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快速成型加工的自适应分层及 冗余数据的优化处理研究 摘要 本文针对现有软件等厚度分层的不是，自主开发了一个针对s t l 文件的快速成型技术自适应分层切片处理的软件。该软件以s t l 文 件为数据输入接口，三维图型通过本软件的处理，可以生成用于快速 成型加工的扫描路径文件。这种中间处理方式即为目前流行的借助于 第三方软件进行快速成型加工的模式。 本文软件在编写过程中提出了两个创新的算法：其一是提出自适 应分层层厚算法；其二是直接将截面轮廓环与扫描线求交存储法。前 者将面积变化率的控制与分层阶梯误差范围的控制相结合，是本文的 一大创新。后者在处理截面轮廓环的问题上，放弃了对截面轮廓环进 行排序存储的传统方法，而是另辟蹊径，采用了直接将截面轮廓环与 扫描线求交存储的方式。这种算法省去了对截面轮廓环的排序过程中 所用时间，提高了软件的运算效率，形成本算法的一个优势。 本文软件对s t l 文件的自适应分层结果与相关的理论计算结果， 基本相吻合。已基本具备实用化快速成型第三方软件的基本功能。该 软件的编写完成，在开发整套具有自主知识产权的快速成型加工系统 中迈出关键一步，对提升快速成型加工技术软件水平具有重大的意 义。 摘要 关键词：快速成型，软件，自适应分层，冗余数据优化 摘要 r e s e a r c ho fa d a p t l v es l i c i n ga n d r e d u n d a n td a t ao p t i m i z i n gi nr a p i d p r o t o t y h n gm a n u f a c t u r j n g a b s t r a c t ah n do fs o f 啊a r eh 鸹d e 、r d o p e df o rr a p i dp r o t o t y p i n gi nt h i sp 印e r 髓i ss o f h v a r eu s e sb i n a f ys t lf i l c sa sd a t ai n p u t i tc a ng e n e m t et l l e s c a n n i n gp a t l lt h a tc a nb e u s e di nr a p i dp r o t o t y p i n gn l a n u f 配t i l r i n g t h i s t y p eo f m a n u f 赴t i l r i n g m o d eb yt h ea i do f m i d p r o c e s si sp r e v a i l i n ga tm e p r e s e n tt i m e h e r ep u t sf o 州a r ds o m ei n n o v a t i n g a l g o r i t h m sd u r 主n gt 1 1 ep e r i o do f p r o 铲删n gt l l i ss o f 啊a 她an e wa d a p t i v es l i c i n ga l g o r i t h i i lh a sp u t f o n a r d ，w h i c hc o m b i n e st h er a t eo fa r e ac h a r i g ew i 也s c a l a r i f o r me r m r f o rc o m p u t i n gt h el a y 盯恤i c i m e s s t h i sn e w w a yi so n eo fi n n o v a t i o ni n t h i sp a p e r o nt h ep b l 锄o f p r o c e s s i n gt h es e c t i o n a lc o n t o u rl o o p s ，t l l e t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g 啪yw 鹊t os e q u 朗c ct 1 1 es e c t i o n a lc o n t o u rl o o p s t h i sp a p e ra b a l l d o n st h a t 州i t i o n a lw a y ，b u tp u t sf b 州a r dan e w w a yi n w h i c hi tc a nm e m o r i z et h e i n t e r s e c t i n gp o i n t sd i r e c t l yw h i c h a r e c o m p u t e d 舫mt h ei n t 靶c t i o no fs e 甜o n a lc o n t o u rl o o p sa n ds c a n n i n g s t r a i g h tl i n e s t h ed o m i n 盐c eo fm i sa l g o t h mi st h a ti tc a ni m p r o v e 也e d a t a - p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yb