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论文题目：c l i 文件正确性检验与支撑设计系统研究 专业：计算机应用技术 硕士生：史晓楠( 签名) 速监 指导教师：李占利( 签名) ：塞盏垂l 摘要 熔融沉积( f d m ) 快速成型制造中，支撑设计是一项关键性技术。支撑设计的优劣会 直接影响零件的成型精度与成形质量。本文研究了f d m 工艺中基于c l i 模型支撑设计 的相关方法和软件实现技术。主要工作如下： 首先对c l i 文件格式进行深入研究，并针对基于该模型支撑设计的特点，讨论了文 件正确性检验的必要性；同时对文件中常出现的两种问题：数据冗余与实体轮廓未闭合 给出相应的处理方法。 其次根据f d m 工艺的特点，建立成型过程层间等效力学模型，利用有限元软件分 析层片的变形并以此总结出f d m 工艺支撑设计的一般规则；同时根据实际制作中只有 层问悬臂量达到某临界值时才会导致变形的事实，建立了悬臂量与变形量关系的几何模 型，再次进行有限元分析，依据结果数据拟合出两者之问规律的函数关系，可作为该类 工艺实际制作支撑设计的参考。 此外对已有的支撑生成方法进行了讨论，同时给出了手动生成支撑中的一种正多边 形轮廓组支撑的生成算法，并着重研究了自动生成支撑涉及的相关算法，其中包括内外 轮廓识别的射线法、轮廓偏置的截距方程法、扫描线预填充算法、支撑结构自动生成算 法和支撑缩减算法。 最后利用软件工程方法对c l i 文件正确性检验与支撑设计的软件系统进行了总体 设计，针对该软件要实现的主要功能设计出合理的模块，并在v c + + 6 0 编程环境中调试 并实现了软件系统。 关键词：f d m ；c l i 文件；力学模型；支撑设计规则；支撑生成方法 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c h o nt h es y s t e mo fc l if i l ev e r i f i c a t i o na n ds u p p o r t d e s i g n 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 h ix i a o n a n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l iz h a n l i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 砌a j n m z ，办h 厶 s u p p o r td e s i g ni sak e yp r o b l e mi nf d m ，a si tw i l lg r e a t l ya f f e c tt h ea c c u r a c ya n dq u a l i t yo f t h e p r o t o t y p e s t l l i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nt h es u p p o r td e s i g nm e t h o d sb a s e do nc l if i l ea n d t h et e c h n o l o g i e so fs o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h er e s e a r c hw o r kc o v e r e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s a sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ef o r m a t so fc l if i l ew e r es t u d i e da n dt h en e c e s s i t yo fc l if i l ev e r i f i c a t i o nw a s a l s od i s c u s s e dh e r e a tt h es a m et i m e ，t h es o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo fr e d u n d a n c yd a t aa n d u n c l o s e dc o n t o u r sw e r eg i v e n ，w h i c ha r eo f t e na p p e a r e di nt h ef i l e s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so f f d me m i l ，af e mm o d e lo f t h em e c h a n i c sb e h a v i o r b e t w e e na d j a c e n tp r o t o t y p e sl a y e r sw a sp r e s e n t e d t h e nt h el a y e rw