机械设计第三章

第三章

快速成型的软件系统快速成形的软件系统组成1.CAD造型软件。负责零件的几何造型、支撑结构设计及STL文件输出等。市场常用软件如UG,PRO/E等。2.数据检验与处理软件。负责对输入的STL文件检验其合理性并修正错误、做几何变换、选择成型方向、零件排样合并、进行文体分层。一般由RP设备生产厂家自行开发。3.监控系统软件。完成分层信息输入、加工参数设定、生成NC代码、控制实时加工等。与采用的数控系统关系密切。根据所选的数控系统将数据处理软件生成的二维层面信息即轮廓与填充的路径生成NC代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。不同规划方法不仅决定了造型过程能否正常而顺利地进行，而且对成形精度和效率影响很大。快速成形扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生成算法。算法的要求是理性、完善性和鲁棒性，算法的好坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效率。※

快速成型的前提条件是在计算机上构造的三维模型，因而要求用于构造模型的CAD软件系统有较强的三维造型功能，这主要是实体造型(SolidModelling)和表面造型(SurfaceModelling)功能，后者对构造复杂的自由曲面有重要作用。※目前，快速成型行业中常用的CAD软件系统见表3—1(按市场占有率排序)。3.1CAD软件系统——RP的支持性软件表3-1快速成型常用的CAD软件系统3.1.1三维模型的表达方法※

随着计算机辅助设计(CAD)技术的发展，出现了许多三维模型的表达方法，其中常见的有以下几种：3.1.1.1、构造型立体几何表达法(ConstructiveSolidGeometry，简称CSG法)3.1.1.2、边界表达法(BoundaryRepresentation，简称B一rep)3.1.1.3、参量表达法(ParametricRepresentation)3.1.1.4、单元表达法（CellRepresentation)※

构造型立体几何表达法(CSG法)。构造型立体几何表达法用布尔(Boole)运算法则(并、交、减)，将一些简单的三维几何基元(如立方体、圆柱体、环、锥体)予以组合，变化成复杂的三维模型实体。这种方法的优点是，易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并且能方便地修改它的形状。此方法的缺点是：可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。3.1.1.1、构造型立体几何表达法※边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这种方法的优点是：能快速地绘制立体或线框模型。此方法的缺点是：它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG法简单。例如，要修改实心立方体上的一个简单孔的尺寸，必须先用填实来删除这个这个孔，然后才能绘制一个新孔；所得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象；描述不一定总是惟一。3.1.1.2、边界表达法

※对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参量表达法。这些方法借助参量化样条、贝塞尔(Bezier)曲线和B样条来描述自由曲面，它的每一个x，y，z坐标都呈参量化形式。各种参量表达格式的差别仅在于对曲线的控制水平，即局部修改曲线而不影响邻近部分的能力，以及建立几何体模型的能力。其中较好的一种是非一致有理B样条(NuRBs)法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。※为了综合以上方法的优点，现代CAD系统常采用CSG、B-REP和参量表达法的组合表达法。3.1.1.3、参量表达法※对单元表达法起源于分析(如有限元分析)软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成型技术中采用的三角形近似(将三维模型转化成STL格式文件)，就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。3.1.1.4、单元表达法3.1.2数据格式目前RP成形系统常用的三种数据格式：1、三维面片模型格式；2、CAD三维数据格式；3、二维层片数据格式。1．三维面片模型格式RP的三维面片格式文件是专为RP技术而开发的数据格式，主要有STL格式和CFL格式两种。

STL(StereoLithographyinterfacespecification）格式是目前RP领域的“准”工业标准。※

STL格式最初出现于1989年美国3DSystems公司生产的SLA快速成型系统，它是目前快速成型系统中最常见的一种文件格式，用于将三维模型近似成小三角形平面的组合。这种格式有ASCII码和二进制码两种输出形式，二进制码输出形式所占用的文件空间比ASCII码输出形式的小得多(一般是1/6)，但ASCII码输出形式可以阅读并能进行直观检查。※

