（机械制造及其自动化专业论文）基于离散点云直接映射stl模型的建模技术研究.pdf

同济大学硕士论文 摘要 摘要 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 和快速原型技术r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 是产品原型开发的 核心技术，两者的集成技术在现代制造中具有重要作用。 本文概述了反求工程( r e ) 和快速原型技术( 1 心) 的内涵和意义，系统地总结和分析 了反求工程各环节现有的方法和关键技术。并通过分析现有r e r p 集成方法特点，提出了 点云数据直接构造s t l 模型文件，并输入到l p s 快速成型系统，直接用于制作产品原型， 从而避开了传统反求工程中的c a d 建模过程，因此极大地缩短了这类产品的开发周期，降 低了开发成本。 由于s t l 文件中的c a d 建模过程和s t l 文件格式存在自身的缺陷，本文指出了离散 数据直接生成s t l 的平面离散点点集最小权三角剖分的算法。本算法提高了三角剖分的速 度，改善了三角单元质量，并提高了对三角单元进行修正的速度，为在产品快速开发中综合 利用r e r p 系统的优势创造了有利环境。 本文通过分析和总结传统的三角形网格的二维和三维优化方法，创造性地提出了综合优 化的方法。在二维优化方面，结合环域划分网格的特点，使用最小权和最小内角最大化相融 合的方法，提出了新的二维优化过程；在三维优化方面，不仅分析指出了现在主流三维划分 的优点和局限性，而且结合环域网格的特点，制定了用增加点的方法完成的三维优化方法。 随着计算机技术的发展，反求工程技术和快速原型技术的结合日趋紧密，纯复制的反求工程 已不再适应市场发展的需要，在产品的设计和制造阶段都需要具备创新环节的反求工程技术 的支持。在此，本文提出了基于离散点云直接映射s t l 的产品创新环节，并把运算方法归 结为两类：1 ) 任意实体的整合；2 ) 任意实体的截去。并通过布尔运算的重做来实现优化。 关键词：反求工程快速原型 s t l 文件格式 三角划分 网格优化布尔运算 同济大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n ga r et h ec o r et e c h n i q u e d u r i n gt h ep r o t o t y p e d e v e l o p m e n to fp r o d u c t s ，t h ei n t e g r a t i o no ft h e mh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni n t o d a y s m a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec o n n o t a t i o na n dm e a n i n go f t h ee m p h a s i sl i e so nt h er et h a ti s o n eo fm o s t i m p o r t a n te m b r a n c h m e n t s o n t h e i n t e g r a t i n gt e c h n o l o g y b e t w e e nr e v e r s e e n g i n e e r i n g s y s t e ma n dr a p i dp r o t o t y p i n g 僻p ) s y s t e m , t h ea r t i c l ep r e s e n t e ds t e r e o l i t h o g r a p h y ( s t l ) m o d e l sa r ed i r e c t l yg e n e r a t e d f r o m p o i n tc l o u d b a s e do nc r o s s s e c t i o n m e a s u r e m e n ta n do p t i c a lt r i a n g u l a t i o n ，a n dt h ep r o t o t y p ec a nb ef a b r i c a t e db yr a p i dp r o t o t y p i n g l a s e rp r o t o t y p i n gs y s t e m ( l p s ) m a c h i n e t h i sm e t h o d 啪g r e a t l yr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l eo f t h ep r o d u c t sw i t hf r e ef o r m e ds u r f a c e sa n dt h ec o s ti sd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e d b e c a u s et h es t lf i l ef o r m a te x i s t si t sl i m i t a t i o n f o ra v o i d i n gc a dm o d e lm a k i n g p r o c e s s b e t w e