（计算机应用技术专业论文）面向rp的vrml模型浏览与分层研究.pdf

论文题目：面向r p 的v r m l 模型浏览与分层研究 专业：计算机应用技术 硕士生：孙秀英 指导教n i ：李占利 ( 签名) ( 签名) 摘要 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是广泛应用于w 曲的三维造型语言，同时 也是在i n t e m e t 上传输v r 图像的国际规范，能表达模型的颜色纹理信息。使r p 系统接 受v r m l 格式可以制造出彩色工件，同时避免s t l 格式带来的不足，例如精度损失、 易出现裂缝等，因此开发能够接受v r m l 模型的r p 软件具有重要工业应用价值。本文 对基于v r m l 的r p 分层处理技术进行了系统研究。 首先，在对v r m l 文件嵌套、编组、引用等技术进行分析的基础上，设计了以三 维几何形体为单位、便于模型分层处理的内部模型；分析推导了v r m l 坐标变换节点 t r a n s f o r m 的作用矩阵以及与之等价的o p e n g l 坐标变换语句序列；研究了v r m l 文件 读入及相关信息的提取技术，建立了用于模型显示及分层处理的内部数据模型，实现了 v r m l 模型的可视化。 其次，在分析内部模型表示方式的基础上，提出了适合于v r m l 模型的分层处理 方案及方法。该方案采用不同方法处理v r m l 基本几何体( 球体、圆柱体、圆锥体、 长方体) 与多面体的分层。若基本几何体转换到世界坐标系中仍是正则几何体，则在世 界坐标系中进行分层处理，否则将平面转换到几何体所在局部坐标系中，并在局部坐标 系中进行分层处理，然后将分层结果转换到世界坐标系中，对于多面体则在世界坐标系 中进行分层处理。在分层方向的选择上，利用o p e n g l 模型视图矩阵实现了模型的重定 位。在全面分析平面与基本几何体各种相交情形的基础上，推导了各情形下的相交条件 及交线几何表示，并研究了其离散化方法。该方法具有稳定性强、精度高、速度快的特 点，能适应r p 加工的层片文件格式要求。 在上述研究成果的基础上，利用v c + + 6 0 和o p e n g l 开发了基于v r m l 的r p 分 层处理软件系统。该系统分层精度比较高，可扩展性好，能适应未来彩色原型、网络与 虚拟制造的发展趋势。 关键词：r p ；v r m l ；o p e n g l ；可视化；分层；坐标变换 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r p o r i e n t e dv i s u a l i z a t i o na n ds l i c i n go fv r m lm o d e l s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：s u nx i u y i n g i n s t r u c t o r ：l iz h a n l i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e )乞，- 砒以幺 v r i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) f o r m a ta sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rv r ， h a sa l r e a d yb e e nw i d e l ya d a p t e df o rg r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o no f3 do b j e c t so v e rt h ew e b v r m lm o d e l sc a nb ec r e a t e d 谢t 1 1g e o m e t r y ，t e x t u r ea n dc o l o r i fv r m lf o r m a ti su s e di n r p ，c o l o r i z e dm o d e l sc a nb ef a b r i c a t e du s i n gr pt e c h n i q u e ，a n dt h ew e a kp o i n t so fs t l f o r m a tc a nb eo v e r c o m e ，s u c ha sa c c u r a c yl o s s ，h o l e s ，e t c h e n c ed e v e l o p i n gr ps o f t w a r e s y s t e mb a s e do nv r m l i so fi n d u s t r i a li n t e r e s t r ps l i c i n gt e c h n i q u eb a s e do nv r m lh a s b e e ni n v e s t i g a t e d