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面向快速成形与制造的CAD模型直接切片软件研究与开发毛飞龙（上海大学机自学院，上海200072）摘要：快速成形技术（RapidPrototyping,RP）有效的缩短了产品开发周期，降低了开发风险，提高了产品的市场竞争力，从而得到了广泛的应用。然而STL格式存在数据冗余、几何精度低、容易产生错误等缺点，给实际应用带来了诸多不便。该论文采用模型直接切片方法进行模型分层切片，以克服基于STL的模型分层切片方法的缺陷；为了使该方法具有很好的独立性和灵活性，利用IGES和STEP203这两种数据结构开放的文件格式与通用的几何造型软件之间进行数据交换；为了降低开发难度和工作量，提高程序开发效率和稳定性，引入OpenCASCADE几何造型内核并利用该内核中的相关工具执行求交计算。基于该方法开发面向快速成形的模型直接切片软件导入通用几何造型软件生成的IGES格式和STEP203格式数据文件，进行模型分层切片和层片内扫描路径规划操作，最终生成快速成形设备所能识别的数据文件用于控制零件加工过程。关键词：快速成形技术，直接切片技术，路径规划，IGES，STEP203，OpenCASCADEResearchandDevelopmentofCADModelDirectSlicingSoftwareFacingtoRapidPrototypingandManufacturingMaoFei-long(schoolofmechanics,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:RapidPrototyping(RP)technologyhasbeenwidelyusedbecauseitcanshortenproductdevelopmentcycleanddecreasedevelopmentrisk,whichenhancethemarketcompetitivenessoftheproduct.Howeveritalsohassomedisadvantagessuchasdataredundancy,lowaccuracy,dataerrorsandsoon,whichcausesomeinconvenience.ModeldirectslicingmethodisusedinthispapertoavoidthedisadvantagesoftheSTLformatfile.Inordertomakecertainoftheindependenceandflexibilityofthismethod,IGESformatfileandSTEP203formatfile,whichcanbegeneratedbyanyexistingCADmodelingsoftware,areusedtoexchangedatabetweenCADmodelingsoftwareandthemodelslicingsoftware.OpenCASCADEmodelingkernelisusedtomakethedevelopmenteasierandthemoreefficient.ThemodeldirectslicingsoftwarebasedonthismethodimportsIGESformatandSTEP203formatfileandimplementthemodelslicingandpathplanning.ThedatafilewhichcanbeacceptedbytheRPmachineisgeneratedbythesoftwaretocontrolthemanufacturingprocess.Keywords:rapidprototyping,modeldirectslicing,pathplanning,IGES,STEP203,OpenCASCADE随着社会的发展，消费者对于产品多样性的需求日益增加，这使得制造类企业必须不断缩短产品开发周期、提高产品质量、降低制造成本才能够很好的响应市场的不断变化。快速成形技术（RapidPrototyping,RP）就是在这样的背景下产生的。与传统的去除材料的加工方法不同，快速成形技术采用添加材料的方法，逐层堆积实体材料构成三维实体模型[1]。快速成形技术不需要木模、塑料模或者陶瓷模，可以根据CAD造型数据或反求所得到的模型数据直接制造出三维实体模型，这便大大的缩短了产品的开发周期，降低了产品开发的风险和成本，提高了产品的市场竞争力[1]-[3]。由于材料和工艺的局限性，最初的快速成形技术多数采用非金属材料，制造出的零件往往用于产品的概念设计或者作为翻制硅胶模具的母模，而不能直接作为零件使用。随着技术的发展，各种新的快速成形方法不断涌现，越来越多的材料被用在快速成形技术中，从而大大的拓展了快速成形技术的应用领域[4]。近年来，快速成形技术的研究重心开始转向利用层片堆积的方法制造可直接应用的金属零件，即由快速原型向快速制造（RapidManufacturing,RM）的方向发展[5]。为了实现批量生产高质量、低成本的产品，快速成形技术被用来直接制造模具，即快速模具技术（RapidTooling,RT）[6]。近年来，利用RT技术快速制造硅胶、树脂等材料的软模方面取得了很大的进步，快速制造硬质模具尤其是金属模具成为了快速制模研究中的主要方向[7]。快速成形技术有效的缩短产品的开发周期，降低了开发的风险，而快速制造和快速模具技术使得产品得以高效率、低成本、批量化生产，并快速投放市场，这些都使企业的市场竞争力得到了很大的提高。近年来，随着计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）技术和计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing,CAM）技术的广泛应用，可以使用三维几何造型软件设计三维实体模型或者通过反求技术（ReverseEngineering,RE）获取三维模型数据，然后进行模型切片处理和加工路径计算，并输出可用于快速成形设备的加工数据，制造实体零件[8]-[9]。