料。,4 快速成型技术中的数据处理,目前，国际上部分STL浏览和编辑软件具有STL文件的分割功能，如SolidView/Pro RP、Magics等。国内部分从事快速成型技术研究的高校也在开发专用的STL文件的分割与拼接软件。下面以某一国内自主开发的软件示例STL文件分割与拼接的实现。,模具工程技术研究中心 METRC,STL文件的拼接和分割示例,（1）拼接实例,选择菜单中Open AscII file中的first AscII file打开第一个STL文件。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,选择菜单Open AscII

40、file 中的second AscII file打开第二个STL文件。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,选择菜单Unite中的front back align并给出间隔的距离，使两个图形前后对齐。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,选择菜单Save As中的AscII file将拼接好的文件存为一个文本格式的文件输出；或者选择Binary file保存为一个二进制格式的文件输出。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,（2）分割实例,打开一个STL文件并在屏幕上显示出来。,4 快速成型技术中的数据处理,模具

41、工程技术研究中心 METRC,选择Split菜单将图形沿垂直于Z轴方向切割。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,选择菜单Save First As和Save Second As分别将分割后的文件保存为两个文本格式的STL文件。然后利用该软件的拼接功能，重新调入已经分割后的2个STL文件，通过平移或旋转的命令调整其中的某一部分到合适的位置，输出一个单一的STL文件进行一体加工，然后粘结复原。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,对其进行分割与拼接处理的目的是为了节省原型制作的时间与成本。对上述示意的该STL模型，未经处理进行整体叠层实体原

42、型制作的时间约为27h，耗材约21kg。采取STL数据模型分割与拼接后进行原型制作，不但可以节省下部圆柱体部分的制作时间，还可以节省耗材。通过对下部圆柱体部分沿高度38mm分割之后上移至旋轮手柄中间进行制作，节省了7h制作时间，同时节省约25%的原材料。通过分割与拼接处理后进行制作的LOM原型如图所示。,4 快速成型技术中的数据处理,第三节三维模型的切片处理,在快速成型系统中，切片处理及切片软件是极为重要的。切片的目的是要将模型以片层方式来描述。通过这种描述，无论零件多么复杂，对每一层来说却是很简单的平面。切片处理是将计算机中的几何模型变成轮廓线来表述。这些轮廓线代表了片层的边界，是用一个以Z

43、轴正方向为法向的数学平面与模型相交计算而得的，交点的计算方法与输入的几何形状有关，计算后得到的输出数据是统一的文件格式。轮廓线是由一系列的环路来组成的，由许多点来组成一个环路。切片软件的主要任务是接受正确的STL文件，并生成指定方向的截面轮廓线和网格扫描线。,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,一、切片方法 快速成形中的主要切片方式一般为STL切片和直接切片。,模具工程技术研究中心 METRC,略,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,二、切片算法 图10-18所示为一种切片程序框图。首先读入STL格式文件，并将所有三角形面的顶点坐标乘以一

44、个较大的数（如5000），使其变为整数，以利于提高运算速度。然后，将所有平行于X-Y平面的三角形面选作表层（如工件的底面或顶面），剩下的三角形面都用来计算是否与Z0+nZ相交。其中，Z0为模型的最底层的Z面，Z为切片层厚度，n为层数。如果相交，则交线为轮廓线，使交线彼此顺序头、尾相接，组成环。最后，确定义X、Y方向的网格线。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,Magics是一个十分理想和完整的处理STL格式文件的软件，该软件处理片面数据简捷高效，提供了丰富且自动化程度很高的STL文件操作工具。,模具工程技术研究中心 METRC,第四节