yo 血t t i n gm es e q u e n c ep r o c e s s i i 【 摘要 b o t ht h er e s u l to fa d a p t i v es l i c i n ga n dt h er e s u ro ft h e o r e t i c a l a r i t h m e t i ca l ec o n s i s t e n t t h i s s o t t w a r eh a st h eb a s i cf u n c t i o n so f c o m m e r c i a lm i d p r o c e s s i n gs o f t w a r e t h ea c h i e v e m e n to ft h i ss o f t w a r ei s a s i g n i f i c a n ts t e p f o r d e v e l o p i n g t h ew h o l e r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，s o f t w a r e ，a d a p t i v es l i c i n g ，r e d u n d a n t d a t ao p t i m i z i n g 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 2 09 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：单! 盘年 日期： 立! ! ! 牟纽宣一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在卫年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：墅! ! 兰纽i 堕 日期：= 趋：! 盘 北京化工大学硕士学位论文 1 1 快速原型制造技术 第一章绪论 快速成型技术是信息时代的产物，其技术系统的核心是信息采集及处理， 从本质一1 - 讲，r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 制造技术系统中的各个转换环节 都是信息处理的环节，如数据处理反求工程，原型制造，快速工模具制造等。 r p 技术对制造业新产品研究开发的促进作用己为业界人士所共识。到目前为止 已有十几种不同的r p 系统闯世，其中比较流行的有s l a ( s t e r e o - l i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ) s l s ( s e l e c t i v el a s 口s i n t e t i a 9 0 ，f d m ( f u s e dd o p o s i f i o nm o d e l i n g ) 和 l o m ( l a m i n a t e d 嘶e c im a n u f a c t m e ) 等“j ，4 】。 1 1 2r p 制造技术与并行工程 并行工程技术是对产品及其相关过程( 包括制遣过程和支持过程) 进行并 行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从一开始就考虑到 产品全生命周期( 从概念形成到产品报废) 内各阶段的因素( 如功能、制造、装 配、作业调度、质量、成本、维护与用户需求等等) ，并强调各部门的协同工作， 通过建立各决策者之间的有效的信息交流与通讯机制，综合考虑备相关因素的影 响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，得以解决，从而 使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回牧再生等方 面的特性，摄大限度地减少设计反复。缩短设计、生产准备和制造时间【2 】。 并行工程技术的研究范围一般可分为： 1 ) 并行工程管理与过程控制技术 2 ) 并行设计技术 3 ) 快速制造技术 r p 技术的应用，可以使得快速制造技术成为了可能，因此能进一步缩短整 个产品开发的周期，提高效率。 快速成型技术由于其制造的特殊性及其在并行工程中的应用，它相对于传 统制造技术有如下优势： 1 ) 缩短生产开发时间 2 ) 整体研发费用的减少 2 ) 整体研发费用的减少 北京化工大学硕士学位论文 3 1 可制造较高复杂度的产品 4 ) 使产品后期修正维护的费用域少 从制造企业角度来说，这种新型制造技术能更好满足广大客户的不确定性 需求，能提供多种具有个性魅力的功能性产品，从而在激烈的市场环境下拥有更 强的竞争力。 1 1 3 快速成型工艺基本原理【1 , 3 , 4 , 5 1 , 5 2 快速成型制造技术( r p m - - r a p i dp r o t o t y p i n g f p a r t sm a n u f a c t u r i n g ) ，是由 c a d 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。快速成型工 艺属于生产产品过程。