e nt h er e c r e a t e ds u r f a c ea n de s t a b l i s h e ds t lf i l e ，m yt h e s i sp o i n to u tt h a tt h ea l g o r i t h mo f t h el e a s tt o t a ll e n g t ht r i a n g u l a t i o no ft h ep o i n tg a t h e r so fs c a t t e rp o i n to np l a n eo fs c a t t e rd a t a d i r e c t l yc r e a t es t lf d e t h i sa l g o r i t h mi n c r e a s e st h es p e e do ft r i a n g u l a t i o n ，i m p r o v e st h eq u a l i t y o ft r i a n g t l a rf a c e t , a n di n c r e a s e st h es p e e dt om o d i 矽t r i a n g u l a rf a c e t ，t h h sc r e a t e sab e t t e rw a yt o t a k ea d v a n t a g eo fu s er e p , ps y s t e m si n t e g r a t ei nr a p i dp r o d u c td e s i g n t h ea r t i c l eu n d e r l i n e da n a l y s e st h ep l a n ea n ds o l i do p t i m i z e dm e t h o d so ft r a d i t i o nt r i a n g l e m e s h an e wm e t h o do fo p t i m i z a t i o ni si n i t i a t i v e l yp r e s e n t e d i nt e r m so fp l a n e ，c o m b i n i n gt h e p e c u l i a r i t yo ft h ec i r c u l a r i t yp a r t i t i o n ，t h ec o n c r e t ep l a n eo p t i m i z i n gp r o c e s si sb e e nc o n s t i t u t e d u s i n gc o m b i n i n gt h em e t h o do ft h el e a s tr i g h ta n dt h em e t h o do ft h el e a s ti n t e m a la n g l eb e c o m i n g m a x i m u m i nt e r m so fs o l i d ，n o to n l yt h ea d v a n t a g ea n dl o c a l i z a t i o no ft h ea r t e r ys o l i dm e s h p a r t i t i o ni sb e e na n a l y z e d ，b u ta l s oc o m b i n i n gt h ep e c u l i a r i t yo ft h ec i r c u l a r i t yp a r t i t i o n ，t h e c o n c r e t es o l do p t i m i z i n gp r o c e s si sb e e nc o n s t i t u t e du s i n gt h em e t h o d so fi n c r e a s i n gp o i n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t et e c h n i q u e ，t h ei n t e g r a t i o no fr e & r pi sg r a d u a l l y c l o s e dd a i l y t h er ec o p y i n gp u r e l yh a sa l r e a d yn o ta d a p tt ot h ed e v e l o p i n gm a r k e tn ol o n g e r i n t h ep e r i o do ft h ep r o d u c t sd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，t h er ew i t ht h et a c h eo fi n n o v a t i o ni s n e e da 1 1 h e r e ，t h et e x tp o i n to u tt h a tt h ea l g o r i t h mo ft h el e a s tt o t a ll e n g t ht r i a n g u l a t i o no ft h e p o i n tg a t h e r so fs c a t t e rp o i n to np l a n eo fs