a r p a g ew a sa n a l y z e db y u s eo ft h ef e ms o f t w a r ea n ds u m m e du pt h eg e n e r a lr u l e so fs u p p o r td e s i g ni nf d m t o s t a n do nt h ef a c t st h a to n l yi ft h eo v e r h a n gl e n g t hr e a c h e st ot h ec r i t i c a lv a l u e ，b e g i n st h e w a r p a g e t h cf e ms o f t w a r ew a su s e da g a i nt oa n a l y s i sag e o m e t r i cm o d e lw h i c hc o u l d r e p r e s e n tr e l a t i o n sb e t w e e n t h eo v e r h a n gl e n g t ha n dd e f o r m a t i o n ，w h i l et h ea n a l y z e dd a t aw a s u s e dt of o r maf i t t i n gf u n c t i o nw i t ht h e s ep a r a m e t e r s i na d d i t i o nt od i s c u s s i n gt h ep r e s e n tm e t h o d so fs u p p o r tg e n e r a t i o n ，at y p eo ft h e s u p p o r t - s t r u c t u r ew i t hr e g u l a rp o l y g o ng r o u pw a sp u tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o n f o c u s i n g o nt h er e l a t e da l g o r i t h m so fa u t o m a t i cs u p p o r tg e n e r a t i o n ，t h ei n n e ro ro u t e rc o n t o u r s s e a r c h i n ga l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mo fi n t e r c e p te q u a t i o nt oo f f s e tc o n t o u r s ，s c a n n i n gl i n e p r e f j l lc o l l t o u r sa l g o r i t h m t h ea l g o r i t h m so fa u t o m a t i cs u p p o r t s t r u c t u r eg e n e r a t i o na n d r e d u c t i o nw e r es t u d i e df u r t h e r f i n a l l y ，u s i n gt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o d st od e s i g nt h ec l if i l ev e r i f i c a t i o na n d s u p p o r td e s i g ns y s t e m m e a n w h i l e ，t h er e a s o n a b l em o d u l e s w e r ed e v i s e di no r d e rt oc l r r yo u t t h em a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e m ，a n dt h es o f t w a r ew a sa c h i e v e da f t e rp r o g r a m m i n ga n d d e b u g g i n gi nv c + + 6 0e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g c l if i l em e c h a n i c a lm o d e l s u p p o r td e s i g nr u l e s s u p p o r tg e n e r a t i o nm e t h o d s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压要错技麦学 学位论文独创性说明 本人郑熏声明：所晨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 或箕佬教育枫构的学位成涯书掰使用过的杳李料。