与研磨等通过除去材料的加工过程相比，在快速原型制造 中，依靠把形体元素集结在一起形成零件。快速成型技术采用离散堆积成型原 理，其过程是：先由三维c a d 软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模 型( 亦称电子模型) ；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的 三维电子模型变成二维平面信息( 截面信息) ，将分层后的数据进行一定的处理。 加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地 连续加工出每个薄层，著使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。快速 成型工艺从整体上可分为两部分，一部分是数字层片信息的生成，一部分是物理 层片实体的生成。 1 1 4 快速成型制造技术的应用 l u ，m 技术的具体工艺不下3 0 余种。最为成熟的有以下四种i l l ： 1 立体印刷( s l a ，s t e r e o l i t h g r a p h y a p p a r a t u s ) 将激光( 或紫外光) 聚焦到相应光固化液态材料( 如光固化树脂) 表面，令 其有规律地固化，由点弱线，到面，完成一个层面的建造；而后升降平台，移动 一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层，由此层层迭加， 成为一个三维实件。 2 分层实体制造( l o m ，l a m i n a t e d o b j e c t m an l l f a c b 】d n 窭) 它采用激光或刀具对箔材进行切割而获得个层面。具体的说，首先切割出 工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升 降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层片，并将其与原有的层片粘接在 一起，这样层层迭加后得到一个块状物：最后将不属于原型的材科小块剥除，就 获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸( 涂有粘接剂覆层的纸) ， 北京化工大学硕士学位论文 涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。 3 选择性激光烧结( s l s ，s e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ) 对于由粉末铺成的有很好密实度和平整度的层面，在激光有选择地直接或间 接照射下，粉末熔化或粘接，形成一个层片。然后再铺粉压实，罔激光照射使粉 层熔结或粘接成另一个层片，并与原层面烙结或粘接。如此层层迭加为一个三维 实体。 4 熔融沉积成形( f d m ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 将热熔性材料( a b s 、尼龙或蜡) 通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层 面，然后将第二个层面用同样的方法建造出，并与前个层面熔结在一起，如此 层层堆积而获得一个三维实体。 1 1 5 快速成型技术的发展p s l 1 1 5 1 国外r 跚工艺装备的发展 目前r p m 的工艺装备发展速度很快，前述四种r p m 技术都已由许多公司 开发了自己的装备。美国主要的r p m 生产商有6 家，分别是3 d s y s t m e s 、h e l i s y s 、 d t m 、s t r a t a s y s 、s a n d e rp r o t o t y p e 、s o l i g e n 等公司。日本有6 家，即c m e t 、 d - m e c 、t e i j ms e l k i 、k i r ac o r p 、m i t s u iz o s e n 和d e n k e ne n g i n e r t i n g ，欧洲有3 家，即德国的e o s 、以色列的c u b i t a l 、f & s 。 1 1 5 2 国外r 嗍软件的发展 快速成型软件是r 蹦系统的灵魂。目前国外大的r p m 生产厂商一般都使用 自己开发的数据变换接口软件。如3 ds y s t e m 公司的a c e s 、q u i c k c a s t , h e l i s y s 公司的l o m s i i c e , d t m 的r a p i dt o o l 。s t r a t a s y s 的q u i c k s l i c e 、 s u p p r t w o k s 、a u t o g a n ，c u b i t a i 的s o l i d e r d f e ，s a n d e rp r o t o t y p e 的p r o t b u i l d 和 p r o t o s u p p o r l 等。由于c a d 与r p m 的数据变换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c a d 与r p 系统之间的桥梁的第三方软件。