c a t t e rd a t ad i r e c t l yc r e a t es t lf i l eo ft h en e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t a n dm a k et h em e t h o dt w ot y p e s ：1 ) a r b i t r a r i l yt h ee n t i t y si n t e g r a t i o n ；2 ) a r b i t r a r i l y t r u n c a t i n go fe n t i t y k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g r a p i dp r o t o t y p i n g s t e r e ol i t h o g r a p h yf i l e t r i a n g u l a t i o n m e s ho p t i m i z a t i o nb o o l e a no p e r a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：基王彦邀壶亟直接噬射s 坠 攫型的建撞这苤硒究= ：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 同济大学硕士论文第1 章绪论 1 1反求工程 1 1 1 概述 第1 章绪论 在经济全球化时代，尤其在我国加入世界贸易组织( w t o ) 之后，国内企业将直接面 对国际竞争。作为我国重要基础产业之一的制造业，如何在激烈的竞争中保持优势，不仅关 系到企业的生死存亡，而且事关国家的长远发展与综合国力提高。因此，我国制造业必须重 视新产品快速开发、增强市场竞争力，从而在经济全球化中立于不败之地。 技术引进在促进世界各国的科技与社会进步，促进生产力与经济的高速发展方面起了很 大的作用。引进技术中包括产品的研究开发、生产制造、管理和市场营销等方面的内容，这 些内容组成了一个完整的系统。其中产品开发是带来企业活力和竞争优势的源泉，不断推出 新产品是企业竞争策略的核心要素。据p d m a ( 产品开发与管理协会) 的一项统计，经营 良好的高技术企业5 0 以上的销售额来源于新产品，个别企业则高达6 0 以上f 3 l o 然而， 我国部分企业市场竞争力较弱的关键原因在于产品自主开发能力不足。显然，光靠引进还不 行，要对引进技术进行深入的研究、吸收、消化和创新，并在此基础上开发出新的产品，形 成技术体系。因此，研究如何提高产品快速开发能力和手段，系统掌握产品快速开发技术、 加速产品开发过程，具有显著和迫切的现实意义。 反求工程r e ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 作为- - f - j 新兴学科越来越受到人们的关注和重视。 2 0 世纪9 0 年代以后，数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内的竞争将日趋激烈，尤其 是工业领域的竞争更加白热化，企业必须充分吸收和利用现代高新技术成果以增强它们的竞 争能力h 1 。同时，现代市场对产品设计的要求也发生了根本的变化，多品种，小批量替代了 少品种大批量的传统生产模式，这就导致了要求降低产品、缩短设计和生产周期、提高产品 质量。这些需求导致了反求工程的广泛应用，并使得反求设计( r e v e r s ed e s i g n ) 过程出现 了一些新的特征。如图1 1 1 所示。 反求设计是一种以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究，探索掌握其关键 技术，在消化、吸收的基础上，开发同类创新产品的设计。因此，在进行产品设计时，应用 这种设计方法与完全从草图开始设计的方法相比，设计周期会大大缩短，风险也会大大降低， 设计费用也会大大减少。 基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程： ( 1 ) 应用过程在生产实践中逐步熟悉产品或设备的操作、使用与维修，使其在生产中 发挥作用。然后。再结合其软件资料，进一步了解它的结构、技术性能、技术特点，尤其是 要发现产品、设备的不足之处，做到“知其然”。 同济大学硕士论文第1 章绪论 ( 2 ) 消化过程对引进产品、设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、生产管理方法 等进行深入研究，用现代的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行计算测定，了解其 材料配方、工艺流程、技术标准，质量控制、安全保护等技术条件，特别要找出它的关键技 术及不足之处产生的根源，做到“知其所以然”。 ( 3 ) 创新设计过程在第二个过程的基础上，再进行原理方案设计、技术设计等，但关 键是要结合本国国情，博采众家之长，有所创新，开发设计出具有本国特色的新产品，并力 争达到国际先进水平，实现技术从输入到输出的转化。 图1 1 1 反求设计过程 一 f i g1 1 1 t h ep r o s s e so f t h er e 从这个过程来看，基于引进技术的反求工程主要是一个产品的创新设计过程，是一个与 传统设计方法相结合的设计过程。因此，从这个意义上看，反求工程又可称为反求设计。 