与我一间工作的简志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中傲了骥确的浅明并表豕了谢意。 学位论文作者签名：誉? 獭日期：盘一g 5t 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 机构送交论文豹复印件和电予版。本人允许论文被蠢湄和借阅。学校可以将本学 位论文的全都或部分内容编入有关数据痒进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存鄢汇编本学位论文。囝时本人保 芷，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明 乍者单位为蘑安秘技大学。 保密论文特解密后遥用本声暖。 学位论文作者签名：受嘶 指导教师签名：莒占手i h 年月e t 1 绪论 1 绪论 快速成型( r p ) 技术是上世纪八十年代出现的一项先进制造技术，是为制造企业新产 品开发服务的一项关键性技术。r p 技术是在现代c a d c a m 技术、激光技术、计算机数控 技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。由于该技术有着高 度柔韧性、c a d 模型直接驱动、成形的快速性和技术的高度集中性等特点，对促进企业 产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用，在二十几年中被 不断地研究和发展并被广泛应用于多个领域。 1 1 选题背景和意义 r p 技术实质上是基于离散堆积的原理而 提出的。离散是一种数据处理过程，是对三维 实体模型进行离散化的数据处理，而堆积则是 一种物理实现过程，通过物理实体的运动完成 层片的堆积成形。 快速成型的工作流程如图1 1 所示：先由 三维c a d 软件设计出或利用反求工程由实体 直接获得三维实体模型；然后根据工艺要求， 调整加工方位，按一定厚度进行分层，得到一 系列二维平面信息( 截面信息) ，即离散的过程； 根据不同的工艺要求，对分层后的截面数据进 行处理( 扫描填充、偏置等) ，通过合理的工艺 规划，生成数控代码；再由数控系统以平面加 工方式，有序地连续加工出每个薄层，并将新 生成的层片与已成形部分堆积、连接，即材料 堆积的过程；再经过深度固化、去除支撑、修 磨等后处理，最终得到产品原型。 1 1 1 背景 三维实体模型 上 分层处理 + 层片信息处理 ， 层片加工 上 层片堆积 士 产品原型 图1 1r p 技术丁作流程 2 0 世纪7 0 年代末n 8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 年) 、日本的小玉 秀男( 1 9 8 0 年) 、美国u v p 公司的c h a r l e sw _ h u l l ( 1 9 8 2 年) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 年) ，在 不同的地点各自独立地提出了利用连续层的选区固化产生三维实体的r p 概念。自从r p 技 术出现并发展至今，已产生了十几种不同的快速成型工艺技术，在众多的r p 工艺中，具 西安科技大学硕士学位论文 有代表性的工艺是s l a 、l o m 、f d m 、s l s 等。其中，f d m s e 艺虽然成型速度较慢，精 度较低，但该工艺不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器，快速成型系统成本较低； 成型材料价格较低；适合于制作薄壳体零件及微小零件；原型强度比较好，近似于实体 零件；由于具备上述特点，f d m 已经广泛地应用于制造行业。 除了工艺技术外，r p 技术还包含软件技术、硬件技术和应用技术。其中，软件技术 是r p 技术实现的核心，它一般由c a d 造型软件、数据处理软件和数控软件组成；硬件 技术则是r p 技术实现的途径，包含了将r p 技术物化的机械、电子等技术；工艺技术则 是r p 技术实现的方法，一般指以何种工艺方式实现r p 技术的材料、激光等技术；而r p 技术实现的最终目的就是应用技术，它是r p 技术与其他应用领域的结合，如制造领域， 医学领域等。 图1 ，2 r p 软件的组成 r p 软件中的c a d 造型软件主要用来设计零件的几何模型；数据处理软件则对不同文 件格式表示的零件模型进行检验与修复、显示与几何变换、支撑设计、分层处理、扫描 路径生成；数控软件完成扫描路径的输入及加工参数的设定、生成n c 代码、检测加工 过程等。其中c a d 造型软件一般采用较为流行的p r o e n g i n e e r 、u g 、a u t o c a d 、c a t i a 等软件，而数据处理与数控软件一般则由r p 设备生产厂家自行开发。通常设备生产厂 家会将数据处理与数控软件结合不同r p 设备工艺，集成开发出配套的 r p c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，计算机辅助工艺设计) 软件，如3 ds y s t e m 公司的a c e s ，h e l i s y s 公司的l o ms l i c e ，s t r a t a s y s 公司的q u i c ks l i c e ，d t m 公司的 r a p i dt o o l ，p r o t o t y p e 公司的p r o t ob u i l d 等。