（材料加工工程专业论文）基于stl格式的快速模具设计系统中关键算法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文对基于s t l 文件格式的快速模具设计系统中的若干关键算法进行了 探索和研究，同时介绍了该系统的软件设计。 基予s t l 文件格式的模具体生成算法是基于s t l 文件格式的快速模具设 计系统中一个关键算法。本文根据s t l 文件格式的特点，从s t l 文件的数据 模型出发，首先设计了模具体内表面s t l 文件的数据模型，然后根据模具的设 计原则，设计了模具体外表面的s t l 文件的数据模型，最后归并模具体内外表 面的s t l 文件的数据模型生成了模具体的s t l 文件的数据模型。同时对在快 速模具设计系统开发的过程中将要遇到的相关问题以及解决这些问题的算法做 了进一步的探讨，指出了下一步的研究方向和主要研究内容。 基于s t l 文件格式的线框模型算法是基于s t l 文件格式的快速模具设计 系统中又一个关键算法。本文从s t l 文件格式的特点出发，利用二维动态数组 的特性( 行和列都可以动态的增大和减小) ，搜索s t l 模型中由三角形小平面 组成的各个大平面的轮廓环，然后在o p e n g l 的多边形绘制模式下绘制各个大 平面的轮廓环，实现了基于s t l 文件格式的线框模型算法。之后，本文又根据 s t l 文件格式的特点在同一大平面上，每个三角形小平面至多与三个三角 形小平面共边，搜索了各个大平面上的不与其它三角形小平面共边的三角形小 平面的边，然后在o p e n g l 的边( 线) 绘制模式下绘制搜索得到的各个边，从 而实现了基于s t l 文件格式的线框模型的改进算法。 本文还从软件工程的角度出发，讨论了基于s t l 文件格式的快速模具设计 系统的需求分析、软件设计、界面设计、程序编码和测试等内容。 关键词：s t l 文件格式雠模具设计模具体生成算法 线框模型算法 大平面，本文是指s t l 模型中由同一平面上的三角形小平面组成的有界大平面区域 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 1 i st h e s i sg r o p e sa n ds t u d i e ss e v e r a lk e ya l g o r i t h m si nt h er a p i dt o o l i n g d e s i g ns y s t e mb a s e do ns t lf i l ef o r m a t a tt h es a m et i m e i ti n 仃o d u c e s 也e s o f t w a r ed e s i g no f t h i ss y s t e m t h em o l d - c r e a t e da l g o r i t h m sb a s e do ns t lf i l ef o r m a ti so n eo f 也ek e y a l g o r i t h m s i nt h e r a p i dt o o l i n gd e s i g ns y s t e mb a s e d o ns t lf i l ef o m a t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t lf i l ef o r m a ta n dt h ed a t am o d e lo fs t lf i l e t h i st h e s i sd e s i g n st h ed a t am o d e lo fs t lf i l eo ft h em o l d si n - s u r f a c e 也e nt h i s t h e s i sd e s i g n st h ed a t am o d e lo fs t lf i l eo f 也em o l d so u t s u r f a c e i nt h ee n d a m a l g a m a t i n g 也ed a t am o d e lo fs t l f i l eo ft h em o l d si n s u r f a c ea n dt h a to ft h e m o l d so u t s u r f a c ep r o d u c e st h ed a t am o d e lo fs t lf i l eo f 也em o l d a t 也es a m e t i m e ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eq u e s t i o n sa n dt h ea l g o r i t h m ss o l v i n gt h o s eq u e s t i o n s a n d p o i n t so u tn e x t r e s e a r c ho r i e n t a t i o na n di t sm a j o r s t u d yc o n t e n t t h ew i r e f r a i n em o d e l a l g o r i t h m sb a s e d o ns t lf i l ef o r m a ti sa n o 也e ro f t h ek e y a l g o r i t h m si nt h er a p i dt o o l i n gd e s i g ns y s t e mb a s e d o ns t lf i l ef o r m a t i nt e r m s o ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs t lf i l ef o m a ta n du s i n gt h es p e c i a l i t vo ft h e2 d i m e n s i o n d y n a m i ca r r a y ( i t sr o