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。输入的数据文件格式有 s t l 、i g e s 、d x f 、h p g l 、c t 层文件等，而输出的数据文件一般为c l i 。国外 比较著名的些第三方接口软件有：美国s o l i dc o n c e p t 公司的b r i d g ew o r k “ s o l i dv i e w ，比利时m a t o i a l i s e 公司的m a g i c , s ，美国p o g d 公司的s t lm a n a g e r , 美国i g o r e t e b e l e v 的s t i l l v i e w ，美国i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e - r p m 等。 北京化工大学硕士学位论文 1 1 5 3 国外r 蹦成型材料的发展 成型材料是r p m 技术发展的关键环节。国外r p m 材料见表1 1 所示。 表1 - 1 各类成型材料 t a b l e1 - 1p r o t o t y p i n gm a t m i a l 材料形态液态固态粉末固态片材固态丝材 l 具体材料光固化树艏非金属金属覆蜡纸、覆膜塑 蜡丝、a b s 蜡粉、尼龙将、钢粉、覆蜡 料、覆蜡陶瓷箔、 丝等 覆蜡陶瓷粉等钢粉等覆膜金属箔等 1 1 5 4 中国r p m 发展现状 中国发展了s l a 、l o m 、f d m 、s l s 四种r p m 工艺与装备，其中进行s l a 工艺研究的有西安交通大学，清华大学，进行l o m 工艺研究的有清华大学、华 中理工大学。进行f d m 工艺研究的只有清华大学一家，进行s l s 工艺研究的有 北京隆源公司、南京航空航天大学等。国内在材料方面进行的研究较少，现在研 究的材料主要是s l 用料：光固化树脂( 西安交大、清华大学、浙江大学) ，f d m 用料：蜡、a b s 及尼龙( 清华大学) ，l o m 用料：涂敷纸( 华中理工大学、清华 大学) ，s l s 用料：树膳瞄、工程塑科( 北京隆源公司) 等。有关单位开展了r p 的后端应用技术。r p 后端应用技术主要是指从r p 到r t 转换工艺和设备研究。 清华大学现在正在研究大型陶瓷型技术。尺寸凝固模拟技术等。西安交通大学研 究了从原型到石墨电极的制备方法并开发了相应设备g e t - 5 0 0 a 。 1 2 课题的意义 日前，企业与企业之问的竞争越来越激烈。从抽象意义上讲，凡是生产相 似类型产品的企业都可以称为竞争对手。这种竞争是全方位的，主要包括产品生 产效率，产品质量，产品售后服务，产品研发实力，产品销售渠道等方面。其中， 产品质量的好坏直接影响到该企业的竞争实力。可以说，好的产品质量是企业强 力竞争力的根本保障。如何才能使得企业的拥有更好的产品质量呢? 这主要有三 方面的影响因素，其一是强的研发能力，其二是强的生产加工能力。其三是研发 与实际生产加工的联系程度。这三者是互相依存，缺一不可的。如果仅有好的研 发能力，但却不能在生产加工部门将设计得以实现，这显然使得研发部门的设计 4 北京化工大学硕士学位论文 不能真正成为企业实际产品。如果该企业有好的研发能力，同时也有强的加工制 造能力，其生产出的产品将可能在市场上极具竞争力。当这两个条件都满足时， 联接研发与生产这两者中闻的环节，将成为影响产品竞争力的重中之重。 在研发技术方面，为了有更高的研发效率，目前广泛采用计算机技术，如 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 、计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a e t l 】i - i n g ) 、计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r i n g ) 、并行工程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 。如果能将这种借助于计算 机的研发与实际的加工过程联系的更紧密，势必产品具有更强的竞争力。因此， 快速成型技术应运而生，它的出现就是为了能更好的将研发和生产紧密结合在一 起。 但是有两个主要因素制约着r p 技术的进一步推广【4 3 1 。其一是缺乏专用的 r p 数据处理软件。如1 1 5 2 章节所示，各大公司大都各自开发各自的r p 软件， 这就造成了购买这些专用软件需要支付昂贵的费用。对于通过使用i 冲技术提高 自身竞争力的企业来讲，价格昂贵的专用软件是一个不低的成本，更为重要的是， 购买的现成软件不能完全满足企业自身需要。因此，自主开发r p 软件即成为一 个现实而迫切的问题。其二是在加工精度和加工效率要求越来越高的今天，定层 厚加工的内在特性跟制了产品的竞争力。尝试使用自适应分层进行加工因而也凸 显出了其必要性。 1 3 课题主要研究内容 鉴于上述存在的两方面问题，本课题主要从r p 数据处理软件和自适应分层 加工两个方面进行研究。