由于一般的r p c a p p 软件是针对独立工艺 开发的，功能繁杂、开发困难、成本高昂、有局限性，于是市场上涌现出一批针对r p 工艺规划中某个方面问题的第三方软件，此类软件虽然功能不多，但成本较r p c a p p 低， 有适应性，如m a g i c s 、b r i d g e w o r k s 、s o l i d v i e w 、s t l m a n a g e r 等。 1 绪论 1 1 2 选题意义 虽然不同r p 设备的软件开发思路及具体算法不同，但作为r p 软件中最为关键的c a d 到r p 设备接口的数据处理软件所包含的功能模块大致相同。r p 数据处理软件的主要模 块包括：c a d 数据接口( 一般为s t l 格式) ，模型检验和修复模块，显示模块，支撑模块， 分层模块，扫描路径生成模块等。其功能如下： ( 1 ) c a d 数据接口模块：读写s t l ，d x f ，i g e s 等格式的c a d 模型，以及c l i ， s l c 等格式的二维层片模型。 ( 2 ) 模型的检验和修复模块：由于c a d 系统输出接口不完善，不可避免地造成了生 成的s t l 文件也有错误。s t l 模型的错误有可能对成型过程造成影响，甚至使其失败， 所以必须将错误检查出来，并根据具体情况进行必要的修复。而对于其他如c l i 等格式 的文件也存在着错误，需要对其正确性进行检验并进行及时修复。 ( 3 ) 显示模块：显示三维和二维的零件模型，包括平移、旋转、缩放等功能。 ( 4 ) 支撑模块：设计用于确保零件成型质量的支撑结构。由于r p 技术都是逐层制造 原型零件，所以得r p 工艺在成型过程中都需要支撑，有的是成型过程中自然产生的， 如l o m ，s l s 和3 d p 工艺，有些是需要专门添加，如f d m 和s l a 工艺。根据工艺特点和 工艺参数以及原型的外形添加合理的辅助结构才能使这些r p 工艺顺利完成。支撑结构 在分层前后都可以进行设计。 ( 5 ) 分层模块：根据原型精度要求，成型设备的加工空间，合理安排原型的位置和 方向对进行过工艺处理的原型( 若是在分层前进行的支撑设计，则此时的原型应是包含 支撑结构的原型) ，按照设定的参数高度进行分层，得到在该高度上的零件轮廓。 ( 6 ) 扫描路径生成模块：从分层得到的轮廓，在此基础上应进行合理的规划和设计， 生成各种快速成型工艺的不同扫描路径。不同成型工艺的路径规划一般包括：理想加工 轮廓线的补偿；得到填充轮廓线；区域扫描填充方式的设计；扫描路径顺序的规划。这 四个方面对成型件的尺寸精度、表面粗糙度、强度和加工时间等都有很大影响。应根据 不同工艺的特点，采用不同的方式处理。 从技术角度来说，r p 数据处理软件的难度集中在模型的自动纠错、自适应分层、支 撑的设计、扫描路径的生成等环节。 r p 数据处理软件中的数据模型主要分为三类：三维面片模型文件格式( s t l ) 、c a d 三维数据格式( i g e s 、v d a f s 和d x f ) 、层片文件格式( s l c 、c l i 和h p g l ) 。其中s t l 文件是r p 行业最早的c a d 系统和c a p p 系统之间的数据交换格式，现有的r p 软件系统 大部分都是基于s t l 格式设计的。但由于s t l 模型在离散过程中的曲面近似，降低了模 型描述精度，丢失了拓扑信息，时常会出现丢失三角形、零面积三角形、三角面片重叠 等诸多错误，诊断与修复工作非常困难。鉴于s t l 文件存在诸多缺陷，不得不寻求一些 西安科技大学硕士学位论文 更好的文件格式来替代s t l 文件，如通用层接口c l i ( c o m m o nl a y e ri n t e r f a c e ) ，就是一 种诞生于欧洲适用于层加工技术( l m t ：l a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 的层片文 件格式。该文件目前已发展到较为完善的程度，并且已开始广泛应用到r p 中，它的出 现使几何造型与r p 设备之间的联系方式更为丰富，对反求工程与r p 技术的集成尤其有 重要意义。 在c l i 文件中，一个零件原型是按照层描述的连续性进行加工的。与s t l 文件相比， c l i 文件具有以下优点： ( 1 ) 文件规模远小于s t l 文件； ( 2 ) 由于c l i 文件描述的是二维层信息，文件中出现的错误较少且类型单一，不需 要复杂的检验和修复程序。 同时，c l i 文件也存在以下缺点： ( 1 ) 支撑不易添加，因为文件只有二维层信息，缺少了三维体信息； ( 2 ) 零件无法重新定向： 本课题结合c l i 文件格式的特点，对文件正确性检验方法进行研究，并利用有限元 方法针对f d m 工艺中零件层截面的翘曲变形进行分析，总结出支撑设计的般规则，为 基于c l i 文件支撑设计的正确性提供理论依据。同时在研究了支撑生成方法的基础上， 设计并开发出c l i 文件正确性检验与支撑设计系统。