w sa n dc o l u m n sc a nb ei n c r e a s e da n dd e c r e a s e dd y n a m i c a l l y ) ， t h i st h e s i ss c o i l r st h eo u t e rl o o po f e v e r yp l a n em a d eu po f t h e t r i a n g l el i t t l ep l a n e s ， t h e nd r a w st h eo u t e rl o o po f e v e r yp l a n ei nt h em o d eo fo p e n g lp o l y g o nd r a w i n g a n d c o m p e t e st h ew i r e f r a m em o d e la l g o r i t h m sb a s e d o ns t lf i l ef o r l n a t a f t e rt h a t t h ea u t h o ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t j c so fs t l 丘l ef o r n l a ta n df i n d st h a te v e r y t r i a n g l el i t t l ep l a n ei nt h es a m ep l a n ea b u t st h r e et r i a n g l el i t t l ep l a n e sa tm o s t t h e n t h i st h e s i ss e a r c h e st h el i n e so ft h eu - i a n g l el i t t l ep l a n ew h i c hd o e s n ta b u to t h e r t r i a n g l e1 i t t l ep l a n e sa n dd r a w st h el i n e si nt h em o d eo f t h eo p e n g ll i n ed r a w i n g a tl a s t , i ta c c o m p l i s h e st h ei m p r o v e dw i r e f r r m em o d e la l g o r i t h m sb a s e do ns t lf i l e f o r m a t i n 血ee n d t h i s 也e s i sd i s c u s s e sm ed e m a n d a n a l y s i s 、s o f t w a r ed e s i g n 、i n t e r f a c e d e s i g n 、p r o g r a m m i n ga n dt e s to ft h er a p i dt o o l i n gd e s i g ns y s t e mb a s e do ns t l f i l ef o r m a ti nt e r m so f t h es 0 1 a r ee n g i n e e r i n g k e y w o r d ：s t l f i l ef o r m a t r a p i dt o o l i n gd e s i g n m o l d - c r e a t e da l g o r i t h m sw i r e f r a m em o d e la l g o r i t h m s 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先对本课题进行了概括，然后介绍了快速模具技术及相关软件的国内外发展与 研究现状；最后说明了本课题的研究目的与意义，并就本课题研究的主要内容作了简要的 阐述。 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 华中科技大学( 原华中理工大学) 从1 9 9 1 年开始从事快速原型技术的研 究，先后得到了国家自然科学基金、国家教育部博士点基金、国家科技部、湖 北省科委和武汉市科委的资助。该课题是国家8 6 3 c i m s 重大目标产品项目“快 速原型制造技术的研究与开发”( 编号：8 6 3 - 5 1 1 - 9 2 0 0 t 0 ) 的重要组成部分。 1 1 2 课题的提出 进入2 1 世纪的制造业，正在从以机器为特征的传统时代，向着以信息为特 征的系统技术时代迈进。2 l 世纪初期的制造业将进入增强企业在不可预见的多 变环境中生存能力的全球化敏捷制造阶段，制造业面临的新形势是：知识一技 术一产品的更新周期越来越短【i 】。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，人类社会开始进入信息时代，如何以最短的时 间开发出质量高且价格能被用户接收的新产品已成为市场竞争的新焦点。为此， 企业必须掌握并很好地利用先进的产品开发设计技术和敏捷制造技术，尽可能 缩短新产品的开发周期和上市时间，才能使自己在激烈的竞争中得到生存和发 展 2 1 。敏捷制造工程是先进制造技术的重要组成部分，是参与市场竞争的有利 手段，其核心内容之一为快速成形制造技术p j 。 应用快速成形制造技术快速制作模具的技术一般称为快速模具技术( r a p i d t o o l i n g ，简称r t ) 。现代化的低成本制造，建立在以模具为基础的批量生产之 上，模具的运用是决定产品成本的很重要的因素。r p m 技术经过近十年的发展， 己取得巨大进步，随着快速成形制造技术的发展与成熟，目前快速模具技术己成 为快速成形制造技术的一个新的研究热点 4 1 。而无论国外研究快速模具的企业、 科研机构，还是国内研究快速模具的企业、科研机构，对快速模具技术的研究 大部分都集中在材料、工艺等相关方面，而从设计上研究快速模具的很少，更 华中科技大学硕士学位论文 谈不上开发针对快速模具设计的软件。