快速成型技术的数据处理

1、本章的目标，确定快速原型技术的数据处理流程，确定快速原型技术的数据处理软件，确定数据处理软件的分层处理原理，第4章快速原型技术的数据处理，第1章快速原型技术的数据处理，快速原型产品的制作需要三维模型支持，但是CAD软件或逆向工程的三维模型数据必须存储为快速原型系统可以接受的数据格式。在快速成型之前，在堆栈方向执行分层操作表明，大量数据准备和处理工作对快速成型至关重要。4.1数据处理过程、快速保护技术的典型数据处理过程将通过CAD系统或逆向工程获得的3d模型存储为快速保护分层软件可以接受的数据格式，然后使用分层软件(如STL文件处理、过程处理、分层处理)生成模型的各种扫描信息，最后在快速保护设备

2、中接受，快速保护数据处理基于三维CAD模型或其他数据模型；使用分层软件将模型分离为分段数据，然后将其传递到快速保护系统的过程；基本过程：2，4.2挂起数据源，1。直接构建3d模型对于直接构建3d模型，最常用的数据处理方法是首先将构建的CAD实体模型转换为三角网格模型(STL文件)，然后分层以获得加工路径。当前，主流“快速成型”系统基于STL文件加工，因此商用CAD软件通常包含输出STL文件的功能模块。2.逆向工程建模是对现有实物进行数字化。也就是说，使用逆向工程测量设备收集实物表面信息，形成对象表面的点云数据，并在此基础上构建实物的三维模型。逆向工程建模的数据处理方法主要有两种。一种是三角化日

3、志据点，生成STL文件，然后分层。另一种是直接在日志据点分层。3，4.3数据接口格式，快速原型系统本身没有三维建模功能，rapid prototyping系统通常使用商业CAD软件来获取对象的三维数据，但是用于描述几何模型的不同CAD软件使用的数据格式不同，快速原型系统一一不符，导致数据交换和信息共享失败因此，必须具有中间数据格式，即CAD软件和快速保护系统之间的标准接口。此格式必须能够被快速成型系统接受和处理，并且可以由市场上的大多数CAD软件生成。目前rapid prototyping业界最常用的三种资料介面格式为3d修补模型格式、CAD 3d资料格式和2d片段资料格式。4，4.3.1 3

4、d面片模型格式，3d面片模型格式的原理是使用大量小三角形面片近似表示自由形式曲面。常用的三维修补模型格式有两种：STL格式和CFL格式。其中，由美国3D Systems开发的STL文件格式是专门为rapid prototyping技术开发的数据格式，可被大多数rapid prototyping系统接受，是rapid prototyping行业最常用的数据格式，现在被广泛认为是rapid prototyping的标准数据接口格式。STL格式的文件包括常规3d模型、STL 3d修补模型和5，1 .STL文件的构造，将3d CAD模型的曲面分割为多个三角形曲面片的STL格式文件，这是一个使用许多小三

5、角形平面近似表示源CAD模型曲面的数据模型，由多个不同精度的三角形网格分割而成。STL文件是多个三角形修补程序的集合，数据结构非常简单，与CAD系统无关。STL文件中的每个三角形面片都显示为三角形的顶点坐标和三角形面片的外部法线向量。6，2。STL文件的格式，格式为文本(ASCII)和二进制(BINARY)。(1)文本(ASCII)格式此格式使用四个数据项表示三角形面片信息单位facet，即三角形三个顶点的坐标和三角形面片指向实体外部的法线矢量坐标。更改格式的特点是易于手动识别和修改，但该格式的文件占用了太多空间，目前仅用于调试程序。ASCII格式的语法如下：solid name_of_obj

6、ect(提供完整STL文件的第一行、文件路径和文件名)Facet normal x y z(面法线是三角形面片指向实体外部的法线向量坐标)outer loop (outer loop说明中的每个facet由上述7行数据组成)facet normal x y z outer loop vertex x y vertex x y z vertex x y z end loop end facet end solid name of object，7，(2)bing 后面记录每个三角形面片的几何体信息，每个三角形面片占用固定的50个字节。BINARY格式的语法如下：# of bytes descri