二进制码输出形式的构成如下：由84个字节(byte)组成的题头，其中，前面80个字节用于表示有关文件、作者姓名和注释的信息，最后4个字节用于表示小三角形平面的数目；对于每个小三角形平面，有48个字节用于表示其法向量的X,Y和Z的分量，以及三角形每个顶点x，y和z坐标，每个坐标用4个字节表示；最后有2个不用的字节。STL文件是一种由小三角形面构成的三维多面体模型。从几何上看，STL文件的定义如图3-1所示,每一个三角形面片用三个顶点表示，每个顶点由其坐标(x，Y，z)表示。又必须指明材科包含在面片的哪一边，所以每个三角形面片须有一个法向，用(xn，Yn，zn)表示。对于多个三角形相交于一点的情况，与此点有关的每个三角形面片都要记录该点。从整体上看，STL文件是由许多这样的三角形面片无序排列集合在一起组成。图3-1STL文件格式格式定义如下：＜STL文件＞∷

=＜三角形1＞＜三角形2＞…

＜三角形n＞＜三角形＞∷

=＜法向量＞＜顶点1＞＜顶点2＞＜顶点3＞＜法向量＞∷

=

＜Xn＞＜Yn＞＜Zn＞＜顶点＞∷

=

＜X＞＜Y＞＜Z＞三角形的个数与该模型的近似程度密切相关，越多，近似程度越好、精度越高，反之低。但多生成的STL文件大，后续的处理时间和难度加大。STL文件格式的规则:

(1)共顶点规则。每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点，也就是说，一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个三角形乎而的边上。例如，图3—2(a)表达正确，图3—2(b)表达错误。图3-2共顶点规则的示例（a）表达正确（b）表达错误(2)取向规则。对于每一个小三角形平面，其法向量必须向外，3个顶点连成的矢量方向按右手法则确定(图3—3(a))，而且，对于相邻的小三角形平面，不能出现取向矛盾。根据这个规则可以判断，图3—3(a)表达正确，图3—3(c)表达错误(法向量的取向矛盾)。图3-3取向规则的示例（a）表达正确（b）表达正确（c）表达错误(3)取值规则每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。(4)充满规则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。优点：数据格式简单，处理方便，与具体的CAD系统无关。(1)对原CAD模型的近似度高。原则上,只要三角形的数目足够多，STL文件就可以满足任意精度要求。(2)具有三维几何信息，而且是用面片模型，可直接用于有限元分析(FEA)等。被所有BP设备所接受，已成为大家默认的RP数据转换标准。缺点：

(1)数据冗余量大；

(2)文件数据量大，特别是当近似程度较高时；

(3)易产生裂缝、孔洞、悬面、重叠面和交叉面等错误；

(4)不含有CAD设计的拓扑信息。常用的STL文件格式优、缺点※

由于CAD软件和STL文件格式本身的问题，以及转换过程造成的问题，产生的STL格式文件缺陷，最常见的有以下几个方面：(1)出现违反共顶点规则的三角形。(2)出现错误的裂缝或孔洞。(3)三角形过多或过少。(4)微小特征遗漏或出错。STL文件格式的缺陷※

例如，图3-2(B)中的顶点2落在相邻三角形沟边上，违反了共顶点规则，应删除边A，或者连接顶点1和2(即增补边B)，如图3-2(a)所示，否则不能顺利进行切片处理。出现违反共顶点规则的三角形※