1 1 2 反求工程的内涵与现实意义 反求工程是在现有实体测量数据的基础上重构其三维c a d 信息模型的过程，将反求出 的模型加以转换，就可以被快速原型系统所接受 5 1 。传统设计过程与反向设计过程比较如图 1 1 2 a 和1 1 2 b 所示，传统设计是通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变 为人类需求的喜爱的产品。为此，工程师首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，再进 行功能设计，创造新方案，在经过系列的设计活动之后，得到预期的新产品。概括地说， 传统设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，回答的是“怎么做? ”的问题。反求工程 则是从已知事物的有关信息( 包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等) 出发，去寻 求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等等，要同溯这些信息的科学依据， 2 同济大学硕士论文第1 章绪论 即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。如图1 2 b 所示 为反求工程过程示意图，回答的是“为什么要这样做? ”的问题。传统设计过程是一个主动 的创造性活动，而反求工程过程则是一种高起点的、先被动后主动的创造性活动一个先进 成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要在吃透、消化原设计的基础上设计出更强竞争 力的创新产品，别有一番难度。故反求工程并非传统设计的简单逆过程。 已知一个确定的事物 ( 实物、图片等) a 系列消化、吸收、再创造活动 刊设计活动 b 图1 1 2 反求工程与传统设计之比较 f i g 1 1 2p r e p a r eb e t w e e nt h er e & t r a d i t i o n a ld e s g i n a 传统设计过程b 反求设计过程 广义反求工程研究的对象很广，可以分为如图1 1 3 所示的三种情况。 反求工程( r e ) 主要研究对象与任务 ：品设计模型产萨品技术资料及 品样品模型影象等 软件系统 形、结构、材原理、外形、结l j c 寸其功能、代码 ：性能等反求构材料等分析 l 等进行分析 ：成同类产品设完成同类产品设设计新的同类软 计与制造任务计与制造任务 件系统 图1 1 3r e 主要研究对象和任务 f i g 1 1 3 t h em a i nr e s e a r c ho b j e c ta n dm i s s i o no f t h er e 基于产品设计模型和样品模型的反求、基于产品技术资料及影像的反求、软件系统的反 求。目前国内外的研究主要集中在几何反求上，它是产品仿制、改型设计乃至新产品开发中 实现快速、精确的测绘和模型重构的重要手段。 反求工程作为一种新颖的设计过程，它从实物模型开始到最终的加工制造可以有两条途 径【1 4 l ：经过数字化后产生c a d 模型，由此模型作为信息的载体完成后续的分析和制造， 这是反求工程中最常见的一种途径。这种途径的优点是生成后的c a d 模型的形面描述完备 和精确，有利于后期的调整和修改，而且可以直接借助现有的各种商业软件的成熟功能实现 3 同济大学硕士论文第1 章绪论 c a e 、c a m 等。但这种途径的缺点也非常明显，其工作量大，且效率低。经过数字化后 直接加工制造。这种途径的优点是避开了构造c a d 模型的复杂性，提高生产效率。但缺点 是数字化要求高，要确保加工过程中所接收的数字点云信息完备。 就当前的研究来看，第二种途径更有利于模型重构以及有良好的生产效果。 1 1 3 反求工程方面的软件评述 随着反求工程应用的迸一步深入，实现反求工程的软件逐渐增多，功能也强大起来。由 于反求工程和计算机图形学有着紧密的联系，在这些软件中有一类是传统的c a d 巳州造 型软件，它们加强了在反求工程方面的功能，这些软件有【4 l ：美国u g s 公司的u n i g r a p h i c s l l 、 原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 。 u n i 伊a p h i c s l l 是以p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，其曲面建模完全集成在了实体建模 中，它可以独立生成自由曲面，支持雕塑曲面、直纹面、扫描曲面、等半径和不等半径倒圆 曲面等类型，实体化曲面是它的主要特征。它所带的p o i n t c l o u d 模块可以将具有单值特征的 曲面直接拟合成曲面。 p r o e n g i n e e r 是一个参数化特征造型系统，具有着色和反射线等曲面分析工具。它所携 带的p r o s c a n 是专门用于反求工程的模块，它能通过数据点构造出风格曲面，在给定的误 差范围内检查出噪声，然后以风格曲线为基础构造风格曲面、近似曲面和骨架曲面。 i d e a s 提供了一组丰富的曲线、曲面生成工具，用于仿样、扫描和拼合曲面。能用点 拟合、断面拟合等方式生成复杂曲面，并对曲面的形状进行灵活控制。生成的曲面模型可以 参与全部的几何造型操作、干涉检查、物性计算等。 