7、ption 80相关文件， 作者姓名和注释信息4小三角形平面的数目facet 1 4 float normal x 4 float normal y 4 float normal z(上述4字节浮点数字表示边修补方法矢量)4 float vertex 1 x 4 float vert Ex1 z(上述3个4字节浮点数字表示顶点1的坐标) 4 float vertex 2 x 4 float vertex 2y 4 float vertex 2 z(上述三个4字节浮点数字表示顶点2的坐标)4 float vertex 3 x 4 float verte X3 z(上述三个4字节浮点数字表示顶点3

8、的坐标)2未使用(三角形面片3d模型在曲面三角形网格后渲染多面体，因此在输出STL格式时应合理设置参数值以提高成型质量。通常，在CAD软件中输出STL文件时，建议将参数值(如弦高、误差和角度公差)设置为0.01或0.02。9，3.STL文件中的规范，STL文件必须符合特定规范以确保三角形修补程序表示的模型图元的唯一性。否则，STL文件无效，如下所示：1)方向原则STL文件中的每个三角形面片都由三条边组成，且具有方向。三条边按逆时针顺序由右手确定面的法向矢量，该法向矢量必须指向所描述的实体曲面的外部，相邻三角形的方向不能有矛盾。正确，错误，10，2)公用顶点规则，两个相邻的三角形面片只能共享两个

9、顶点。也就是说，面片上的顶点不能落在其中一个相邻三角形面片的边上。精确，错误，11，3)值规则。STL文件中的所有顶点坐标必须为正。也就是说，STL模型应位于象限1。目前，几乎所有CAD/CAM软件都允许在任意空间位置生成STL文件，但是使用AutoCAD时必须遵守此规则。4) STL模型中的所有曲面必须填充三角形面片，不能有遗漏。也就是说，不能有裂缝或洞。12，4，STL文件的精度，自由形式曲面的三角形修补程序(通过三角网络处理三维实体模型获得的数据文件)通过将实体曲面分为多个三角形修补程序来近似理想的三维实体模型。近似的精度通常由曲面到三角形平面的距离误差控制，或由曲面到三角形边的弦高度差

10、控制。错误越小，所需的三角形嵌片越多，三维实体形成的形状越接近理想实体的形状。但是，精度的增加会增大STL文件的大小，显着增加层处理时间，有时剖面的轮廓会生成很多小的直线段，这对轮廓的扫描运动不利，从而导致曲面不平滑和成型效率下降。因此，从CAD软件导出STL文件时，所选择的精度指标和控制参数必须综合考虑，具体取决于CAD模型的复杂性和快速成型精度要求的程度。5 .STL文件的优点，(1)文件生成简单。几乎所有CAD软件都具有导出STL文件的功能，以及控制输出精度的功能。(2)适用对象广泛。几乎所有3d模型都可以使用曲面三角形网格生成STL文件。(3)分层算法简单。STL文件数据结构简单，分层

11、算法也相对简单。(4)模型易于分割。如果零件较大，在成型机中难以成型一次，则将零件模型分成多个较小的部分单独制造，而分割STL模型相对简单。(5)接口通用性好。几乎可以在所有快速成型设备上使用，并且是业界公认的快速成型数据接口标准。15，6。STL文件的限制，(1)近似值。STL模型只是3d CAD模型的粗略描述，并不能非常精确地恢复模型的曲面。(2)信息不足。STL文件只能无序地列出构成模型曲面的所有三角曲面片的几何信息，缺少此类信息通常不包含导致信息处理和分层效率低下的曲面片之间的拓扑邻接信息。将3d CAD模型转换为STL模型时，有关公差、零件颜色和材料的信息会丢失。(3)数据冗馀。ST