f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fn e s t e dh i e r a r c h y , g r o u p i n ga n du s et e c h n i q u e si n v r m l ，ad a t as t r u c t u r ew a sd e s i g n e dw h i c hc o u l dc o m p l e t e l ye x p r e s sm o d e li n f o r m a t i o na n d f a c i l i t a t es l i c i n gp r o c e s s i n g ；m a t r i xo ft r a n s f o r mn o d ei nv r m la n de q u i v a l e n tr e a l i z a t i o n u s i n go p e n g lw e r ed e p r i v e d ；b ys t u d y i n gt h et e c h n i q u e so fr e a d i n gv r m lf i l e a n d e x t r a c t i n gr e l a t e di n f o r m a t i o n ，i n t e r n a ld a t am o d e lf o rs l i c i n gw a sb u i l t ，a n ds c e n er e n d e r i n g w a sr e a l i z e du s i n go p e n g l s e c o n d l y , s l i c i n gs t r a t e g ya n dm e t h o df o rv r m lf o r m a tw e r ep r o p o s e db a s e do nt h e a n a l y s i so fr e p r e s e n t a t i o nm e t h o do fi n t e r n a ld a t am o d e l s l i c i n go fg e o m e t r i c a le l e m e n t sa n d p o l y h e d r o nm o d e l sw e r ep r o c e s s e dr e s p e c t i v e l y i ft h eg e o m e t r i c a le l e m e n ti sr e g u l a ri nw o r d c o o r d i n a t es y s t e m ( w c s ) ，i tw i l lb es l i c e di nw c s ，o r e l s e ，s l i c i n gp l a n ew i l lb et r a n s f e r r e d i n t ol o c a lc o o r d i n a t eo fe a c hg e o m e t r y , a n ds l i c i n gw i l lb ep r o c e s s e di nl o c a lg e o m e t r ys y s t e m ， t h e ns l i c i n gd a t aw i l lb et r a n s f e r r e di n t ow c s a n d p o l y h e d r o nm o d e l sw i l lb es l i c e di nw c s m e t h o do fm o d e lr e o r i e n t a t i o nu s i n gm o d e l v i e wm a t r i xo fo p e n g lw a si n t r o d u c e di n s e l e c t i o no ff a b r i c a t i o no r i e n t a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fi n t e r s e c t i o no f p l a n e g e o m e t r i c a l e l e m e n t ，c o n d i t i o na n dg e o m e t r i c a ld e s c r i p t i o no fi n t e r s e c t i o nw e r ed e d u c e di ne a c hc r o s s i n g c a s e ，a n dm e t h o do fl i n e a rd i s c r e t i z a t i o nf o ri n t e r s e c t i o nw a sp r o p o s e d t h em e t h o dh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fg o o ds t a b i l i t y , h i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c ya d a p t i n gt of i l ef o r m a to fl a y e r d a t ai nr pm a n u f a c t u r i n g b a s e d 。