3D打印机分层软件的设计与实现.doc

东南大学 硕士学位论文3D打印机分层软件的设计与实现姓名：赵辰 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：章国宝 20090401 摘要 摘要 打印机分层软件作为到冲的数据转换和处理接口，是打印机的灵魂。各大打印机生产商一般都开发有自己的分层软件，国外也涌现了很多作为与冲系统之间桥梁的第三方分层软件。但是，这些分层软件价格昂贵，并且无标准化，软件的二次开发困难。针对此现状，我们设计和开发了一种基于文件格式的具有快速分层能力的分层软件，以满足自行研发的打印机的需要。本文详细介绍了这种打印机分层软件的设计与实现。 文章首先介绍了快速成型技术的发展，描述了目前国内外比较流行的打印机分层软件的类型和特点，并重点关注了基于模型的打印机分层软件。 接着，文章在对文件格式分析的基础上，研究了基于的模型可视化，并重点研究了模型的分层算法，给出了各个算法的实现和实例比较。文章结合自行设计的打印机分析了系统的功能需求，设计了打印机分层软件的总体方案，并根据总体的设计方案逐步展开。本文中软件采用了模块化和层次化的设计方法，根据软件工程的模型，进行了软件的模块划分并确定了各部分的功能，对软件的详细设计进行了重点描述。 然后，本文对软件的界面和特性进行了描述，并以一个具体的模型对软件功能和流程进行了详细的介绍。 最后，对本文的工作做了一个总结，并对后续的开发工作指出了方向，对打印机分层软件的研发做了相关展望。关键词：打印机，分层，算法，软件设计，模块化 ， ， ， ， 璐 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 芈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：啦导师签名：二竽礁日期： 第章绪论 第章绪论课题的研究背景和意义 快速成型（ ，简称）技术是世纪年代后期发展起来的一种先进制造技术。二十几年来，该技术在国内得到了迅速的发展，应用领域不断扩大。此技术已“泛应用在机械、汽车、航空航天、电子等行业中，取得了显著的效果。 快速成形技术采片离散堆积的：艺原理，该技术非常适用于形状复杂的不规则零件的制造，使得零件的复杂程度与制造成本基本无关，成功的实现了设计与制造的一体化，解决了中三维造型“看得见，摸不着”的问题嵋。 快速成型的方法很多，典型的有：（光同化法）法、（层迭法）法、（选择烧结法）法、（融堆法）法、（层同化法）法等。“。这些方法各有优缺点，然而这些方法有一个共同的缺点：成形的时间长，而且成本很高，一股的中小型企业难以承受。近年来，国外又推出了一种新的快速成型方法：（三维打印法）法。而采用了方法的快速成型设备被形象地称为打印机。法成型速度比其它技术快倍，其它快速成型设备两三天才能成型的零件，打印机几个小时之内就可以完成。 打印机成本低廉、设备占用空间小，可以成为设计师办公室的办公用品。更重要的是，由于以上的优点，三维打印法能够普及性的改变传统的零件设计模式。传统的零件设计都是二维的三视图，以至现在的一些优秀的设计软件（如、等）虽然能够给设计者立体视图，但是还是没有实现真正的模型设计，客户还是摸不着，而只是概念设计。而法将会使得实体（模型）设计成为可能。通用的软件，如，设计的零件，只需利用打印机分层软件进行切片处理，然后通过数控系统指挥打印机一层层打印。不用多长时间，真实的三维立体模型就会出现在设计者和用户的面前。这样就可以大大节省开支，减少不必要的浪费。而且还可以加快产品的开发，迅速占领市场。相关技术研究现状已有的分层软件 打印机快速成型可以分为离散和堆积两个过程，如图所示。 也够棼到 一 ；】蜜：匿 数据处理过程； 西再薪夏匿运 （层片信息处理） （离散过程） 曷瞅赳径 面丽壶砷 ：一一一一一一，一一一一， 画 ， 叵 ， ！ 物理实现过程 彻埋买现趣程； 堆积过程 目宣 实体模型 图 打印机快速成型的基本过程 东南人学硕上论文 离散过程将模型沿某一方向（如方向）离散为一系列的二维层面（称为分层或切片），得到系列的二维平面信息（截面信息）；分层后的数据进行进一步处理，根据不同上艺的要求将这些信息与打印机数控成型技术相结合，生成代码在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加【出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而构成一个与模型相对应的三维实体模型，这就是堆积的过程九。 从图可以看出，整个过程可以分为数据处理和物理实现两大步骤，其中数据处理主要完成三维模型的离散功能，而物理实现则根据离散的层片信息完成实体的制造。 打印机数据处理技术可以接收和处理任何一个系统输出的三维模型信息（如文件格式），对模型进行分层，最后处理成层片文件格式送入打印机中。