虽然上述软件能够完成一定的反求工程方面的工作，但是和专业的反求工程软件相比， 它们的功能仍然相当有限。如p r o e n g i h e e r 的曲线、曲面功能一般，由于它基于参数化约束 方程求解，曲线的裁剪和曲面的混合均不方便。 相对上述通用造型软件，目前已经有了一些专业的反求工程软件，如美国i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e r 、英国d e l c a m 公司的c o p y c a d 、英国m d t v 公司的s t r i m 、日本h z s 公司的g r a d e 以及中国浙江大学的r e s o f t 。 s u r f a c e r 是目前反求工程中功能较全的软件，主要体现在四个方面：首先它对各种设备 的数据格式支持较全，所有现在的扫描设备几乎都可以使用，同时它还可以接受s t l 、c d a 等其它格式的数据。其次有功能完善的曲线、曲面造型及分析功能。它可以由点构线或从面 上析出曲面；可以对全面拆分、合并，通过曲率对曲线进行光顺处理；面的构造可以由扫描 点直接产生而不需要经过建造曲面过程，也可以先建立边界曲线，而后利用边界曲线和内部 扫描点共同建立，可以对建立的参数曲面升阶、降阶、缝合等处理；也可以通过曲率线和高 光线对面进行分析。再次它具有高级c l a s s a 曲面功能，这些曲面在数学上是二阶可导的， 可以满足汽车、模具行业的严格要求。最后它有强大的多视图拼合功能，可以通过特征点、 4 同济大学硕士论文第1 章绪论 特征线、特征面进行不同数据集合之间的对齐。 s t r i m 对于数字化点的加工能力非常强，它可以直接根据三坐标测量机所提供的数据 点生成加工轨迹，而不必构造曲面模型，还能对曲面和数字化的点等多种形式共存的混合形 面进行处理。 c o p y c a d 的特点是可以对数字化的点进行三角划分，可以根据用户定义的误差三角数 字化模型，然后以交互或自动的方式从三角形模型中提取特征线，或者直接从外部输入特征 线，利用特征线构成曲面片，而后指定面片间的连续性要求，实现曲面片间的光滑拼接。 g r a d e 的重点在于曲面造型和模具制造。它有多种曲面造型功能，如边界曲面、平行 曲面、网格曲面、混合及扫描曲面等。另外它还提供层设置，其中图形的移动、旋转和显示 功能非常方便。 r e s o f t 的优势在于首次采用以三角b e z i e r 曲面为核心的离散数据曲面插值技术，使 r e - s o f t 能够高效处理无图纸定义，仅有实物测量点的复杂曲面产品反求c a d 建模问题； 实现了反求工程c a d c a m 软件r e - s o f r 与三坐标测量机系统的无缝连接；全面解决了自 由曲面自动化测量、二维截面轮廓可视误差分析、三维曲面匹配及基准误差校正等问题：解 决了边界复杂、形状极不规则雕塑曲面的整体一次性造型，大大减轻了复杂曲面分块构造、 拼接和交互修改的工作量；提供可靠的n u r b s 曲面i g e s 输入，复杂三角b e z i e r 曲面分块 n u r b s 重构及i g e s 输出功能；提供用户可选的复杂曲面冲压模工艺补偿面快捷设计、料 补分析、切边线计算等功能。 1 2 快速成型技术 1 2 1 概述 传统的新产品开发是按照顺序进行的。顺序工作方式是指新产品在交给制造部门生产以 前，按照一定的顺序进行所有设计和计划工作f 6 l 。新产品是按“设计、试制原型、修改设计、 工艺准备、制定计划、正式投产”的顺序投入生产。几十年来，这种模式已为人们所普遍接 受。对于批量较大、市场寿命较长的产品而言，这是一种行之有效的方法，但是对于批量不 大，或者换代快的产品就远远不能满足要求。 7 0 年代末、8 0 年代初在美国出现了一种新的加工技术一快速成型制造技术 r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ) ，该技术很快扩展到日本及欧洲，其一反传统加工方 法，由坯料通过去除多余部分来获得成型件的思想，即宜接由液态高分子材料、纸材、杨树、 丝材，基于积分几何的思想，逐层制造三维零件或样件，能在较短时间内制造出不同大小和 复杂程度的零件原型，大大缩短了新产品的开发周期及开发费用，加快了新产品推向市场的 进程。快速造型技术集多种高新技术于一身，突破了制造业的传统模式，很快引起了人们的 极大关注。 5 同济大学硕士论文第1 章绪论 快速成型法，又称为快速出样件技术或快速原型法。它与虚拟制造技术( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 和数字原型一起，被称为未来制造业的三大支柱技术，都是产品创新和快速 开发的重要手段。快速成型技术对缩短新产品开发周期，降低开发费用具有极其重要的意义， 有人称快速成型技术是继n c 技术后制造业的又一次革命。目前r p 技术已成为各国制造科 学研究的前沿学科和研究焦点【埘。 