目前大型的三维造型系统虽然有模具设 计模块，但针对性不强，同时缺少我国自主的知识产权【5 卜 9 1 。从快速成形、快 速模具技术的发展及其在国民经济中所起的重要作用来看，有必要开发出适应 我国国情的快速模具设计系统。 为了发展我国的快速成形技术和快速模具技术，开拓r p m ( r a p i d p r o t o t y p e m a n u f a c t u r e ) 和r t 技术的国内外市场，华中科技大学( 原华中理工大学) 于 1 9 9 1 年开始r p m 技术的研究，本课题“快速模具设计系统中关键算法的研究 及系统的设计”正是在这种背景下提出的。 1 2 快速模具技术的国内外发展与现状 最初，快速成形方法主要用于制作原型，以便检验设计的可靠性和优化产 品性能，加快产品的开发步伐。但随着快速成形技术发展的深入，目前其应用 远不仅如此。 新产品的开发与其模具的制造紧密相关，减少模具的制造时间和成本一直是 制造部门十分关心和重视的问题。将快速成形技术用于模具制造可大大减少模具 制造的成本和时间，明显提高生产效率。用快速成形技术实现模具的快速制造( 即 快速制模) 目前已成为当前r p 技术中的重要研究课题之一【1 0 h 2 0 j 。现在快速成形 方法在应用上已经向快速制模、快速制造发展： 1 ) 快速制模 快速制模一般可分为直接制模和间接制模两类： 直接制模是将r p 原型直接作模具使用。如用纸质l o m 原型代替木模使用、 用金属粉质s l s 原型做金属模等。随着r p 原型制造精度的提高，各种直接制模 的方法日趋成熟。 间接制模是由r p 原型转制得到模具或在r p 原型表面涂一层金属获得实用 模具。目前，许多快速原型的应用集中在间接制模方面。用原型转制法可得到 硅橡胶模、环氧树脂模，用金属喷涂法可得金属冷( 热) 喷涂模，用物理气相 沉积法( p v d ) 可在原型表面沉积一层熔点合金( 锌合金、镍等) ，等等。 目前常用的快速制模方法有软模、桥模和硬模。 软模( s o f tt o o l i n g ) 通常指的是硅橡胶模具。用s l a 、f d m 、l o m 或s l s 等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化 后即得到所需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例，可使所得到的聚氨酯零 华中科技大学硕士学位论文 件的机械性能接近a b s 或p p 。 桥模( b r i d g et o o l i n g ) 通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。 采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产 周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可制作塑料件1 0 0 0 5 0 0 0 件，以满足中小批量生产的需要。瑞士的c i b a 精细化工公司开发了树脂模具系 列材料c i b a t o o l 。 硬模( h a r dt o o l i n g ) 通常指的是用间接方式制造的金属模具和用快速成形 直接加工的金属模具。目前有用s l a 、f d m 和s l s 方法加工出蜡或者树脂模 型，利用熔模铸造的方法生产金属零件的工艺：也有利用l o m 加工的模型及 其它方法加工的制件作为母模来制作硅橡胶模，通过硅橡胶模来生产金属零件 的工艺；还有利用s l s 方法，选择合适的造型材料，加工出可供浇注用的铸造 型腔的工艺。利用原型件作为母模结合精密铸造等方法制作注塑模或其他金属 模具的工艺，典型的还有3 ds y s t e m 的q u i c k c a s t 、e x p r e s st o o l 等。 多年来金属直接成形的快速制模技术，主要是用选择性激光烧结( s l s ) 直接 制作金属模具。这种烧结件往往是低密度的多孔状结构，可将低熔点相的金属 渗入后直接形成金属模具。制件的强度与精度问题一直是难以逾越的障碍。 o p t o m c c 公司于1 9 9 8 年和1 9 9 9 年分别推出了l e n s 一5 0 、l e n s 一1 5 0 0 机型。以 钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金为原料，采用激光成形技术，将 金属直接沉积成形，使该技术有所突破。其生产的金属零件强度超过了传统方 法生产的金属零件，精度x 和y 平面可达o 1 3 m m ，z 向0 4 m m ，但表面光洁 度较差，相当于砂型铸件的表面光洁度。d t m 也推出了新的烧结材料 r a p i d s t e e l 2 0 ，其金属粉未已由碳钢改变为不锈钢，所渗的合金由黄铜变为青 铜，并且不象原来那样需要中间渗液态聚合物，其加工过程几乎缩短了一半。 e o s 开发出了新的金属烧结材料d i r e c t s t e e l5 0 - v i 。 用于l o m 的金属板材m e t l a m 已开发出来，采用金属箔作为l o m 造型 材料可以直接加工出铸造用e p s 气化模，可批量生产金属铸件。东京技术研究 所用金属板材叠层制造金属模具的系统也已问世。还有用于三维打印的金属材 料f r o m e t a l 、r t s 3 0 0 等。 用s l a 、s l s 、f d m 或l o m 方法加工熔模铸造中的蜡模，这是目前生产 金属零件和金属模具最主要的途径之一。对快速造型得到的原型表面进行特殊 处理后代替木模，直接制造石膏模型或陶瓷模型，或是由r p 原型经硅橡胶模 过渡转换得到石膏模型或陶瓷模型，再由石膏模型或陶瓷模型浇注出金属模具。 这也是行之有效的方法之一。 华中科技大学硕士学位论文 欧洲e a r p ( e a r o p e a ne n g i n e e r i n ga c t i o n ) 与r o v e r 集团合作，研究r p 件直 接作注塑模的可能性，用各种快速原型工艺直接制作r o v e r 座椅调节手轮的注 塑模嵌块，背后衬使用环氧树脂铝粉以增加模具强度和改善散热性能，然后将 其安装在模架中，装配好的模具放在注塑机上生产聚丙稀零件。 