na b 。v e r e s e 砌删1 t s ，r ps l i c i n gs 。脚a r e b a s e d o nv r m l m o 如1h a s b e 化e n d e v e l o p e du s i n gv c + + 6 0a n do p e n g l t h es y s t e m h a sl l i 曲p r e c i s i 。n ，g 。de x p 哪! b l l l 够 a n da d a p t a b i l i t yf o rc 。l o rr p a n dn e t w o r k e dm a n u f 如嘶n g 。 k e yw o r d s ：r a p i d p r o t o t y p i n g v i m a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e o p e n g l v i s 豫1 i z a t i o n s l i c i n g c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n t h e s i s：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 姿科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韵、秀烫日期：州o l o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：刳、鸯炙 指导教师签名： 啊6 年o 只o b 1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 1 1 1 快速成形技术的原理 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的先进制 造技术之一，它是在现代工业生产正在从大规模批量化生产转变为小批量和个性化生 产，产品的生命周期和投放市场的时间越来越短的技术一市场背景下产生的。 快速成形技术是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体 的三维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型，无需任何专用工具。又 称快速成型，快速原型等。快速成型制造( 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 ，r p & m ) 技术 是使用r p 技术、由c a d 模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件技术的 总称。 快速成形技术【l 】采用离散堆积原理，与数值 积分中把任意函数积分问题转化为求解并累加 一系列简单图元( 如矩形、梯形等) 的面积思路 相似。在数值积分中，由于采用分段( 积分区间 的细分) 求积分的办法，使求解积分值的形式发 生了实质性变化，把求解原函数运算转化为简单 代数运算，而数值积分的结果却可以不断逼近积 分真实值。在快速成形中，采用了离散的办法， 也使制造的形式和内容发生了实质性变化，把三 维零件制造转化为一系列简单单元体制造，而单 元体制造从某种意义上讲已经突破了零件制造 的范畴。尽管单元体的制造机理与零件制造不 同，但正如利用数值积分方法可以使积分值不断 逼近真值一样，利用快速成形工艺也同样可以制 造出从形状和性能两方面近似真实零件的原型， 甚至零件。通过离散才能获得堆积的顺序、路径、 限制和方式；通过堆积才能将材料构成一个三维 实体。 ( 融唰辑) ! 一一一一一一；| | 一一一一 一 4 吩霉必) l 一竺娑兰 歉僦t 黏篁 l l l 洲瓤卜l l i i + i 矧礁弘l l i l 。一。一一l 一一一。 专 l 她删疆| 照1 赊 ：忿鹪壤木越羁i 快速成形过程可以分为离散和堆积两个过程，如图1 1 所示。离散过程将制件c a d 西安科技大学硕士学位论文 模型沿某一方向( 如z 方向) 离散为一系列的二维层面( 称为分层或切片) ，得到一系列 的二维平面信息( 截面信息) ；分层后的数据进行进一步处理，根据不同工艺的要求将 这些信息与数控( c n c ) 成型技术相结合，生成c n c 代码；在微机控制下，数控系统以平 面加工方式，有序地连续j j n - r 出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而构成一个与 c a d 模型相对应的三维实体模型，这就是堆积的过程。 