打印机接收经数据处理技术处理后的层片文件进行快速成型制造。 快速成型数据处理是技术的第一道环节，也是最重要的一个环节。快速成型数据处理的方法及精度直接影响成犁件的质量。数据处理由软件系统负责完成，冈此分层软件作为剑的数据转换和处理的接口，是打印机的灵魂。各大打印机生产商一般都开发自己的分层软件。如公司的、，公司的，公司的 ，公司的、，公司的， 公司的和等。 由于与接口软件开发的困难性和相对独立性，国外涌现了很多作为与系统之间桥梁的第三方软件。这些软件一般都以常用的数据文件格式作为输入输出接口（如文件），而输出的数据文件般为。比较著名的一些第三方接软件有美国 公司的、，比利时公司的，美国公司的 ，美国公司的等。基于模型的分层软件 不同系统所采用的内部数据格式不同，打印机无法一一适从，这就要求有一种中间数据格式既便于打印机接受义便于不同的系统生成，（ ）格式应运而生了。格式最初出现于年美国 公司生产的快速成形机中，但真正深化和成为工业界的准标准还是在世纪年代，目前，是当前绝大多数商用系统广泛采用的朋）数据接口，我国系统的接口文件均采用标准。 目前系统几乎都支持模型，已成为快速成形行业的工业标准。吸引了广大系统的使用者和开发者，同时也受剑世界上主要燃开发商的关注和支持，越来越多的洲软件系统都增加了输出文件的功能模块，比如、等成型软件都支持文件的输出。 目前国外许多心软件系统都采用格式，常见的有 公司的，公司的，公司的， 公司的，公司的 等。分层软件存在的问题 软件系统中目前存在的问题主要有以下几点： （）成型精度和速度 由模型转换成格式文件，以及随后的切片处理所产生的误差将影响模型最后的成型精度。由于模型分层的算法有很多，采用不同的算法，模型分层的速度也不相同，甚至相差儿十倍。 （）分层软件无标准化，软件二次开发难 绝大多数开发商自行开发与其成形机匹配的软件系统，市场上软件互不兼容，不同系统间相互交换数据非常困难。 （）功能单一 己商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，无法满足不同用户的需求。 第章绪论本文研究内容及章节安排 本文主要阐述了打印机分层软件的设计与实现。文章首先探讨了模型信息的提取和交互式显示，再进一步研究了模型的分层处理算法及其实现，最后给出了打印机分层软件的总体设计以及具体设计和实现。具体的章：了内容安排情况如卜所示： 第二章介绍了模型信息表达方式，并给出了模型的可视化研究。 第三章详细介绍了模型种分层算法的思想和优缺点，给出了每一种算法的具体实现，并通过具体实例对种算法进行了比较。 第四章介绍了打印机分层软件设计方案，包括整体架构设计和详细设计与实现。 第五章介绍了打印机分层软件的测试，并通过一个具体的模型对软件功能和流程进行了详细的介绍。 结束语作为论文的最后一部分对系统软什整体进行了评述和总结，并对系统尚未完善的方面提出了若干建议，以及对打印机分层软件的发展方向作出了展望。 东南人学硕士论文 第章文件中模型信息提取与可视化研究 文件结构与模型信息提取 文件的结构 文件表达一个三维实体模型用大量空间小三角形面片来近似逼近实体模型表面。相当予用由空间三角形构成的多面体逼近原模型。从几何上看，每个空间小三角形面片都用三角形的个顶点坐标及三角面片的法向量来描述，法向量由实体的内部指向外部。为保证模型的合法性、避免数据错误，文件及其几何模型必须遵循一系列规则憎，一个确的数据模型应满足如下条件： （）右手法则：个顶点的次序与法向量满足右手规则； （）定点法每相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点； （）边法则：三角形的每一条边必须且只能由个三角形面片共享； （）面法每个三角形面片只能有个相邻面。 文件一般有和二进制两种格式引，其中采用二进制的文件要比的文件小得多（一般是），但是码输出形式可以直接阅读和检查。图为格式的格式。 格式 模型名称 三角形面片列表 图 文件的格式 文件常用的另一格式是二进制格式。如图所示，文件的二进制存储格式由文件题头和三角面片信息两部分组成。文件题头由个字节组成，前面个字节为注释，最后个字节为三角形平面片总数；每个三角面片信息由个字节组成：包括一个三角面片法矢量（，：）和三个顶点（五，）、（置，：）、（托，匕，）坐标，所有信息均以实数形式存储，每个数值占个字节，平面片法矢量和顶点坐标个数值共占用个字节，最后还有两个预留字节。受存放三角面片总数的字节长度限制，二进制文件可记录三角形总数为一，（个），若模型包含三角形数目为，则其二进制文件容量为：（字节）。 第章文件中模型信息提取与可视化研究 文件名、作者及其它注释信息（字节） 三角面片总数 （）文件题头内容 平面法矢量及三个顶点坐标值（字节） （）一个三角面片内容 图 文件的二进制格式 目前基于模型的数据处理系统一般流程如图所示。 。！ 造型软件 ；数据处理系统 ；文件 八 二