具体工作主要有： 自主开发了一个r p 技术专用的数据处理软件r p a d a p t i v e - s l i c i n gs o t t w a r e 。 该软件利用c a d 软件生成的s t l 二进制文件，对其进行处理，获得三维图形的 每层机器加工路径数据文件，该软件对s t l 模型中的冗余数据进行了优化，同 时采用自适应分层算法，并与定层厚分层算法所得加工路径结果进行比较，分别 分析两种算法的特点。 论文的篇幅安排是按照软件的编写过程来进行的。全文共分为七章： 第一章。绪论”是全文的概述。主要介绍课题的背景，课题的理论和现实 意义，并介绍了国内外在该领域内的发展状况。根据这些分析，确定了本论文研 究的主要目标。 第二章“c a d 软件的接口文件s t l 文件”主要介绍s t l 文件的起源，格 式，规则及常见错误形式。本课题开发的软件先将s t l 文件转换成三个数据文 北京化工大学硕士学位论文 件，然后再进行后续操作。 第三章“s t l 文件的冗余数据处理和错误处理”主要介绍s t l 文件中冗余 数据的处理方式和常见的错误形式及其处理方式。先对s t l 文件进行错误处理， 然后将处理后的数据存入三个链表中，后续的操作均需在这分解的三个对象链表 中进行操作。 第四章“自适应分层”即真正意义上的切片过程，这里对分层处理中碰到 的几个主要问题作一介绍，以及本文所采取的处理方式。 第五章“软件处理误差分析”从两方面介绍了本软件处理数据时所产生的 误差，即分层的单层面积的误差和整体分层零件的体积误差。 第六章“s t l 模型的三维真实感显示”主要介绍了本软件数据处理后的图 形计算机显示屏显示。这里借助于o p e m g l 图形库对模型进行三维显示。 第七章“软件处理时间测试及分析”主要介绍了本软件数据处理的运行时 间及运行结果分析。这里主要通过对两类实体球的测试进行分析。 1 4 本章小结 本章首先对开展本项研究课题的研究意义做了一个简单阐述说明，并介绍 了r p m 技术的特点和实用意义，然后介绍了国外国内的该领域研究发展现状， 最后介绍了本文所做的主要工作。 6 北京化工大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章c a d 软件的接口文件s t l 文件 目前用于快速成型输入的主要是s t l ( s t a n d a r dt r a n s f o r ml a n g u a g e ) 格式 文件。除了s t l 文件格式，主要还有美国的i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g e s s p e c i f i c a t i o n ) 、i s o 的s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c t ) 以及a u t o d e s k 的d x f 等。但这些交换文件的一个最致命问题是几何实体类型过于繁多，数据 结构比较复杂，相对而言，数据处理不如s t l 格式文件简单方便。 2 2s t l 文件格式 2 2 1s t l 文件格式的起源“ 由于不同的c a d 系统采用不同的方式来描述零件的几何形状，因此需要一 个标准的接口将几何描述在不同的c a d 数据包中进行转换，现有的标准( i g e s ) 还不能完全、精确地定义实体几何信息。为了降低这种数据处理的难度，美国3 d s y s t e m s 公司于1 9 8 7 年制定了s t l 文件格式。s t l 文件以小三角形面为基本描述单 元来离散地近似描述模型的表面，是三维模型单元表达法的一种应用形式。它最 初来源于快速原型领域，并迅速成为r p 领域事实上的工业标准；作为c a d c a m 系统与r p 系统之间数据交换的准标准格式，它极大地推动了快速原型技术的发 展。随后，各商用c a o 彰t 件公司纷纷推出带有s t l 文件输出功能的软件包，如美 国s d r c 公司的i d e a s ，p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，a u t od e s k 公司的a u t o c a d a m e 和s o l de d g e 等，都提供了从c a d 实体数据模型转换成快速原型输入数据模 型的接口。近些年来，s t l 文件在各种需要三维模型描述的诸如有限元分析、铸 件凝固模拟、医学成像系统、反求工程等领域中也都获得了具体的应用。 2 2 2s t l 文件格式1 帕 s t l 文件是通过空间三角形来逼近三维实体。其中三角形的信息包括三个 顶点的空间坐标及三角形面的法向量。该格式分为a s c ( a m e r i c a ns t a n d a r d c o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ，美国信息互换标准代码) 码格式和二进制码格 式。 北京化工大学硕士学位论文 2 2 2 1s i t 文件的a s c i i 格式结构 a s c i i 格式s t l 文件可直接阅读。