有时，在显示的STL格式模型上，会有错误的裂缝或孔洞(其中无三角形)，违反充满规则。此时，应在这些裂缝或孔洞中增补若干小三角形平面，从面消除错误。出现错误的裂缝或孔洞※进行STL格式转换时，若转换精度选择不当，会出现三角形过多或过少的现象。※当转换精度选择过高时，使产生的三角形过多，所占用的文件空问量太大，可能超出快速成型系统所能接受的范围，并出现一些莫名其妙的错误，导致成型困难；※当转换精度选择过低时，使产生的三角形过少，造成成型件的形状、尺寸精度不满足要求。遇有上述情况时，应适当调整STL格式的转换精度。三角形过多或过少※当三维CAD模型上有非常小的特征结构(如很窄的缝隙、肋条或很小的凸起等)时，可能难于在其上布置足够数目的三角形，致使这些特征结构遗漏或形状出错，或者在后续的切片处理时出现错误、混乱。对于这类问题，比较难于解决。因为如果要想用更高的转换精度(即更小尺寸和更多数目的三角形)以及更小的切片间隔来克服这类缺陷，必然合使占用的文件空间量更大，造成快速成型系统的困难。※多数快速成型系统都有STL格式文件缺陷的修补功能，其中，有的是自动修补，有的是手工修补。微小特征遗漏或出错图3-4采用三维面片模型文件的RP数据处理过程目前国际市场上有几十种CAD软件配有STL文件接口，比如PRO／E、I-DEAS、EUCUD、AUTOCAD、CATIA等。STL面片模型文件是在CAD系统中产生，是对原CAD三维模型的一种近似。目前STL文件是所有RP系统中用得最多的数据转换形式。采用三维面片模型文件的RP系统的数据处理过程如图3-4所示。3.1.2常用的数据格式2．CAD三维数据格式:实体模型和表面模型IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)是美国波音公司和GE公司最初于1980年制定的数据交换规范,是不同CAD／CAM系统间进行数据传送的接口标准，它定义了一套表示CAD／CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。1982年IGES成为ANSI标准，1988年颁布IGES4.0，目前已有IGES5.0版在应用。它虽然不是ISO标准，实际上已是工业标准。3.1.2常用的数据格式2．CAD三维数据格式:实体模型和表面模型IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)是美国波音公司和GE公司最初于1980年制定的数据交换规范,是不同CAD／CAM系统间进行数据传送的接口标准，它定义了一套表示CAD／CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。1982年IGES成为ANSI标准，1988年颁布IGES4.0，目前已有IGES5.0版在应用。它虽然不是ISO标准，实际上已是工业标准。3.1.2常用的数据格式2．CAD三维数据格式:实体模型和表面模型IGES中的基本单元是实体，它分为三类：一是几何实体，如点、直线段、圆弧、B祥条曲线、曲面等；二是描述实体，如尺寸标注，绘图说明等；三是结构实体。如组合项、图组、特性等。IGES不可能，也没有必要包含所有CAD／CAM系统中采用的图形和非图形实体，但从目前国内外常用的CAD／CAM系统中的IGES来看，其中的实体基本是IGES定义实体的子集。IGES的文件格式的定义遵循两条规则(1)IGES的定义可改变复杂结构及其关系(2)IGES文件格式便于各种CAD／CAM系统的处理采用CAD三维数据格式的RP数据处理过程如图3-5所示。图3-5采用CAD三维数据格式的RP数据处理过程IGES的文件格式的缺点：(1)不能精确完整地转换数据，其原因是在不同的CAD／CAM系统之间许多概念不一样，使得某些定义数据，像表面定义数据会丢失。(2)不能转换属性信息。(3)层信息常丢失。(4)不能把两个零部件的信息放在一个文件中。(5)产生的数据量太大，以至许多CAD系统难以处理(无论时间还是存储容量都不适应)。(6)在转换数据的过程中发生的错误很难确定，常要人工去处理IGES文件，对此要花费大量的时间和精力。3.1.2常用的数据格式3．二维层片数据格式CLI,HPGL,SLC等均是二维层片数据格式。与STL文件相比，层片文件具有的优点：(1)大大降低了文件数据量。(2)由于是直接在CAD系统内分层，省赂了STL文件近似表示这一中间步骤，因而模型精度大大提高。(3)省略了STL文件分层，降低了RP系统的前处理时间。(4)由于层片文件是二维文件，因此它的错误较少，错误类型单—，不需要复杂的检验和修复程序。3．二维层片数据格式与STL文件相比，层片文件具有的缺点：