从图1 1 可以看出，r p 工艺的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。 1 1 2 快速成形技术的发展趋势 目前快速成形技术正在快速发展阶段，主要发展方向利2 5 】： ( 1 ) 不同制造目标相对独立发展 从制造目标来说r p 主要用于：快速概念设计原型制造；快速模具原型制造；快 速功能测试原型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨 大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大 差距，两者是相对独立发展的态势。快速测试型制造将附属于快速概念型制造。快速功 能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍 将局限于研究领域。 ( 2 ) 向大型制造与微型制造进军 原型的制造尺寸目前正向增大的趋势发展。基于大型模具的制造难度和r p 技术在 模具制造方面占有独特的优势，可以预测在未来的r p 技术市场上，大型原型制造将占 有不小的比例。此外，r p 技术也在向微型原型制造领域发展，以适应微型机械发展的 需要。日本n a g o y a 大学已可用聚焦直径为5 p m 的激光来制造出微型静脉阀、集成零件 等，处于领先地位。 ( 3 ) 成形精度和表面质量的再提高 ( 4 ) 多色彩工件的制作 目前，快速成形机制作的样品往往是单一颜色的，它的色彩取决于原材料的颜色及 成形过程中的化学、物理变化，或者后续的着色工序( 如喷漆) 。然而随着用户要求的 提高，许多领域( 尤其是医疗领域) 都希望采用r p 技术直接制作多色彩的工件。 ( 5 ) 发展桌面系统，实现远程控制 随着r p 技术集成化的研究，设计和制造人员可用各种桌面系统直接控制制造过程， 实现设计和制造过程统一协调和无人化。随着网络技术的发展和普及，用户可通过因特网 将制品的c a d 数据传给制造商，制造商可根据要求快速为用户制造各种制品。更进一步 发展为用户通过因特网直接进入制造商的主页，从而利用r p 技术实现远程制造。 2 1 绪论 ( 6 ) 与生物技术相结合 1 1 3i 冲系统的组成 快速成形技术由数据处理技术、快速成型机、材料配制技术三部分组成。数据处理 技术可以接收和处理任何一个c a d 系统输出的三维模型信息( s t l 等文件格式) ，对c a d 模型进行修复和分层，最后处理成层片文件格式送入成型机中。快速成型机接收经数据 处理技术处理后的层片文件进行快速成型制造。主要成形工艺有s l a 、s g c 、s l s 、l o m 、 3 d p 、b p m 、f d m 等。材料配制技术按专有配方和工艺生产成型机所需的各种原料。 快速成型数据处理是r p 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型件的质量。r p 数据处理由软件系统负责完成，因此 “软件是r p 的灵魂”【8 j 。 1 2r p 软件系统开发现状 1 2 1r p 软件系统存在的问题 根据“r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t 调查【9 1 ，目前快速成形领域中存在的主要问题，如图 1 2 所示。 糕群翰瑗懿麓 襞爹黢锈褥辫 萝菱羧惫瞒娥膨 瀣巍矮璇 琏澎糍艨 飘蛰黪驻缓镪谗 娥黪遴瘦 霪善氟蜜镄： 爨谈 瑟瀣懿 溺 。2 靛扩锻蠛存鼗瓣耄鬟隧懋 快速成形软件系统中目前存在的问题主要有以下几点【l o 】： ( 1 ) 成形精度和质量问题 影响成形精度的主要因素有两方面：一是由c a d 模型转换成s t l 格式文件，以及 随后的切片处理所产生的误差；二是成形过程中之间的翘曲变形，以及成形后由于制件 吸入水分、温度和内应力变化等不稳定因素所造成的无法精度预计的变形。 ( 2 ) r p 软件无标准化，软件二次开发难 西安科技大学硕士学位论文 绝大多数r p 开发商自行开发与其成形机匹配的r p 软件系统，市场上r p 软件互不 兼容，不同r p 系统间相互交换数据非常困难。 ( 3 ) 功能单一 己商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检 验与修正等中的一种或几种功能，随机携带的快速成形软件都只能完成一种工艺的数据 处理和控制成型。 1 2 2 已有的i 冲软件系统 软件是r p 系统的灵魂。其中作为c a d 到r p 接口的数据转换和处理软件是其关键 之一。各大r p 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 kh e l i s y s 公司的l o m s l i c e ；d t m 的r a p i dt o o l ；s t r a t a s y s 公司的 q u i c k s l i c e 、s u p p o r t w o r 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 t 等。 