12、L文件包含大量重复数据，因为每个三角形面片上的顶点属于不同的三角形，因此同一顶点在STL文件中多次存储。(4)准确度损失。在STL文件中，顶点坐标都是单精度浮点，而在3d CAD模型中，顶点坐标通常是双精度浮点，会导致一定级别的数据错误。(5)错误和缺陷。STL文件还容易产生许多错误和缺陷，例如重叠面、孔、法向矢量和相交面。16，4.3.2 CAD 3d数据格式可与3d修补程序模型格式相比准确描述CAD模型。目前常用的CAD 3d资料格式主要有三种：STEP标准介面、实体模型格式IGES和曲面模型格式DXF。1 .step标准接口、STEP(产品数据交换标准)是产品模型数据交换标准格式，是国际

13、公认的CAD数据文件交换的全球统一标准。STEP格式可以完整地描述交换的产品数据，完全满足CAD软件到快速保护系统的数据转换需要，但是STEP格式还包含许多快速保护系统不需要的重复信息，其中包括算法、文件内容提取等方面的大量研究工作，以基于STEP格式执行快速保护数据转换。17，4.3.2 CAD 3d数据格式、常用的CAD 3d数据格式主要有三种：STEP标准界面、实体模型格式IGES和曲面模型格式DXF。2 .实体模型格式IGES，初始图形交换规范(IGES)是商业CAD系统的图形信息交换标准。IGES是可应用于几乎所有商业CAD系统的通用标准，其优点在于可以使用各种点、线、曲面、主体等实

14、体信息准确描述CAD模型。但是，IGES文件通常包含大量重复信息，基于IGES格式的切片算法也比基于STL格式的切片算法复杂。3 .曲面模型格式DXF、图形交换文件(DXF)是Autodesk corporation开发的图形交换文件格式，AutoCAD始终使用DXF格式文件在不同的应用程序之间进行图形数据交换。DXF文件可读性强，可以在其他程序中轻松处理，但是DXF格式文件数据量大，结构复杂，说明复杂的产品信息时容易出现信息丢失问题。，18，4.3.3二维代码段数据格式和常用的二维代码段数据格式(SLC格式和CLI格式)。这只是对STL文件的补充，对于逆向工程和RP技术的集成而言，它是一个中

15、性文件，可在3d模型和RP设备之间进一步丰富连接，而与RP设备和过程无关。与STL文件相比的优点：1)显着减少文件数据量2)在CAD系统中直接提高模型精度3)通过跳过STL层减少RP系统的预处理时间4)这是一个2d文件，具有较少的错误，不需要复杂的检查和修复程序。19，4.3.3 2d切片数据格式，1 .SLC格式，SLC格式是Materialise为导入rapid prototyping 3d模型的分层切片数据而开发的存储格式。是CAD模型2.5维的轮廓说明，由一系列在z方向上逐步向上、围绕内部和外部边界轮廓线周围的复合实体组成。SLC格式的轮廓仍然只是实体截面的近似值，因此精度不高。此格式

16、也很复杂，文件很大，生成时间很长。20，4.3.3二维代码段数据格式和常用的二维代码段数据格式(SLC格式和CLI格式)。2 .CLI格式、CLI文件是当前rapid prototyping设备通常接受的数据接口文件，可以分为三维模型分层后处理路径的数据文件存储格式或ASCII代码和二进制代码两种格式。CLI文件主要由头文件和几何数据组成。标头文件主要记录度量、文件创建日期、总级别数和用户数据。几何数据部分主要用于记录2d截面中的层、描述多边形轮廓的多段、图案填充等数据单元。与SLC格式不同，CLI格式直接描述2d切片信息，因此文件中的错误更少，类型更单一，文件大小比STL文件小得多。但是，CLI格式使用直线段作为默认描述单位，从而降低了轮廓精度，无法重定向零件。21，4.4数据处理软件模块，rapid prototyping系统需要不同的软件才能执行不同阶段的特定功能。基于CAD模型的快速保护软件系统通常包含三个部分：CAD建模软件、数据处理软件和监控软件。CAD建模软件负责构建模型、设计支持结构和输出中间格式文件。数据处