快速成形与制造技术已经在航空、军事、汽车、医疗、家电、玩具等诸多领域得到了广泛的应用[10]-[12]。本课题组开发了等离子熔积直接制造技术[13]。该技术是一种三维焊接成形方法，以高度压缩、集束性好的等离子束为热源，熔化金属粉末材料，沉积到基板表面或熔积层的熔池中，逐层堆积形成实体零件。该技术不仅可以制造金属原型，还可以直接制造金属零件，并且可以在制造过程中使用不同组分的金属粉末制造梯度功能材料，该技术解决了以往快速成形技术无法直接制造高密度、高质量金属零件的缺点。由于等离子熔积直接制造技术也是采用分层堆积的方法成形实体零件，因此不可避免的会出现阶梯效应，从而导致成形件表面质量较差，精度较低。针对这一问题，本课题组提出将等离子熔积成形和激光切割复合的方法，即在一层金属粉末堆积完成之后，用高能激光束沿着层片轮廓切线方向切除熔积层片轮廓上的多余金属和毛刺，从而消除表面阶梯[14]。在利用等离子熔积直接制造技术成形复杂形状、大倾角零件的过程中，可能会产生流淌、坍塌以及表面阶梯效应，造成成形困难、精度难以控制等问题。为此，本课题组将等离子熔积成形和铣削复合，即在等离子熔积的过程中复合数控铣削精整，该方法可实现难加工金属零件或梯度功能材料零件的快速低成本无模直接制造[15][16]。快速成形与快速制造技术是通过逐层堆积材料得到三维实体零件的一种加工方法，因此需要获取零件各个层片轮廓的数据。基于CAD/CAM的快速成形与快速制造技术利用CAD造型软件构造三维实体模型，然后利用CAM软件完成模型分层切片并获得层片轮廓数据。Pro/Engineer,Unigraphics,CATIA,SolidWorks等CAD软件均可以用来构造三维模型，对于已经存在的三维零件可以通过反求工程来获取模型数据[17]。由于不同的快速成形技术在工艺要求、数据接口等方面存在一定的差异，目前还没有适合于所有快速成形方法的通用CAM软件。因此，有必要根据本课题组的实际情况开发相应的CAM软件。目前大多数快速成形设备无法直接利用三维实体模型数据进行加工制造，需要利用CAM软件根据实际的工艺要求对模型数据进行处理，然后再将处理结果输出为加工设备所能够识别的数据格式，输入加工设备进行制造。不同的快速成形设备对模型数据处理方法和输出数据格式具有不同的要求，因此需要根据实际情况开发相应的CAM软件。本文旨在研究和开发面向快速成形技术的CAM软件为课题组的等离子熔积直接制造技术提供软件支持。目前大多数用于快速成形的CAM软件将STL文件格式作为数据输入接口，导入STL格式三维模型，并执行模型的分层切片。STL格式模型为离散数据格式，利用小三角面片来逼近描述三维实体。然而，STL文件存在诸多缺点，例如数据冗余、文件尺寸大、缺少拓扑信息、几何精度低、容易产生错误等[18][19]，从而给实际的应用带来了诸多不便，尤其是模型错误使得在实际应用中往往需要进行STL文件的校验和模型文件修复这一项繁琐的工作[19]，增加了工作量，降低了工作效率，提高了制造成本。CAD模型直接切片技术与STL模型切片有所不同，直接切片不使用STL模型，也不对模型执行类似于STL模型生成过程中的三角化离散操作，而是直接对参数化模型进行切片，即利用切片平面与参数化模型进行求交，提取并连接交线作为层片轮廓。由于基于STL的模型切片方法具有一定的局限性，而模型直接切片方法能够很好的解决这一问题，因此本文的目的在于研究CAD模型直接切片技术，并开发面向快速成形的模型直接切片和路径规划软件。该软件将克服课题组原有的基于STL模型的快速成形软件的缺点，为参数化三维模型数据处理软件研究与开发奠定基础。根据软件工程思想，系统化的、顺序的软件开发一般按照分析、设计（概要设计和详细设计）、编码、测试的次序进行[20]。分析阶段的主要任务是要弄清楚软件要实现那些功能，即解决“做什么”的问题。设计阶段的主要任务是要把软件需求用一定的方法转换为软件表示，即解决“怎么做”的问题。设计阶段包括概要设计和详细设计，概要设计是要设计出软件的总体框架结构，而详细设计则是对概要设计进一步细化。编码阶段的任务是使用编程语言来实现软件的功能。测试阶段的任务是发现各个阶段中出现的错误。本章将按照软件工程学的方法，从分析和设计两个方面详述面向快速成形与制造的模型直接切片软件系统的开发过程。1.系统分析1.1系统需求分析软件需要能够导入通用CAD造型软件（UG、PRO/ENGINEER、SolidWorks、Catia等）生成的IGES格式（.igs/.iges）和STEP203格式（.stp/.step）的模型数据文件，正确显示实体模型，根据用户所设定的切片方向和参数对模型进行直接分层切片以及完成层片内的扫描填充路径规划，正确显示层片轮廓和填充路径，并生成加工代码。1.2功能需求分析本软件需要提供以下功能：①为了更好的进行人机交互，方便用户操作，软件需要提供图形交互界面；②为了视觉上更加美观，软件需要提供模型颜色、模型表面材质改变等模型外观操作；③为了从各个视角观察模型，软件需要提供正视图、左视图、右视图、前视图、后视图等视图选择操作；④为了用户更方便的观察模型，软件需要提供平移、缩放、旋转、全屏显示、局部放大显示等视图变换操作；⑤由于本软件统一沿Z轴方向分层切片，因此软件需提供几何变换操作，以便用户在分层切片之前将模型的最佳切片方向变换到Z轴方向上。⑥软件需要提供文件选择对话框供用户选择文件，参数输入对话框供用户输入相关参数；⑦软件需完成模型的直接分层切片和层片内扫描填充路径规划，并根据用户需求显示相关结果；⑧软件需要能够生成数控设备所能识别的加工代码；⑨为了方便与其他系统的数据交换，软件需要提供切片结果的存储功能；⑩为了与课题组已有的FGM建模与路径规划软件进行数据交换，软件需要提供模型体素化和体素数据存储功能。1.3系统设计本文根据功