这对于更好地解决r p 数据处理软 件中模型自动纠错与支撑设计模块中存在的问题有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 l - 2 1 c l i 文件正确性检验研究现状 c l i 文件有三种获取方式，可以通过反求工程直接获得，也可以对三维模型直接分 层得到，还可以由s t l 模型分层得到，如图1 3 所示。不同的获取方式决定了c l i 文件 中存在的错误也不尽相同。 图1 ，3c l 文件的获取方式 4 1 绪论 利用反求工程从c t 文件生成c l i 文件时，需要先对c t 断层图像进行图像平滑、边 缘检测和二值化等预处理，然后经过轮廓提取算法得到封闭的轮廓线，最后进行内外轮 廓识别生成c l i 文件。这种方式得到的c l i 文件虽然不会出现轮廓线未闭合的错误，但 很可能由于预处理的精度不高，从而导致提取的轮廓中出现多点共线与多点重合的情 况。川 对c a d 文件直接分层得到c l i 文件的方法涉及算法比较繁杂，在文献 2 d i 中有详细 介绍。虽然该方法得到的分层截面数据比较准确、精度较高，但若不注意零件三维曲面 的封闭性，在分层处理中也会大量出现不封闭的轮廓线。 而在由s t l 模型分层得n c l i 文件的方法中，当s t l 模型精度较高时，切片得到的轮 廓环会有大量的细碎线段，会出现在同一条直线段上存在多个数据点以及在同一个数据 点上有多个重合点的情况。如果不进行处理而直接保存为c l i 文件，则会造成c l i 文件中 的数据冗余；且由于s t l 本身可能存在孔洞而导致切片后截面轮廓不封闭。 4 】 综上可知，尽管c l i 文件的获取方式不同，但错误类型共有两大类：数据冗余与轮 廓线未闭合。中科院沈阳自动化研究的赵吉宾等提出了一种有效去除截面轮廓中冗余数 据的方法。该方法将轮廓信息中的直线段矢量化并通过计算矢量积模的方法去除冗余数 据【5 】；对于轮廓线未闭合的错误则通过对在头节点置错误标志，在断开处置数据节点的 断点标志，计算各个断开点之间的距离，连接距离较近的断开点的方法来修正未闭合的 轮廓。虽然该方法涉及算法简单、易实现，但其主要用于优化切片后的层面信息，并没 有结合c l i 文件的格式特点给出文件正确性检验的处理方法。 1 2 2 支撑设计研究现状 在f d m 、s l a 工艺中，支撑设计都是必不可少的一个环节。当r p 技术刚出现的时候， 支撑完全是由手工添加完成的。设计人员根据经验判断零件中需要添加支撑的地方，然 后用c a d 软件系统提供的造型功能进行支撑结构设计。手工添加支撑存在诸多缺点，如 工艺规划时间长，容易错加、漏加支撑、灵活性差等，这与r p 技术快速灵活的本质相 悖，因此，许多公司和大学进行了支撑自动生成技术的研究。 由于s l a 工艺的成形机制是基于液态光敏树脂与激光发生聚合反应固化，在制作时， 由于树脂在物态上发生变化( 液态一 固态) 导致树脂的线性收缩和体积收缩，而相邻层 之间存在着不同的收缩程度，这是层间应力产生的主要原因。层问应力又在宏观上导致 零件发上翘曲与变形，此时添加支撑结构就显得极为重要。它能平衡由于树脂从液态转 变为固态时内应力引起的变形与翘曲，确保零件的正确加工。支撑结构还可作为连接加 工平台与零件的“基础支撑”，它的存在能避免零件在制作过程中因为加工平台与树脂 液面的平行度误差而产生精度损失。而且，有了基础支撑，零件就不会直接粘结在加工 平台上，从而使制作好的零件能较好地与工作台分离。在零件制作过程中，加工平台会 西安科技大学硕士学位论叉 带动已固化过的零件部分在液态树脂中上下移动，使得刚固化的层产生“伞降”效应， 而支撑则可以连接零件刚固化层的表面，避免或降低伞降效应，减少零件变形的可能性。 对于某些结构复杂的零件，在制作过程中会出现当前制作层无制作基础( 即“孤岛”) 的情况，若不用支撑把这些悬浮的孤岛固定在加工平台上，刮板就会使它们在液态树脂 中产生“移动”，严重影响零件的成形精度。因此，必须为这些具有孤岛特征的零件添 加适合的支撑。最常见的需要添加支撑的情况是当前层超出前一层形成一定长度的悬 臂。 6 】 关于s l a 工艺的支撑设计的文章报道较多。从文献【7 】【8 】中可以看出，大都是通过对 c a d 模型和s t l 模型文件特点的分析，从s l a 工艺支撑的设计目标及支撑设计时应考虑 的因素出发，选择合适的支撑结构策略来( 自动或手工) 设计支撑。 c f k i r s c h m a n 9 1 深入研究了s l a 工艺的支撑结构。他提出了一种比较简单的支撑自 动生成算法。该算法读入s t l 文件，根据面片法向量找出待支撑区域，给悬臂加上三角 片状支撑，然后在其他地方加上基础支撑。但该算法只考虑了基础支撑和悬臂支撑，且 无法处理支撑体和原型相交的情况，在实际应用中有很大的局限性。 s e t ha l l e n 1 0 】和d e b a s i s hd u t t a ( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ，u s a ) 提出了一种基于造型过 程模拟的支撑生成算法。该算法既可以处理s t l 文件，也可以处理层片文件。