由于c a d 与r p 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s t l 、i g e s 、d x f 、h p g l 、c t 层片文件等，而输出的数据文件般为c l i 。 比较著名的一些第三方接1 2 1 软件有：美国s o l i dc o n c e p t 公司的b r i d g e w o r k s 、s o l i d v i e w ， 比利时m a t e r i a l i s e 公司的m a g i c s ，美国p o g o 公司的s t lm a n a g e r ，美国i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e i 冲m 等【引。 不同c a d 系统所采用的内部数据格式不同，r p 系统无法一一适从，这就要求有一 种中间数据格式既便于r p 系统接受又便于不同c a d 系统生成，s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 格式应运而生了。s t l 格式最初出现于1 9 8 8 年美国3 d s y s t e m 公司生产的s l a 快速 成形机中，是当前绝大多数商用r p 系统广泛采用的c a d r p 数据接口。 s t l t 1 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。每个空间小三角形面片都用三角形的3 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，3 个顶点的次序与法向量满足右手规则。此外，s t l 文 件中两个相邻三角形能有一个公共边。各三角形的顶点坐标必须是正数，负数是不合法 的。s t l 文件一般有a s c i i 和b n f 两种格式，其中采用b n f 的s t l 文件要比a s c i i 的s t l 文件小得多( 一般是1 6 ) ，但是a s c i i 码输出形式可以直接阅读和检查。图1 3 为a s c i i 格式的s t l 格式。 4 1 绪论 嘲1 3s i 。l f l i a s c h 撩 目前基于s t l 模型的r p 数据处理系统一般流程如图1 4 所示。 隧1 - 1 龄 t 钳l ，燃v 篓瓣盼数瓣舱鹱谲瓣 从图1 4 可以看出，这类r p 数据处理系统的主要功能包括：s t l 模型校验和修复、 模型拓扑信息结构的建立、分层处理、支撑添加、轮廓填充线生成等内容。 由于s t l 格式具有易于转换、表示范围广、分层算法简单等特点，为大多数商用快 速成形系统所采用，现己成为快速成形行业的工业标准。但是，s t l 模型也存在许多不 足之处【1 1 _ 1 2 】： ( 1 ) 由于s t l 模型用大量小三角形面片来近似逼近c a d 模型表面，造成s t l 模 型对产品几何模型的描述存在精度损失。为了获得较高的模型逼近精度，数据量可能会 成倍增加。 ( 2 ) s t l 模型不包含拓扑信息，三角形面片的公用点、边单独存储，数据的冗余 度大，存储空间浪费严重。也使得对s t l 模型的分层算法运行缓慢，每分一层需要遍历 所有面片，或者先建立s t l 模型的拓扑信息，然后再进行分层。随着网络时代的到来， s t l 模型数据冗余大的不足也使其不利于远程r p 的数据传输，难以有效支持远程制造。 ( 3 ) 目前c a d 造型系统在将模型转换为s t l 时，大都是先对单张曲面的参数域 进行剖分，再将剖分结果映射到三维空间。在对曲面的边界进行离散时，这些算法大都 仅考虑本曲面所在的参数域。因而，当对多张曲面进行三角化时，在曲面的相交处往往 产生裂缝、孔洞、覆盖及相邻面片错位等缺陷。 西安科技大学硕士学位论文 s t l 模型的上述不足之间往往是难以调和的，为了获得较高的模型逼近精度，数据 量可能会成倍增加，同时s t l 文件出现错误的可能性也随之增大；反之，则必须以降低 模型逼近精度为代价。针对s t l 模型中存在的问题，人们试图从以下几方面来解决【1 2 。1 4 】： ( 1 ) 对s t l 模型进行修复处理 针对s t l 文件上述缺陷开发专用软件进行修补。比如用重新拟合分层信息的方法， 用拟合曲线来代替分层中的某些直线段，在一定程度上可恢复模型原来的精度。此外， 还可以重建s t l 模型整个三角面片之间的拓扑连接关系，以解决s t l 数据冗余的问 题。但是这样即使采用较好的数据结构和算法，完成该过程所需时间也很长，而且当s t l 数据存储出现错误时该过程就很难完成。另外，采用遗传算法可以精简s t l 中三角面 片的数量。这种方法对物体上的平面效果很好，但对非平面的表面，精度会进一步下降。 ( 2 ) 将中性标准数据文件直接应用于快速成形数据处理 中性标准数据文件( 如i g e s ，d x f , s t e p 等) 是不同c a d 或应用系统间交换信 息的接口文件。其中i g e s 、s t e p 可以精确描述c a d 模型，而且几乎被所有c a d 系统 支持。