其基本格式为： s o l i dn a m e f a c e tn o r m a ln in in k o u t e r l o o p v e r t e xv e r t e x l xv e r t e x l yv e r t e x i z v e r t e xv e r t e x 2 xv e r t e x 2 yv e r t e x 2 z , v e r t e xv e r t e x 3 xv e r t c x 3 yv e r t c x 3 z e n d l o o p e n d f a c e t f a c e t n o r m a ln in i i 出 0 1 1 t e rl o o p v e r t e xv e r t e x l xv e r t e x l yv e r t e x l z v e r t e xv e r t e x 2 xv e r t r x 2 yv e r t e x 2 z v e r t e xv e r t e x 3 av e r t e x 3 yv e r t e x 3 z e a d l o o p e n d f a e e t e n d s o 脚r l a l t l e s t l 文件中有七个关键字，分别是s o l i d ，f a c e tn o r m a l ，o u t e rl o o p ，v e r t e x ， e n d l o o p ，e n d f a c e t ，e n d s o l i d ，全部为小写字母。s o l i d 后面的n a m e 是实体的文件 名；f a c e tn o r m a l 标识三角形面的描述开始，并给出法向量值n i ，蝎，出：o u t e rl o o p 标识三角形三顶点描述的开始；v e r t e x 后面分别给出的是三顶点的三维坐标值； e n d l o o p 标识三顶点描述完毕，e n d f a c e t 标识三角形面的描述完毕；e n d s o l i d 标识 实体信息描述完毕。 2 2 2 2s t t 文件的二进制表示 s t l 文件钓二进翩码输出形式比a s c i i 码简练，相同模型的s t l 二进制格 式文件所占存储空间大小大约相当于a s c u 码格式的六分之一。它的构成如下： 1 ) 题头，由8 4 个字节组成，其中前面8 0 个字节用于表示有关文件， 作者姓名和注释的信息，最后4 个字节用于表示三角形面片的数目。 2 ) 对于每个小三角形面片，由4 8 个字节用于表示其面的法向量和三角 形三个顶点的空间坐标。其中，每个值都是f l o a t 型的，占用4 个字节。 最后2 个字节不用。因此，二进制码输出形式的s t l 文件的占用空间大 小为： t 8 0 + 4 ) + ( 3 4 + 3 3 x 4 + 2 ) n = 8 4 + 5 0 n ( 字节) 北京化工大学硕士学位论文 式中：n ：三角形面片的数目。 例如： 当n = 2 0 0 0 0 时，二进制码输出形式的s t l 格式文件大小为： 8 4 + 5 0 2 0 0 0 0 = 1 0 0 0 0 8 4 - 1 m b ( 兆字节) 而其a s c i i 码输出形式的s t l 格式文件的大小约为； 6 1 = 6 m b 2 3s t l 文件的规则川 为了保证三角形面片表示模型实体的唯一性，s t l 文件必须遵循一定的规 范。否则可以说这个s t l 文件是错误的。这些规范有： 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公 用两个顶点，即一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何三角形平面 的边上； 2 ) 取向规则。实际上规定了两个方面：一是单个面片必须满足法向量右手 螺旋定则且其法向量必须指向实体外面；二是相邻面片的法向量必须满足 协同关系( 用解析几何理解即将两个相邻面看作成一个曲面、两个面片的 法向量应该指向这个合并曲面的同一侧) ： 3 ) 兖潢规则。在三维模型所有表面上，必须布满小三角形面片，不得有 任何遗漏，否则将出现错误的裂缝和孔洞； 4 ) 取值规则。每个顶点的坐标值必须是非负的，嘲 s t l 实体应该在第一 象限( 这一规则并不必要，设计时可以通过平移将模型移动到第一象限来 保证) 。 对于以上情况，只要s t l 文件不符合其中的任何一种，都被视为该s t l 文件 有错误，这为后继的数据处理带来了许多不必要的麻烦，严重的时候甚至可能导 致数据处理的失败。 2 4s t l 文件常见错误类型c 6 7 8 】 根据文献 6 ，7 , 8 ，3 4 ，s t l 模型缺陷大致有一下几种： 2 4 1 存在空洞 北京化工大学硕士学位论文 根据s t l 文件规则，s t l 中每条线段应被两个三角形占有且仅被两个三角 形占有。若该线段只被一个三角形占有时，则此处将会出现空洞。如图2 1 所示 ( 图中l 表示一个三角形占有该边) ： 占 e 2 - 1 ( b ) 图2 i l 空洞特征 r i g 2 - 1c a v i t yc h a r a c t e f 图2 - 1 ( a ) 中，aa b c 是空洞，( b ) 中多边形a b c d e 是空洞。 