他们考虑 了三种需要支撑的情况：悬臂、悬浮区域和造型过程中重力造成的不稳定区域。其算法 时首先对零件进行分层，并模拟出造型过程，找出造型过程中的悬浮区域和不稳定区域， 并同时在该处形成从零件表面投影到底面的支撑薄壁。模拟结束后，找出悬臂并添加适 当的支撑。该算法只能生成网状支撑，局限性较大。此外，由于需要模拟造型过程，其 支撑计算较慢。 华中科技大学的陈之佳、王丛军i “ 等提出了一种基于直线扫描的支撑自动生成算 法，该算法预先对原型的分层截面进行扫描线预填充，得到一维的填充线段，然后对一 维线段进行布尔运算得到支撑，大大降低了计算难度。不过该算法存在的缺陷在于无法 对支撑进行相关的编辑和优化，且支撑信息被存储到自定义的一种扩展名为“z i f ”的 文件格式中，而该格式文件不具有通用性。 f d m 工艺是通过喷头挤出丝状材料固化后层层堆积成型的。在成型过程中，成形材 料会发生两次物态的变化，一次是由固态丝状受热熔化成熔融状态，另一次是由熔融状 态经过喷嘴挤出后冷却成固态。材料凝固过程中的体积收缩会产生内应力，而内应力则 会导致制作层翘曲变形甚至脱层。还有当层与层之间形状发生较大变化时，上一层就不 能给当前层提供定位与支撑的作用，就需要设计支撑结构来确保当前层不发生塌陷变 形。f d m 工艺也需要基础支撑，在基础支撑上制作零件时，可使基础支撑产生的变形与 零件因内应力产生的变形相互抵消，从而得到基本没有形变的零件。同s l 工艺一样， 基础支撑还能使零件原型的最底层不会直接粘结在加工平台上，保证零件能较为完好地 1 绪论 从工作台上取下。在f d m 工艺中，一般使用两个或多个喷头，用不同的材料分别制作零 件和支撑。 关于f d m 工艺支撑设计及生成的研究也不少。文献【”j 研究f d m 工艺中支撑的结构 形式和添加方式，讨论针对s t l 模型的支撑自动添加技术研究。根据支撑面的形状特征， 对s t l 模型添加f d m 工艺支撑，可以提高f d m 支撑的效率和质量。而文献【1 3 】中提出的方 法则是通过利用截面轮廓区域的自动识别、多边形区域的布尔运算以及多边形轮廓的 o f f s e t 运算等几种关键算法，自动生成支撑结构的。上述的研究对象大都是基于c a d 模型或s t l 模型，而对于逐渐被广泛使用的c l i 模型并未进行深入讨论。有关f d m 工艺 支撑设计规则的研究与实现，文献【1 4 j ( ”j 虽然有简要的说明，但也仅是从几何特征的角度 阐述的，设计规则没有充分考虑零件的变形机理与定位机理，有关完整的支撑设计规则 的研究未见报道。 1 - 3 本文研究内容及章节安排 全文共由六章组成，论文的主要内容和组织如下： 第一章绪论本章简单介绍了快速成型技术国内外的研究动态和发展趋势，及本课 题的选题背景和意义。 第二章c l i 文件正确性检验方法研究本章在介绍了c l i 文件格式的基础上对c l i 文件的正确性检验的必要性和处理方法进行深入研究。 第三章支撑设计规则研究本章针对f d m i 艺成型中的变形原理进行有限元分析研 究，得出支撑设计的一般规则。 第四章支撑生成方法研究本章对支撑生成的方法进行介绍，并对其中涉及到的关 键性算法具体研究。 第五章c l i 文件正确性检验与支撑设计系统的设计及实现对c l i 文件正确性检验 与支撑设计系统进行可行性研究和需求分析后，总体设计出系统的功能模块并编程实现 系统。 第六章结论本章对全文的工作进行了总结，并对今后的工作提出展望。 西安科技大学硕士学位论文 2c l i 文件正确性检验方法研究 本章在介绍了c l i 文件格式后，针对基于c l i 文件设计支撑时必须保证文件正确性 这一前提，对文件可能存在的错误进行分析，并在此基础上深入研究c l i 文件正确性检 验的方法。 2 1c l i 文件格式 c l i ( c o m m o nl a y e ri n t e r f a c e ) 文件是欧共体b r i t e e r u a m 快速原型项目提出并完 善的一种层片切口文件，它是在l e a f 基础上结合了许多r p 工艺的具体要求而实现的。 c l i 文件在医学c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 和分层制造技术( l a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，l m t ) 中得到了广泛应用，适用于使用树脂的层加工系统方式、光加工系 统，熔丝凝固或粉末烧结系统，以及基于层切方式建立模型的其它加工系统。 c l i 文件描述三维实体的思路是采用一系列高度上有序的二维层面来描述三维物 体，而二维层面则用多边形为基本描述单元来描述。实体模型按照层片描述的对象进行 连续性的加工，最终到模型成型。这种文件采用层( l a y e r ) 、多义线( p o l y l i n e ) 、填充线 ( h a t c h e s ) 等来描述数据模型，其中，用封闭式多义线来描述截面轮廓，采用填充线或非 闭合多义线来描述支撑结构。c l i 文件有二进制和a s c i i 码两种文件格式。对于所有分 层加工系统而言，c l i 文件都是一种简单、有效、明确的数据输入格式，并且它独立于 产品开发与机床制造。