1 2 2 快速成型法的基本原理及主要工艺方法 1 快速成型法的基本原理 快速成型技术是综合利用c a d 技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件 设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它有不同的英文名称，如r p r a p i d p r o t o t y p i n g ( 快速原型) 、f r e e f o r m - m a n u f a c t u r i n g ( 刍由形式制造) 、a d d i t i v ef a b r i c a t i o n ( 添加式 制造) 等，常常简称为r p ，快速成型将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算 机数字控制( c n g ) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，它采用软件离散、 材料堆积的原理实现零件的成型。 由于快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的 材料而得到工件，采用全新的“增长”加工法一用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将 复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和加工模 具，只需传统加工方法1 0 - 3 0 的工时和2 0 - 3 5 的成本，就能直接制造产品样品或模具。 由于快速成型具有上述突出优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项 支柱技术，实现并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，简称( g e ) 的必不可少的手段。具体过程 如图1 1 4 所示。 ( t 嚣刍 足 l 鳓翳荔秽二：= 曼= ，：= ：? ：0 t s l i c i n g 切片 f r e ef o r m i n g l a y e rb y 1 a e r 分层自由威彤 p r o d u c t 工件 ， r ：= 、 - 。：一：= 一：j o ： ：! 一1 ：? 、 a d d i t i v e 层层叠加 图1 1 4 快速成形原理 f i g 1 1 4 t h et h e o r yo ft h er p 首先利用高性能的c a d 软件设计出零件的三维曲面或实体模型；再根据工艺要求，按 6 同济大学硕士论文第1 章绪论 照一定的厚度在z 向( 或其它方向) 对生成的c a d 模型进行切面分层，生成各个棱面的三 维平面信息；然后对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和 数控加工代码；再对加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性；然后利用数控装置精确控 制激光束或其它工具的运动，在当前工作层( 三维) 上采用轮廓扫描，加工出适当的截面形 状；再铺上一层新的成形材料，进行下一次的加工，直至整个零件加工完毕。可以看出，快 速成形技术是个由三维转换成二维( 软件离散化) ，再由二维到三维( 材料堆积) 的工作过 程。快速原型法不仅可用于原始设计中快速生成零件的实物，也可用来快速复制实物( 包 括放大、缩小、修改和复制) 。其工作原理是，用三维数字化仪采集三维实物信息，在计算 机中还原生成实物的三维模型，必要时用三维c a d 软件进行修改和缩放，然后进行三维离 散化并送到成型机生成实物。这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加 工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无 关 2 快速成型法的主要工艺方法 1 ) l s l ( l a s e rs t e m l i t h o g r a p h y ) ：法 l s l 法是以各类树脂为成形材料，以氦镉激光器为能源，以树脂受热固化为特征的快 速成型方法。具体做法是，由c a d 系统设计出零件的三维模型，然后分属设定工艺参数， 由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时，被照射的液态树脂固化。 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后移动工作台。加上一层新的树脂，进行第 二层扫描，第二层就牢固地粘贴到第一层上，就这样一层一层加工直至整个零件加工完毕。 2 ) l o m ( l a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 法 l o m 法的特点是以片材( 如纸片、塑料薄膜或复合材料) 为材料，利用c 0 2 激光器为 能源，用激光束切割片材的边界线，形成某一层的轮廓。各层间的粘接利用加热、加压的方 法，最后形成零件的形状。该方法的特点是材料广泛，成本低。 3 ) s is ( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 法 s l s 法采用各种粉末( 金属、陶瓷、蜡粉、塑料等) 为材料，利用滚子铺粉，用c 0 2 高功率激光器对粉末进行加热，直至烧结成块。利用该方法可以加工出能直接使用的金属件。 4 ) f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 法 该方法使用蜡丝为原料，利用电加热方式将蜡丝熔化成蜡液；蜡液由喷嘴喷到指定的位 置固化。一层层地加工出零件，该方法污染小，材料可以回收。 这些技术能够直接由c a d 数据库生成实体模型。