45、 STL数据编辑与处理软件Magics RP,（1）Magics软件编辑功能,常规处理工具,在常规处理工具中，Magics软件可以对STL文件进行旋转、变换、调整尺寸和装配等；可以对平面、圆柱体、轴及球体等特征进行2D和3D的距离、半径、角度等的测量，如图所示；其剖切功能能够使操作者更好地理解STL文件；用户自定义坐标系统能够使操作者定义并在多坐标系统下工作；同时Magics软件还具有对STL文件进行压缩和解压操作功能。,(一）Magics软件功能,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,高级处理工具,在高级处理工具中，Magics软件提供了功能强大的STL文件的设计修

46、改功能。其标定工具可以将字符雕刻或者浮凸在模型的任意复杂的曲面上，可以定义字体和字号，左图示意了在某STL文件模型表面上标定了所使用软件的版本号；Magics软件提供了STL文件的剖切和冲孔功能，方便地实现了大尺寸模型的原型制作问题；在分解STL文件时，可生成便于对接的结构，如右图所示。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,Magics软件可以对STL文件进行并、交、差等布尔运算，如左图所示；此外，Magics软还具有对复杂零件的精确抽壳功能以及光顺去除噪音点的功能，如右图所示。,4 快速成型技术中的数据处理,Magics软件具非常突出的可视化工具，可以强化STL文

47、件中的问题，如错误的法矢、坏的边、裂缝等都可以非常清晰地指示出来。采用闪动的办法显示STL文件具有错误的部位并且能够精确地定位缺陷的位置，如图所示。Magics的STL分析功能可以对STL文件进行性能测试，可以给出模型的尺寸信息、三角形数量、坏边的数量、体积、表面数量等等。,模具工程技术研究中心 METRC,（2）Magics软件修复功能,许多STL文件常存在坏的边、孔洞或其它一些缺陷，在进行快速原型制作之前需要进行相应的修复。,清晰的可视化和信息提供功能,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,自动修复功能,Magics使用智能算法可以对有缺陷的STL文件进行自动修复

48、，这样可以大大加快修复的时间。Magics可以判断出零件的内外表面并且随后检测每一个小三角形的方位是否适合正确的描述，如果存在问题，具有错误法矢点的单一三角形或整个面，将被自动地反转过来，如图所示。,法矢错误修复,缝隙缝合,孔洞填充,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,高级操作功能,任何时候在Magics软件中都可以手工进行有缺陷的或缺少的三角形。通过鼠标点击，即可实现三角形的删除、法矢的反转以及新三角形的生成，如图所示。Magics软件可以在不同的面之间进行布尔运算和修复工作，分离的部分可以迅速地合并成一个整体。,手工修复功能,4 快速成型技术中的数据处理,模具工

49、程技术研究中心 METRC,比利时Materialise公司开发的Magics软件是面向快速原型制造工艺开发的处理STL格式数据文件并进行切片分层的专用软件。对于需要设计支撑的SLA及FDM快速原型工艺，该软件提供了自动施加支撑的功能。该软件可以根据分层处理的需要，进行模型本体和支撑结构的切片分层处理。下面具体介绍一下该软件的切片处理过程。,STL文件载入,(二）Magics软件切片实例,Magics软件文件载入的格式可以有多种，STL、MGX和MEH等原始文件均可以通过Load命令载入，已经经过切片处理的文件也可以通过Open Platform命令打开。图10-29给出的是Magics软件载

50、入的小扳手模型的STL文件的界面。,STL文件纠错,当欲处理的CAD模型载入到Magics软件后，首先需要对该模型的STL文件进行诊断纠错。如果发现STL文件出现三角形遗漏、错误法矢、坏的轮廓和边等，需要进行分析诊断和纠错。只有被检测出来的坏的边和轮廓全部修复之后，才可以进行如下的操作。,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,4 快速成型技术中的数据处理,模具工程技术研究中心 METRC,根据模型结构尺寸及精度的要求，考虑模型制作的效率以及支撑施加，需要确定相对比较合理的摆放方位。对于结构复杂的模型制作，摆放方位的确定是十分重要的，有时需要反复尝试后给出合理的摆放方位