i l 叫 2 1 1 概念 ( 1 ) 层( l a y e r ) 层是介于两个平行截面之间的体，具有一定的厚度和内外轮廓线，并具有一定的填 充形式。 ( 2 ) 轮廓( c o n t o u r ) 轮廓代表了一层中实体的边界，它是由多义线定义的。轮廓分为内、外轮廓两种。 正确的轮廓应是封闭的，并且无自相交和与其它轮廓线相交的现象。 ( 3 ) 多义线( p o l y l i n e ) 多义线用来描述二维截面轮廓，是由i d 号( 整型) 、方向( 整型) 、顶点个数( 整 型) 及一组顶点坐标( x ，y ) 定义的。如果此文件中包含不止一个零件模型，则由i d 号 标识；方向为o 表示顺时针，1 为逆时针，2 为非闭合线( 表示不是实体轮廓) ：顶点个 数表示多义线中点的数量；最后则是每个点的( x ，y ) 坐标值。 ( 4 ) 填充线( h a t c h e s ) 2c l i 文件正确性检验方法研究 填充线是由i d 号、线段的条数及一组独立的线段坐标组成的。每条线段由其起点 和终点坐标定义。 2 1 2a s c i i 格式文件 在a s c i i 文件中，其数据类型分为两种：i n t e g e r ( 整型) 和r e a l ( 实型) 。整型数据 的范围为一2 “2 “，实型数据的范围为一1 0 ”1 0 ”。a s c i i 格式的c l i 文件由两部分组 成，头文件部分和几何体部分。头文件部分以$ $ h e a d e r s t a r t 开始，以$ $ h e a d e r e n d 结 束。在头文件中可以记录所采用的计量单位、文件创建日期、总层数，以及与用户数据 有关的一些信息。几何体文件部分则以$ $ g e o m e t r y s t a r t 开头，以$ $ g e o m e t r y e n d 结束， 记录了所有层的信息。表2 1 列出了a s c i i 格式中的主要内容。 表2 ia s c i i 格式文件主要内容 $ $ h e a d e r s t a r t 头文件开始。 $ $ a s c i i文件格式 $ $ u n i t s u数据单位 $ $ v e r s i o n v文件版本号 h e a d e r s e c t i o n $ $ d a t e d 文件产生日期 $ $ d i m e n s i o n x l ，y l ，z l ，x 2 ，y 2 ，z 2 ! 实体轮廓包围盒 $ $ l a y e r s i模型总层数 $ $ l a b e l i d ，t e x t 用来标识在文件中的多个实体 $ $ h e a d e r e n d头文件结束 $ $ g e o m e t r y s t a r t 几何体开始 $ $ l a y e r z ，当前层上表面高度 g e m o e t r y - s e c t i o n $ $ p o l y l i n e i d ，d i r , n ，p l x ，p l y p n x ，p n y 多义线 $ $ h a t c h e s i d ，o ，p l s x , p l s y , p n e x ，p n e y 填充线 $ $ g e o m e t r y e n d h 几何体结束 下面以一具体实例说明a s c i i 文件。( 后为注释文字，为省略的数据) $ $ h e a d e r s t a r t头文件开始。 $ $ a s c i ia s c i i 文件，若为二进制文件则为b i n a r y 。 $ $ u n i t s 0 0 0 3 0 0 0数据的单位为0 0 0 3 毫米。 $ $ v e r s i o n 2 0 0版本号是由v 1 0 0 得出的。该c l i 文件版本号为2 0 0 。 $ $ l a b e l 1 ，p a r t l用来标识在一个文件中的多个实体。该文件只有一个 实体。 $ $ d a t e 1 1 0 5 0 5文件生成日期，日期顺序为d d m m y y 。 西安科技大学硕士学位论文 $ $ h e a d e r e n d $ $ g e o m e t r y s t a r t $ $ l a y e r 5 0 头文件结束。 几何体开始。 层的上表面的高度为5 0xu n i t s 。所有层都以l a y e r 值的升序排列，由两层的l a y e r 值之差确定每层的厚度。 $ $ p o l y l i n e 1 ，0 ，6 ，2 1 5 0 ，2 1 5 0 ，i d 为l ，方向为顺时针，点个数为6 。 $ $ h a t c h e s o ，1 8 ，1 2 4 0 ，3 6 7 4 0 ，1 2 4 0 ，5 3 4 2 o 3 4 9 0 0 ，9 3 6 0 ，3 4 9 0 0 ，2 5 0 $ $ l a y e r 5 5新层上表面高为5 o 。 $ $ p o l y l i n e 1 ，0 ，6 ，2 1 5 0 ，2 1 5 0 $ $ i t a t c h e s o ，1 8 ，1 2 4 0 ，3 6 7 4 0 ，1 2 4 0 ，5 3 4 2 0 3 4 9 0 0 ，9 3 6 0 ，3 4 9 0 0 ，2 5 0 $ $ g e o m e t r y e n d几何体结束。 