但文件含有很多r p 系统不需要的冗余信息，而且需要开发新算法，远比处理s t l 文件要复杂。此外支撑必须在c a d 系统内创建，不像使用s t l 文件可以实现r p 工艺 规划与c a d 系统完全独立。另外，中性标准数据文件还包含详细的产品设计信息，不 利于设计保密。在国内，西安交通大学开展了基于s t e p 集成r p 系统方面的研究。文 献 1 5 对基于s t e p 标准的c a d 模型直接分层处理技术进行了研究。这类r p 系统的数 据处理流程如图1 5 所示。 ；澈d 遗，妗较纷 心；5 l 鲻照翘系统 ! ll s 鞣驴等交绛 l d 壤犁 l，。i 。h l ，。l 。氛l 。，。 ；。l 纂分，：媳艘 二：二维绥靖文纷瓣擞 = 二x 蛙1 岂魁劫，l ；ll v 厂1 厂叫1 1l 瀚、1 嚣蘧l ：t l l 德辕凇羧鳓文鹱：瓣l 移鼗赞；嫩壤漱鬟 ( 3 ) 寻求新的c a d r p 数据接口格式 针对此种情况，近年来相继有人提出了不少新的数据存储格式，如c l i ( c o m m o n l a y e ri n t e r f a c e ) ，r p i ( r a p i dp r o t o t y p i n gi n t e r f a c e ) 、l m i ( l a y e rm a n u f a c t u r ei n t e r f a c e ) 、 s l c 等。但这些数据文件多为学术探讨，要投入实际制造，需要得到商用c a d 软件和 r p 系统的共同认可和支持， c a d r p 系统双方需要共同协作，各自为自己的软件增加 新的转换模块，更换新的硬件数据接口，形成两者共同接受的新标准。 ( 4 ) 直接应用c a d 系统进行分层处理 虽然采用对s t l 文件重新拟合的方法可部分的改善成型精度和表面质量，但是不 能完全消除由于网络化处理所带来的误差。于是有人提出利用c a d 软件的剖切功能对 c a d 模型进行剖切，生成分层信息并用此信息来进行数据处理和数控加工。 6 1 绪论 这种利用c a d 系统进行直接分层的优点是：减小数据存储量；提供更高的模型精 度，减少快速成型设备的前处理时间，提高工作效率；无须进行拓扑信息处理以及文件 错误修正等等。但这种方法也有其潜在的局限性：不易于将支撑添加到嵌套性切片中； 不能再重新定位模型的方向；设计人员需要具备更多的知识等。由于设计后立即进行实 体制造，作者认为这种分层方式不利于公司内部或与用户之间的信息交流，也不适用于 未来网络化和异地制造的r p 系统中。 思路( 3 ) 、( 4 ) 都充分利用了c a d 软件系统中体和面的求交功能，并以二维层片 的格式( 如l e a f 、s l c 、p i c 、h p g l 等) 输出。文献 1 6 1 9 1 给出了多种实现方法。这 类r p 系统的数据处理流程可以表示为图1 6 。 l 罐 6 铡用融嘲震份揍分瑟躲雌熬瓣处聪过 翟 ( 5 ) 根据样件利用反求技术，经过三维数字测量可以得到物体表面的点云数据。常 见处理方法是对这些点云数据经过滤波、特征提取或曲面重构等数据处理得到产品的三 维c a d 表面模型，然后再转换为s t l 格式输入r p 系统处理。文献 2 0 】等研究了不经过 s t l 格式转换，而是直接对点云数据进行分层处理的技术。 1 2 3 基于v r m l 模型的i 冲软件系统 目前r p 系统几乎都支持s t l 模型，己成为快速成形行业的工业标准。针对s t l 格式存在的不足，本文提出采用v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 格式作为 三维模型的接口格式。 v r m l 2 1 】是一种三维图形描述语言，同时也是一种在i n t e m e t 上传输v r 图像的规 范。1 9 9 8 年1 月正式获得国际标准化组织i s o 批准( 国际标准号i s o i e c l 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ) 。 在工程设计方面，因为v r m l 是三维格式，吸引了广大c a d c a e c 舢订系统的使用者 和开发者，同时也受到世界上主要c a d c a e c a m 开发商的关注和支持，比如u g 、 3 d s m a x 、a u t o c a d 、m a y a 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等3 d 成形软件都支持v r m l 的输出。 与s t l 相比，v r m l 具有以下特点 2 2 - 2 3 】： ( 1 ) v r m l 多面体中点数据不像s t l 中重复存储而是采用索引技术，且点数据 按逆时针或者顺时针排列，不必含有每个面的法向量，这样就大大减少了数据冗余，加 快了分层处理过程。 - ( 2 ) 用户通过w e b 浏览器可以方面的观察v r m l 模型，这样通过i n t e m e t 在设 计人员和用户之间建立了有效的通信交流，有利于发现并解决模型中存在的错误，适应 西安科技大学硕士学位论文 未来r p 远程制造和网络交流的趋势。 ( 3 ) v r m l 包含颜色、材质、纹理等信息，具有适应未来r p 制造彩色产品的发 展趋势。 ( 4 ) 模型的表达除了多面体外，还有圆柱体、球体和圆锥等组成元素，此外还具 有坐标变换功能。设计的模型在外观上更接近于实际物体，有利于提高r p 制品精度和 表面质量。 根据r o c h e s t e r 大学的p r o d u c t i o na u t o m a t i o np r o j e c t i o n 研究小组在2 0 世纪7 0 年代 中期所作的调查和统计，8 0 - - 8 5 的机械零件可以用平面和圆柱面表示；如果再加入 圆锥面，则可以表示9 0 - - - 9 5 的机械零件【6 7 j 。v r m l 支持圆柱、圆锥、球体、立方 体及其坐标变换。 目前国外许多r p 软件系统都已接受v r m l 格式，常见的有s o l i dc o n c e p t s 公司的 s o l i d v i e w 、m a t e f i a l i s e 公司的m a g i c s 、zc o r p 公司的z p r i n t 、c a s t i n g st e c h n o l o g y i n t e m a t i o n a l 公司的r p w o r k b e n c h 、d e s k a r t e s 公司的s p e c t r a le x p e r t 等。 2 0 0 0 年4 月zc o r p 公司宣布z 4 0 2 c 三维彩色成形机诞生了，这是世界上第一个能 制造出多种颜色零件的商业性快速成形设备。zc o r p 公司开发的r p 软件系统可以输入 许多包含颜色信息的三维数据格式，比如v r m l 。自从z 4 0 2 c 诞生以后，zc o r p 公司 又相继生产了z 4 0 6 、s p e c t r u mz 5 1 0 等彩色r p 设备【2 4 】。 在2 0 0 4 年1 1 月南非快速产品开发国际会议上( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nr a p i d p r o d u c td e v e l o p m e m ) ，成功研究了彩色成型设备的zc o r p 公司欧洲销售经理g r a h a m l i n d s a y 先生发表说，为了解决将彩色c a d 模型应用于r p 系统的问题，将来我们会转 向使用彩色格式的工业标准如v r m l 。 随着r p 技术的不断发展，要求软件对i n t e m e t 有良好适应能力。与基于s t l 的r p 软件系统相比，采用v r m l 格式模型表示精度高、数据冗余小，使工程人员能通过全 球网或内部网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，此外还适应适应未来c o l o r r p 、远程制造等发展趋势。 1 3 本文研究内容及章节安排 为了提高r p 成形精度，适应未来网络制造和c o l o rr p 的趋势，本文对基于v r m l 的r p 软件系统进行研究，主要研究内容是如何将v r m l 文件转换为二维层片文件。具 体分为以下两部分： 1 v r m l 模型信息的提取、存储及交互式显示 ( 1 ) 分析v r m l 文件模型表达与组织结构，结合r p 软件系统的特点，给出一种 能包含完整模型信息、便于分层处理的内部数据模型； ( 2 ) 分析并实现v r m l 文件的读入与分析，完成对v r m l 文件特定信息的提取， 8 l 绪论 形成计算机内部数据模型； ( 3 ) 通过分析对比o p e n g l 与v r m l 在模型显示、外观材质、坐标变换方面的异 同，在v c + + 6 0 和w i n d o w s 2 0 0 0 环境下实现基于o p e n g l 的v r m l 场景渲染。 2 v r m l 模型的分层处理 ( 1 ) 分析r p 分层处理的流程，提出对v r m l 模型的分层处理方案； ( 2 ) 采用几何法进行平面与多面体、平面与圆柱体、平面与基本几何体的求交。 需要全面分析求交的各种情形，求出各情形下的相交条件、交线形状及交线表示； ( 3 ) 为符合目前层片轮廓数据格式，给出将各交线离散为若干小直线段的方法； ( 4 ) 研究v r m l 模型的分层处理算法及其实现。 为完成上述工作，本文章节安排如下： 第一章绪论 第二章基于v r m l 模型的数据处理技术路线分析 第三章v r m l 文件中模型信息提取与可视化研究 第四章基于v r m l 模型的分层处理关键技术研究 第五章基于v r m l 模型的分层算法实现技术研究 第六章结论与展望 9 西安科技大学硕士学位论文 2 基于v r m l 模型的r p 数据处理技术路线分析 在分析基于s t l 模型的r p 软件系统流程，总结r p 数据处理软件主要功能的基础 上，给出了本文基于v r m l 模型的r p 数据处理技术路线。