2 4 2 存在小缝 1 由于同一个顶点相分离而产生的小缝，如图2 - 2 所示： 眵一眵 豳2 _ 2 由同一顶点分离产生的小缝特征 r i g z - 2 g a p c h a r a c t e r p r o d u c e d b y p “她v 嗽 上图中a 点和口点发生分离，产生小缝a b c d ，右边为修复后图形。 2 由于三角面片一边太短而造成的小缝 由于计算机系统的有限精度，当三角形的一条边很小时，三角形可能变成了 一条直线，结果3 d 三角形阵列中缺少了连接性，产生了二义性豹沟，这会导致 切片后沟的出现。当切片有沟出现时，这可能会导致该零件的扫描线生成出现紊 乱，可能会将实体部分当成孔扫描，而将孔部分判断为实体。 2 4 3 法线方向错误 一般情况下，在三角化的过程中，三角面片的法线是由构成三角形的两条 边进行差乘而得来的，因此它的方向应该与构成三角形的三个顶点的排列顺序符 合右手螺旋定则。然而在有些情况下，三角形平面的法向量方向与三角形的三个 0 北京化工大学硕士学位论文 顶点之间不符合右手螺旋定则，因而构成错误。由于实体表面具有连续性，因此 在后续切片处理中，三角形平面的法矢量指向错误不影响切片的进行，但从实体 的完整性描述来看，此缺陷应作修复。这种错误很容易修改，只需要重新进行差 乘运算即可判别并进行修改。 2 4 4 重叠错误 所示： 当某条线段被三个( 或更多) 三角形占有时，此处发生重叠错误。如图2 3 c 圈2 3 重叠错误特征 t 1 参2 - 3o v e r l a pc h a r a c t e r 上图中山岱c 将有两个，发生重叠。 2 4 5 顶点错误 当某个三角形的顶点位于其它三角形的某个边上时，此处发生顶 点错误由于它的修补算法与空洞的修补算法一样，可将这种错误归为空洞的修 补中去。如图2 - 4 所示： e 匹暑恐 dd 图2 _ 4 顶点错误特征 尉啦- 4w r o n gv e r t e p o s i t i o nc h a r a c t e r 上图中彳点位于a b c d 的肋边上，右为修复后图形。 2 4 6 悬面错误 由于三角形面片的一边或两边为三个三角形所共有，而剩下的边却只为一 北京化工大学硕士学位论文 个三角形所有，造成三角形面片的悬吊。这种错误般出现在实体的倒角处，而 在实体的平坦区域出现的概率较小。如图2 5 所示 图2 - 5 悬面错误特征 f 嘻2 - 5i m p e n d i n gf a c e tc h a r a c t e r 上图中，b c 边和4 c 边仅仅被鲋b c 占有，因此鲋曰c 将成为一个悬面。 2 5 本章小结 本章首先介绍了s t l 格式文件的起源由来，然后介绍了s t l 文件的a s c i i 码格式和二进制格式，并详细介绍了这两种格式的区别。第2 - 3 章节介绍了s t l 文件的规则，最后介绍了s t l 文件常见的各类错误及其表现形式。 北京化工大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章s t l 文件冗余数据处理及错误处理 由s t l 文件的各种错误类型可知，每种错误都与构成s t l 模型的面片及组 成面片的点、边、面信息有关。由于s t l 文件中的点、边数据重复存储，缺乏 相互之间的拓扑关系，因此有必要对其中的点、边、面信息进行归并和分类处理。 本课题通过采用建立三个数据文件的方式分别将点数据、边数据和面数据重新排 列存储。 圈3 1 1 分鳃成三个表结构 f i t a - 1s t l 矗l cd c p o s i n t on l r l i s t s 3 2 本课题采用该$ 1 l 文件分解方式的原因 采用这种将s t l 文件分解为点对象表、边对象表和面对象表的分解方法主 要考虑的是： 1 ) 减少冗余数据 由于s t l 文件中存放的是三角形面片的法向量和三个顶点的空间坐标，且 每个顶点的三个空间坐标至少被三个三角形所共有，这就直接导致s t l 文件中 的数据冗余。 2 ) 提高计算效率 对于较大的s t l 文件，采用分类处理的方法能有更快的数据处理速度，同 时也有更高的计算效率。 3 ) 满足整个数据处理过程中对拓聿卜信息的要求 对s t l 文件进行处理时，需获得其中每个小三角形面片的拓扑信息。这些 拓扑信息主要包括一个三角形由哪三个顶点组成，由哪三个边组成，与哪三个三 角形毗邻等a 获得了这些信息后，对s t l 文件的处理更为方便。 北京化工大学硕士学位论文 3 3 三个表结构的建立 3 3 1 点对象表结构 因三角形的空间信息由顶点坐标构成，同时边的空间信息也由顶点坐标构 成，所以必须先建立点的表结构。本课题的点对象表采用的是双链表结构1 2 3 , 2 4 1 。 