2 1 3 二进制格式文件 二进制文件分为两部分：以a s c i i 数据为格式的头文件部分和以二进制数据为格式 的几何体部分。几何体部分必须直接跟在头文件部分之后，在两者之间没有其他任何信 息。不同于a c ii 格式文件的两种数据类型，在二进制格式文件中，其数据类型分为三 种，见表2 2 。 表2 2 二进制c l i 文件的数据类型及格式 数据类型范围精度表示 u n s i g n e di n t e g e r 1 0 41 6 b i t s 【1 5 0 l o n gi n t e g e r 1 0 4 1 0 93 2 b r s 3 1 0 】 【311 3 0 2 4 1 2 3 0 】 r e a l1 0 ”1 0 3 82 4 b i t s se f 由上表可以看出这三种数据类型的范围、精度和表示方法各有不同。特别是对于二 进制文件中的实型数据来说，虽然该数据类型的长度为4 个字节，但数据精度只有 2 4 b i t s 。这是因为r e a l 型数据分为符号，幂指数和有效数字三个部分，其中最高一位表 示符号( 正负) ，用低2 4 位表示有效数字，中间的7 位则用来表示幂指数。如果用s 代 表符号位，e 代表幂指数，f 代表有效数字，v 为十进制数值，可用以下公式求取真实值 ( 十进制) ： ( 1 ) 如果0 e d ，艺二拦二d 1 ) d d 舞y 三l 二：i ：嚣m ， b 一号三一( f 一，一 一( 一1 ) d 图4 4 正方形轮廓组 ( 3 ) 正五边形轮廓组 如图4 5 正五边形轮廓组中的正五边形a b c d e ，设c d 边与x 轴平行，边长为l ，其 中心点0 的坐标为( 置力。设正五边形边长为l ，以距离d 向外偏置，共有i 个正五边 曲簧计扳尢罕坝士罕怔佑天 形嵌套，则各正五边形的顶点坐标可由以下公式获得： 一( x ，y + 互i i 万三+ ( z 一) i 吾i ； 曰x + c o s3 6 。l + ( i - 1 ) 筹幻+ 瓦品l + ( i - 1 ) 筹d ； c ，h 州h ) 南扩号l t a n 5 4o _ ”叫) ： 3 d 【x 一号三一( f 一1 i ；i ，y 一 上t a n5 4 。一( f 一1 ) d j ； 占x - c o s3 6 。l - ( i - 1 ) 筹如+ 石品州，再s i n l 8 。d ； 图4 5 正五边形轮廓组 ( 4 ) 正六边形轮廓组 如图4 6 正六边形轮廓组中的正六边形a b c d e f ，设e d 边与x 轴平行，边长为l ，其 中心点的坐标为( 墨力，设正六边形以距离d 向外偏置，共有i 个正六边形嵌套，则各 正六边形的顶点坐标可由以下公式获得： 彳c c j 上一粤g 一1 ) d , y + 粤三+ ( f 一1 x df 。c c t j i - t 了j 3v 一1 ) 吐y + 孚三+ o 一1 x d c k + 上+ 刮! ( f 一1 ) 吐办k + j + 警( f 一1 ) d , y - l 一( f 一1 ) ( 玷( 4 4 ) f k j 三一乎。一1 ) 吐y 一孚三一( f 一1 ) 臼4f k 一三一孕。一1 m 办 图4 6 正六边形轮廓组 c 4 支撑生成方法研究 手动生成该类支撑时，只要确定了正多边形轮廓组的中心点，并设定合适的边长与 轮廓间距，就可通过式( 4 1 ) ( 4 4 ) 快速求出轮廓组的所有顶点信息，存入c l i 文件的相 应的数据结构中。 4 3 自动生成支撑方法研究 自动生成支撑方法研究的关键问题是支撑结构自动生成算法。结合c l i 文件属于层 面信息这一特点，对向下特征体支撑自动生成方法进行深入研究。该方法描述如下 1 5 1 ： 记第i 层的实体截面区域为a ，第i + l 层的实体截面区域为a 。，由于a 。截面区域 的作用，则在第i 层截面上应加的支撑域m 。记为：m i - a i + 1a ，当m = o 时，表示在第i 层截面上不加此类支撑域。另外，对于第i + l 层中的实际支撑域f 。，在作为第i 层支撑 域时也应相应继承下来，其继承方法如下：若h 区域全在第i 层实体截面区域之外， 则应全继承；若f 。区域全在第i 层实体截面区域之内，则由于它可由第i 层实体截面材 料作支撑，故在第i 层省去；若f + 区域与第i 层实体截面区域的关系不为上述两种情况， 则落在第i 层实体截面之外者继承，而落在第i 层实体截面之内者省去。 为了避免以上方法涉及到的复杂多边形区域集合运算，可以先用一维线段将每个层 面区域预填充然后对相邻层片的扫描填充线段进行集合运算，直接生成支撑结构。但在 实际工艺中，该方法仍会产生冗余支撑，可以在保证支撑效果的前提下，对支撑做一定 缩减处理。同手动生成支撑一样，在自动生成支撑前也必须对c l i 文件进行预处理。 图4 7 基于c l i 文件自动生成支撑方法流程图 西安科技大学硕士学位论文 4 3 1 内外轮廓识别算法 基于c l i 文件格式进行内外轮廓判别时，在该文件中轮廓线特点是：1 ) 由线段构成 封闭多边形，各种曲线也是由线段来拟合的；2 ) 轮廓线是有向的：内轮廓为顺时针方向， 外轮廓为逆时