深入分析各种v r m l 模型 分层处理方案及步骤，指出分层处理中关键问题是平面与v r m l 模型的求交。为获得 较高的求交精度，平面与v r m l 基本几何体的求交选用几何法进行。 2 1 引言 快速成形技术的软件系统由三部分组成【8 】：c a d 造型软件，数据转换与处理软件和 监控系统软件。其中c a d 软件一般采用市场上较为流行的c a d 造型系统，而数据检验 处理软件及监控软件则需要r p 系统生产商白行开发。目前s t l 模型是快速成形行业的 工业标准，绝大多数r p 软件系统采用s t l 模型作为c a d 软件和r p 数据处理软件之 间的接口格式。基于离散堆积原理的快速成形的基本过程是建立零件的三维模型，然 后进行数据处理转换为二维离散层片，对层片轮廓数据进行工艺规划，然后将轮廓填充 数据转换为n c 代码，输入成形机最终制造出三维零件实体。通过总结大多数r p 软件 系统瞄25 1 ，基于s t l 模型的r p 软件系统流程可以表示为图2 1 所示。 臣堡圈巨垂巫圈 隧2 i 蝎” 二辩l 。缀臻能被俘攥缓流糍 从图2 1 中可以看出，c a d 造型软件负责：成形件的几何设计、模型表面三角化及 s t l 文件输出；数据转换与处理软件可以分为分层处理软件和工艺规划软件两部分，分 l o 2 基于v r m l 模型的r p 数据处理技术路线分析 层处理软件负责：s t l 文件输入、模型错误诊断及修复、模型显示与几何变换、成形 方向选择、实体分层处理、层片轮廓信息输出；工艺规划软件负责：层片轮廓数据文件 读入显示、支撑生成、扫描路径生成、轮廓填充数据输出；监控系统软件完成分层信息 输入、加工参数设定、n c 代码生成、实时加工状态监控等。 分层处理软件是连接三维c a d 模型和二维轮廓数据的纽带，是本文的主要研究范 围。由于s t l 文件由c a d 模型经表面网格化得到，使其表示的模型会存在精度损失甚 至错误。为了确定本文分层处理软件的技术路线，首先分析总结基于s t l 模型的分层处 理软件主要功能如下： 模型显示与变换：在进行分层前，需要先加载并显示模型，然后对模型进行变换，包 括平移、旋转、缩放等，以检验模型的正确性。 模型诊断与修复：s t l 易产生错误，详细说明见小节1 2 2 。错误校验和修复对于基 于s t l 模型的r p 软件系统是必需的。 建立内部数据模型：模型数据需要从物理文件中提取出来，建立计算机内部数据模型， 作为r p 数据处理的基础工作，内部数据模型直接影响模型显示、变换、分层处理等 数据处理。 成形方向选择：由于成形方向的选择影响成形质量、成形时间、支撑数量等，选择合 适的成形方向是分层处理前的必要步骤。 添加支撑：是否添加支撑取决于制造工艺，对于s l 和f d m 工艺，添加支撑结构是 必需的。支撑结构在固定零件、保持零件形状、减少翘曲变形方面有着重要作用。支 撑可以在三维模型中添加，也可以在二维层片轮廓数据中添加。 分层处理：分层处理是整个r p 数据处理的关键步骤，通过用一组平行平面与三维模 型进行剖切，得到各平面上模型的轮廓，经分析处理得到模型的二维层片轮廓信息， 作为工艺规划的输入。 2 2 基于v r m l 模型的i 心数据处理流程分析 基于v r m l 模型的r p 软件系统流程与图2 1 中基于s t l 模型的r p 软件系统流程 大体一致，主要区别在于v r m l 文件获取、模型显示、分层处理等步骤的具体实现不 同，致使最终成形件的精度与质量也不同。 基于v r m l 模型的r p 数据处理实质就是从v r m l 物理文件中获取模型的几何拓 扑、外观等信息，并在计算机内部建立数据模型，然后对模型进行分层处理，获得快速 成型制造的层片轮廓信息。图2 2 为基于v r m l 模型的r p 数据处理流程图。 西安科技大学硕士学位论文 潮2 2 臻h i 援4 键致孵她秘螽瓣譬 从流程图可以看出，基于v r m l 模型的r p 数据处理要实现从三维模型v r m l 文 件的输入n - 维层片轮廓信息文件的输出。本文基于v r m l 模型的分层处理软件的主 要组成模块有： ( 1 ) v r m l 模型信息的提取 提取v r m l 文件中模型的几何、拓扑、坐标变换、颜色纹理等信息，并滤去模型 的环境、行为等不需要的信息。为了实现后续的模型处理，需要在计算机内部按一定结 构存储模型的相关信息。 ( 2 ) 内部数据模型 v r m l 文件是过程描述语言，描述了模型的构造过程，将v r m l 文件应用于r p 首先需要将模型的空间位置、几何数据、颜色信息分析总结，形成适合分层处理的内部 数据模型。内部数据模型是后续v r m l 模型读取、显示、分层处理等的对象。设计恰 当的数据结构来表达模型信息相当重要，直接影响到后续模型处理的方便性及处理效 率。 ( 3 ) 模型的显示 在进行分层处理前，对模型进行交互式显示很有必要，这样可以对模型数据的正确 性进行检验，以及显示分层方向的选择结果。如果发生模型数据存在错误或v r m l 文 件加载错误等情况，则需要修复模型或重新加载新模型，而不能直接进行分层处理。 ( 4 ) 模型数据预处理 在分