它们有个重要的共同特点：通过层 层叠加来产生实体零件。这是与传统设备通过减少物料来制造实体零件的方法相反的。 1 2 3 快速原型在设计和制造中的作用 快速原型对产品创新和市场开拓有着不可替代的作用。在汽车、航天、家电等许多行业 7 同济大学硕士论文第1 章绪论 获得日益广泛地应用。具统计，快速原型技术自1 9 8 8 年问世以来，设备销售每年以3 4 - 4 6 的速度增长，1 9 9 4 年为3 5 1 台，1 9 9 5 年为5 2 2 台，1 9 9 6 年为7 8 7 台，1 9 9 7 年达到1 0 5 7 台。 最近几年，设备的平均价格有明显下降，1 9 9 6 年的销售额增长率为4 2 6 ，1 9 9 7 年仅为7 5 。 它与传统制造技术相比，具有独特的优越性【1 6 l ： 1 )产品的单价几乎与产品批量无关，特别适宜新产品的创新和开发。 2 )产品的造价几乎与产品结构的复杂性无关，这也是传统制造技术无法比拟的。 3 )无需模型、模具即可获得零件，使产品整个开发过程的费用低、周期短。 4 )快速原型与传统制造方法结合( 如铸造、粉末冶金、冲压、模压成型、喷射成型等) 为需要各种工模具的传统制造方法注入新的活力。 5 )减少了对熟练技术工人的需求。 6 )没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术。 7 ) 具有广泛的材料适应性。 以上特点决定了快速成型法主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂 形状零件的制造，模具设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验 和快速反求工程等。快速原型是制造技术发展的重大突破，由于具有缩短产品上市周期、提 供生产效率、改善产品质量、优化设计等优点和明显的经济效益，将在下列领域得到广泛应 用： 1 )设计验证。使用快速原型技术制作产品的物理模型，以验证设计人员的构思，发现 产品设计中存在的问题。使用传统的方法制作原型意味着从绘图到工装模具设计和制造，一 般至少历时数月，经过多次反工和修改。采用快速原型制造技术可省大量时间和费用。 2 )功能验证。使用快速原型技术制作的原型可直接进行装配检验，干涉检查和模拟产 品真实工作情况的一些功能试验，从而迅速完善产品的结构和性能、相应的工艺及所需工模 具的设计。 3 )可制造性、可装配性检验快速原型技术是一种面向装配和制造设计的配套技术， 对开发结构复杂的新产品，尤其是空间有限的产品( 如汽车、飞机、卫星、导弹) ，事先检 验零件的可制造性、零件之间的相互关系及部件的可装配性尤为重要。 4 )非功能性样品制作。在新产品正式投产之前或按照定单制造时，需要制作产品的展 览样品或摄制产品样本照片，采用快速原型是理想的方法。当客户询问产品情况时，能够提 供物理原型的优势是显而易见的。 5 )快速制模技术。在许多情况下，人们希望快速原型制件与最终零件具有相同的物理 机械性能。因此，需要用各种转换技术将快速原型转化为最终零件。例如，利用硅胶模、环 氧树脂与精密铸造等工艺结合制造模具。其中用快速原型技术制作的零件代替铸造木模就是 一个典型的例子。 8 同济大学硕士论文第1 章绪论 1 2 4 快速原型技术发展现状与趋势发展 1 国外l 口m 发展现状 从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如 2 4 1 ，1 8 9 2 年，j e b l a n t h e r 在他的 美国专利中，曾建议用分层制造法构成地形图，这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压在 一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，并将其粘结在一起，烫平表面，从而得到三维地 形图。1 9 0 2 年，c a r l ob a e s e 在他的美国专利中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理， 这是现代第一种快速原型技术“立体平板印刷术”( s t e r e ol i t h o - - g r a p h y ) 的初始设想， 1 9 4 0 年，p e r e r a 提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法， 5 0 年代之后，出现了几百个有关快速原型技术的专利。其中z a n g ( 1 9 6 4 ) 、r i c h a r dm m e y e r ( 1 9 7 0 ) 和g a s k i n ( 1 9 7 3 ) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形模型的新方法。p a u ll d i m a t t e 在他1 9 7 6 年的美国专利中，进一步明确地提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转化成 许多二维轮廓薄片，然后用激光束切割来使这些薄片成形，再用螺栓、销钉等将一系列薄片 连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速原型技术“物体分层制造”( l a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 的原理极为相似。