第七章-快速成型技术中的数据处理

快速成型与快速模具制造技术及其应用机械工业出版社（第三版）第七章快速成型技术中的数据处理快速成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。第七章快速成型技术中的数据处理STL数据文件及处理三维模型的切片处理CAD三维模型的构建方法123STL数据编辑与处理软件MagicsRP4CT图像数据处理软Mimics5第七章快速成型技术中的数据处理目前，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7-1所示。第一节CAD三维模型的构建方法图7-1基于数字化产品快速设计基本途径1.1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。第一节CAD三维模型的构建方法第一节CAD三维模型的构建方法一般来说，从事快速成型研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。第一节CAD三维模型的构建方法1.2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（ReverseEngineering，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。第一节CAD三维模型的构建方法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7-2所示。第一节CAD三维模型的构建方法图7-2反求工程技术应用开发流程图第一节CAD三维模型的构建方法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（CoordinateMeasurementMachine—CMM）、激光扫描机（LaserScanner）、零件断层扫描机（CrossSectionScanner）以及CT（ComputerTomography）和MRI（MagneticResonanceImaging）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。第一节CAD三维模型的构建方法图7-3反求工程中的数据采集与处理技术第一节CAD三维模型的构建方法ImagewareSurfacer软件是SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)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。ImagewareSurfacer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。ImagewareSurfacer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。图7-4给出的是ImagewareSurfacer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。第一节CAD三维模型的构建方法图7-4ImagewareSurfacer软件界面及其曲线处理第一节CAD三维模型的构建方法ImagewareSurfacer特别适用于以下情况：①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；②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计算机中建立数字模型；③对现有的零件工装等建立数字化图库；④在模具行业，往往需要用手工修模，修改后的模具型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，ImagewareVerdict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。第一节CAD三维模型的构建方法STL数据文件及处理三维模型的切片处理CAD三维模型的构建方法123STL数据编辑与处理软件MagicsRP4CT图像数据处理软Mimics5第七章快速成型技术中的数据处理快速成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。其中由美国3DSystems公司开发的STL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制造系统都采用STL数据格式。第二节STL数据文件及处理2.1STL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。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，如图7-5所示。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。图7-5采用STL数据格式描述的CAD模型第二节STL数据文件及处理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，主要用来调试程序。右边就是ASCIISTL文件的语法格式。ASCII文件格式的特点：（1）能被人工识别并被修改；（2）文件占用空间大（一般6倍于BINARY形式存储的STL文件）。solidname_of_objectfacetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopendfacetfacetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopendfacet..............endsolidname_of_object第二节STL数据文件及处理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。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84＋50×10000＝500084B≈0.5MB。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6×0.5MB=3.0MB。第二节STL数据文件及处理2.2STL文件的精度STL文件的数据格式是采用小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原型精度要求的高低进行综合考虑。第二节STL数据文件及处理不同的CAD/CAM系统输出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。下面以具有典型形状的圆柱体和球体为例，说明选取不同三角形个数时的近似误差，如下表所示。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。第二节STL数据文件及处理从弦差、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。第二节STL数据文件及处理2.3STL文件的纠错处理1.STL文件的基本规则（1）取向规则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7-6所示。a)正确b)错误图7-6切面的方向性示意图第二节STL数据文件及处理（2）点点规则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，图7-7便示意