(1)支撑不易添加，文件只有单个层的信息，无体的概念。

(2)零件无法重新定向，无法旋转。

(3)对设计者要求更高。因为实际上前述不足均可在分层之前在CAD系统内由设计者完善，例如可在CAD中加支撑，选择最优定向以便减少误差，等。

(4)分层厚度固定，这对某些RP工艺不太合适。例如LOM工艺。由于分层是所有RP系统所共有的一个过程，希望CAD系统可提供统一的分层接口。从目前来看，层片文件只是STL文件的补充。它的出现使几何造型与RP设备之间的联系方式更为丰富，对反求工程与RP技术的集成尤其有重要意义。从右图3-6可以看出，层片文件作为一种中性文件，应尽量与RP工艺无关，并满足以下要求：图3-6RP中的数据处理(1)易于实施和使用；(2)无二义性；(3)只有二进制格式，使数据量得到压缩。(4)与RP工艺与设备无关；(5)具有开放性，考虑到将来的发展。图3-7采用二维通用层片模型的数据处理过程采用二维通用层片文件作为数据转换标准的数据处理过程如图3-7所示。现行RP的数据转换格式很多，但其数据来源主要是通过CAD系统和反求工程(CT．MRI等)。目前所有的RP工艺都是分层加工，层层堆积成形。也就是说，所有的RP设备都需要二维的分层信息来生成NC代码。CAD模型数据到NC代码的数据转换及流动方式如3-8所示。3.1.2RP成形系统常用的三种数据格式的比较图3-8CAD与RP系统间数据转换与流动过程为使数据转换顺利进行，就必须开发许多软件接口，比如IGES到STL,DXF到STL，SLC文件到RP设备软件，CLI文件到RP设备软件等等。这些软件的开发工作量很大，而且由于各种CAD系统的模型数据采用的数学表示形式多种多样(图3-9)，对不同的数学表示形式都需要不同的分层软件、扫描矢量生成软件，要求所有的RP设备支持这样多的数据模型输入是很不现实。这就产生了RP数据转换标准的问题。图3-9CAD模型的多种数学表示形式3.2数据检验与处理软件数据检验与处理软件是快速成形软件系统中非常重要的一部分。它是CAD文件与具体成型机之间的接口。该软件的功能与水平直接关系到原型的制造精度、成型机的功能、用户的操作等。每个成型机生产厂家都有自己的软件开发思路及具体算法，但有很多是共同的，下面简单介绍该软件的模块结构及各主要模块的功能。3.2.1数据检验与处理软件的模块结构图3-10软件的模块结构图1)STL文件的读入和处理；2)层片文件生成。对STL文件进行分层处理，生成截面轮廓数据，并对分层数据进行优化，得到层片文件；3)填充及网格划分。采用合适的填充算法及方式，对截面轮廓进行填充及网格划分，生成轮廓偏置和网格填充文件；4)数控代码生成。对层片文件及填充文件进行处理，配以加工参数，生成控制机床运动的数控代码；5)对数控代码进行模拟加工。在计算机上模拟显示出加工工具(如FDM工艺中的喷头)的运动轨迹，以检验数据处理结果的正确性；6)手动调试。手动调试功能对成型机各执行部件进行运行调试，保证成型的顺利进行。手动调试包括x、y、z轴调试，FDM工艺中的成形室温度控制、喷头温度控制及送丝调试等，LOM工艺中的热压温度控制等；7)实时显示机床运行情况，包括基本参数、层面形状和运行轨迹形状等；8)辅助功能。包括加工参数设定、运动系统模块调用等9)其他可选功能包括：零件三维模型显示；分层信息模拟显示；支撑结构添加及其模拟显示；加工过程仿真与成形质量预期等等。3.2.2数据处理流程数据处理软件的功能是对CAD模型在成形加工前所做的一系列前处理工作。快速成形的数据处理软件结构如图3-9所示。整个系统共分为三个主要部分：STL文件处理，层片文件处理，工艺处理。图3-11RP数据处理流程STL文件处理和层片文件处理部分主要考虑的是离散／堆积过程中的离散过程，它们将各种三维几何实体模型或表面模型，以及医学CT、MRI的二维层片模型转化为RP设备所能接受的分层格式并做相应处理。工艺处理部分与具体的RP工艺、材料以及相应的零件／原型后处理过程有密切的关系，根据具体工艺和材料的不同要求，它有较大的不同。例如加支撑，对于不同工艺要求差异很大，有些工艺对加支撑要求极高，如SL工艺；有些则不需要添加支撑，如LOM、SLS等。FDM工艺虽然也要加支撑，但与SL工艺的支撑添加过程又不相向。3.2.3主要模块的功能RP软件的主要模块包括：CAD数据接口(一般为STL格式