1 9 7 9 年，日本东京大学的n a k a g a w a 教授开始采用 分层制造技术制造实际的模具，如落料模、压力机成形模和注塑模。 上述早期的专利虽然提出了一些快速原型的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速 原型机械及其使用原材料的商品化。8 0 年代末之后，快速原型技术有了根本性的发展。出现 的专利更多，仅在1 9 8 6 - - 1 9 9 8 年期问在注册的美国专利就有2 7 4 个，这首先是g h a d e s w h i l l l 在他1 9 8 6 年的美国专利中【1 0 1 ，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体 的现代快速原型机的方案，随后，美国的3 ds y s t e m s 公司据此专利，于1 9 8 8 年生产出了第 一台现代快速原型机- s l f 啦5 0 ( 液态光敏树脂选择性固化成形机) ，开创了快速原型技术发 展的新纪元【1 1 1 。在此后的1 0 年内、涌现了1 0 多种不同形式的快速原型技术和相应的快速 原型机，如薄形材料选择性切割m ) 、丝状材料选择性熔覆m ) 和粉末材料选择性烧结 ( s l s ) 等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。目前世界上已有2 0 0 多家机构开 展了r p m 的研究，据统计到1 9 9 8 年底全世界已销售4 2 5 9 台r p m 成型设备。不仅如此，还 派生出一个全新的领域快速模具制造( r a p i dt o o l i n g ) ，从而使快速原型成为现代制造业 必不可少的支柱技术。 成形材料是r p m 技术发展的关键环节。国外现在所应用的成型材料已经较为丰富，见 表1 1 所示软件是r p m 系统的灵魂。其中作为c a d 到r p 接口的接据转换和处理软件是其 关键之一。国外的各大r p m 系统生产商一般都开发自己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 l i c e 、s u p p r t w o k s 、a u t o g e n ，c u b i t a l 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。 9 同济大学硕士论文第1 章绪论 表1 1 国外r p m 材料应用类型 1 i s 1 1t h eu o f t h ei 氇mm a t e r i a l 材料形态液态固态粉末固态片材 固态丝材 非金属金属 覆腊纸、覆膜塑蜡丝、a b s 丝等 具体材料光固化树脂 蜡粉、尼龙粉、钢粉、覆腊、料、覆腊陶瓷箔、 覆腊陶瓷粉等钢粉等 覆膜金属箔等 由于c a d 与r p m 的娄所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常用的有刚： 1 ) s t l ( s t e r e ol i t h o g r a p h yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 格式 s t l 格式最初用于美国3 i ) s y s t e m s 公司生产的s l a 快速原形系统，它是目前快速原形 系统中最常见的一种文件格式，它将三维曲面c a d 模型近似成小三角平面的组合。 2 ) i g e s ( i n t e r n a t i o n a lg r a p h i c se x c h a n g es t a n d a r d ) 格式 i g e s 是大多数c a d 系统采用的一种国际图形转换标准，用于支持不同文件格式间的 转化。但是由于不同的c a d 供应商对i g e s 标准有自己不同的解释，从而使不同系统生成 的i g e s 文件有所差异。 3 ) h p g l ( 1 i pg r a p h i c sl a n g u a g e ) 格式 h p g l 是t i p 公司开发的一种用来控制自动绘图机的语言格式，它已被广泛应用，成为 一项事实标准，这种表达格式的基本构成是描述图形的矢量，用x 和y 坐标来表示矢量的 起点与终点，以及绘图笔相应的拾起和放下。某些与绘图原理有关的快速原形系统采用 i - i p g l 来驱动它们的喷头。 4 ) s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c t ) 格式 s t e p 是国际标准组织提出的产品数据交换的标准。目前，典型的c a d 系统都能输出 s t e p 格式文件，有些快速原形技术的研究工作者正试图借助s t e p 格式，不经s t l 格式的 转化，直接对三维o m 模型进行切片处理，以便提高快速原形的精度。 而输出的数据文件一般为c u ( 根据r p 系统成型要求提出的一种切片数据格式，其数 据为待成型物体的逐层轮廓数据，可以直接满足r p 系统的成型需求) 。 除了上述主要格式外，人们还先后提出了r p i 格式、l e a f 格式、l m i 格式等。这些接 口对改进r p 系统数据接口作了有益的尝试，但是均未被r p 系统制造商广泛采用。国外比 较著名的一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