点的结构信息如图3 - 2 所示( c + + 编程可参考文献f 2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 ，2 9 】) ： c l a s sp o i n t ：p u b l i cc f i l e p u b l i c ： f l o a t x ； f l o a ty ； n o a t 2 ： s t d ：v e c t o r i v ： p u b l i c ： p o i n t 0 ； - p o i n t o ； p o i n tf 曲n s tp o i n t & p o i n t ) ； f r i e n d b o o l o t x a - a t o r 一( p o i n t & p t l ，p o i n t p t 2 ) ； f r i e n d b o o l o p e r a t o r p ( p o i n t & p t l ，p o i n t p t 2 ) ； p o i n t & o p e r a t o r = ( c o n s tp o i n t & p t l ) ； f r i e n d c a m h i v e & o p e r a t o r ( c a r c h i v e 跏- p o i n t & l i o i n 0 ； ) ； 圈3 _ 2 三角形项点结构的c + + 描述 r i g 鼻zc + + d e p i c f i o ao f v e r t e xi nm a n g l e 圈3 - 3 三角形顶点的双链表结构 f g 3 - 3t h ev e r t e xl i n k o dl 妇s t r u c t u t e 其中，x ，y ，z 分弱表示的是硬点的三个坐标值。i v e c 用于后续的错误处理 判断：“一”操作和“i = ”操作用于后续的点是否相同或离得过近的判断；“：”用 4 北京化工大学硕士学位论文 于赋值运算；“ ”分别表示将点从文件中读出和写入文件一条边的信 息操作。 3 3 2 边对象表结构 因边的空间位置可以由边的两个端点确定，所以边的表结构中无需存储顶 点的空间位置，只需确定两个端点在点链表中的位置即可。本课题的边对象表结 构采用的是双链表结构，与点对象表结构相同。边的结构信息如图3 t 4 所示： c l a s sl i n e ：p u b l i cc f i l e p u b l i c ： h a tp o i n t l ； h a tp o i n t 2 ； i n tf t l ； i n tf a c e t 2 ； i n t n a g ； p u b l i c ： l i n e 0 ； - l i n e 0 ； l i n e ( c o n s tl i n e & l i n e ) ； f r i e n d b o o lo l m m t o r 一( l i n e & l i n e l ，l i n e & l i n e 2 ) ； f r i e n d c a r c h i v e o p e r a t o r ( l i n e & l e o , l i n e & r i g h t ) ； l i n e & o p e r a t o r = f c s t l i n e & l i n e ) ； ) ； 图3 _ 4 三角形边结构的c _ h 描述 f i g 3 - 4c 抖d e p i c t i o no f e d g e si nt r i a n g l e 图3 - 5 三角形边的双链表结构 1 5 北京化工丈学硕士学位论文 f i g st h ee d g e sl i n k e dl i s ts t r u c t u r e 其中，p o i n t l 和p o i n t 2 分别表示的是边的两个端点在点链表中的位置，f a c e t l 和f a c e t 2 分别表示的是拥有该边的两个三角形在三角形链表中的位置。f l a g 标识 拥有该边的三角形数目，如果f l a g 为0 ，表示该边没有被三角形所拥有；如果f l a g 为1 ，表示该边只被一个三角形所拥有；如果f l a g 为2 ，表示该边为两个三角形 所拥有，这也是正确的情况；如果f l a g 大于2 ，则表示该边至少被三个三角形占 有，属于错误情况。f l a g 的设置为的是后续的错误处理。“一”操作为了标识两 条边是否是同一条边；“= ”操作是给一条边赋值；“ ”分别表示从文 件中读取和输入文件一条边的信息。 3 3 3 面对象表结构 三角形面的信息主要由三条边和法向量构成，而边的信息已经由边链表中 存储，所以三角形面结构中边的信息只需记录三条边分别在边链表中的位置即 可。本课题的面对象表也采用的是双链表结构。三危形面的结构如图3 - 6 所示： c l a a af a c e t ：p u b u cc f i l e p u b l i c ： i n tl i n e l ； i a tl i n e 2 ； i m l i n e 3 ； n o r m a l 。n o r m a l ； p u b l i c ： f a c e t 0 ； 一f a c e t o ； f a c e t ( c o m tf a c e t & f a r o ) ； f r i e a dc a r e , h i v e & 0 l 斌8 衄“( c a m b i v e 瓯f a c e t & f a c e t ) ； f l i m d c a r c 蠹i v e & o p e r a t o r ( c a r c h i w 札f a c e t & f a c e t ) ； f a c e t & o l m r a t o r = ( o o m tf a c e t & f a c e t ) ； ； 图3 - 6 三角形面结