2 ) 快速制造( r a p i dm a n u f a c t u r i n g ) 从广义上讲，快速制造就是快速完成从设计到零件的实现，这时快速制造 包括快速原型制造和快速制模。从狭义上讲，快速制造指利用快速原型的方法 直接制造功能零件。这种狭义上的快速制造也已成为快速成形领域一个炙手可 热的课题。 1 3r p & r t 软件的国内外发展和现状 软件是r p m 系统的灵魂( 2 l j 。其中最为关键的是c a d 到r p 接口的数据转 换和处理软件。在r p m 发展的初期，人们的注意力主要集中在工艺本身，而 随着应用的不断深入，软件处理的精度和速度，软件对复杂模型的处理能力就 成为应用中的一个主要瓶颈。 国外的r p m 公司和研究机构对此都非常重视并投入大量人力和资金进行 软件的研究和开发。各大r p m 系统生产商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 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 m t a s y s 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 r p r o t o t y p e 的p r o t o 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 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 层片文件等，而输出的数据文件一般为c l i 。以下是国外比 较著名的一些第三方接口软件： 1 ) b r i d g e w o r k s ： 由美国的s o f i dc o n c e p t 公司在9 2 年推出，经不断改进，现己发展到 v e r s i o n 4 0 以上。该软件可通过对s t l 文件特征的分析，自动添加支撑等。 2 ) m a g i c s = 由比利时的m a t e r i a l i s e 公司在9 3 年推出，现已发展到v e r s i o n 4 2 ，包括 m a g i c sv i e w 。m a g i c sr p ，m a g i c ss g ，c o n t o u r st o o l s ，c t m o d e l l e rs y s t e m ， 4 华中科技大学硕士学位论文 m i m i c s ，c t m 等七个模块，可以进行基于s t l 文件的显示、错误检验、自动 添加支撑、分层、制造时间估计等处理，还提供了各种对c t 文件及i g e s 文件 的有效处理。该软件功能广泛、性能优良、界面美观，是一个优秀的第三方接 口软件。 3 ) s o l i d v i e w l 2 2 】： 由美国的s o l i d c o n c e p t 公司在1 9 9 4 年推出，可以在w i n d o w s 3 1 ，w i n 9 5 ， w i n n t ，w i n d o w s 2 0 0 0 等操作系统下进行s t l 文件的线框和着色显示，s t l 文件的旋转、缩放等操作。 4 ) s t l m a n a g e r ： 由美国的p o g 0 公司于1 9 9 4 年推出，主要有s t l 文件的显示和支撑的添 加等功能。 5 ) s t l v i e w ： 这是一个由美国的软件工程师i g o rt e b e l e v 在业余时间所写的软件，现己 发展到v e r s i o n 7 0 。它可以从网上免费下载并使用两周，同s o l i d v i e l w 类似， 这个软件可用于s t l 文件的显示和变换，同时它还有错误修复、添加支撑等功 能。 6 ) s u r f a c e r - - r p m ： 这是由美国的i m a g e w a r e 公司在1 9 9 4 年为其s u r f a c e r 软件增加的用于快速 原型制造数据处理的模块。 7 ) t n os t ld 幽g u l a t o ri n t e r f a c e 【2 3 】 这是荷兰的t n o 工业技术学院研制开发的用于设计快速模具的软件。这 个软件的主要功能是让用户根据制件的s t l 文件设计模具，而后生成模具的 s t l 文件，该软件还有s t l 文件的线框显示、旋转等功能。 8 ) t r i f i x 2 4 】 这是英国i ) e l c a m 公司的产品。无论c a d 系统输出的模型是面模型还是实 体模型，用户都可以使用t r i f i x 将其生成用于快速成形的s t l 文件。t r i f i x 还 有修补错误的s t l 文件和将大的s t l 文件分割成小的s t l 文件以方便快速成 形机器加工的功能。 其他第三方数据接口软件还有克莱梅森大学的c i d e s 、a n t h o n yd m a r t i n 开发的a d m e s h ，x o x 公司的s h a p e s ，b r o c kr o o n e y 的b r o c k w a r e ，i - d e a s 的r p 模块，c a d d s 的r p 模块等。由于数据接口软件的开发往往需要很高的 专业水平，要耗费大量的财力和时间，现在国外出现了r p m 生产商购买第三 方数据接口软件的趋势。如1 9 9 6 年3 ds y s t e m 公司与i m a g e w a r e 公司达成协 华中科技大学硕士学位论文 议，采用i m a g e w a r e 的r p 一系列模块作为“3 ds y s t e m ss lt o o l k i t ”。而s a n d e r s p r o t o t y p e 公司也采用了s t l m a n a g e r 作为自己的数据接口软件。另外，德国的 f s 公司也购买了m a g i c s 软件的部分模块。 从技术角度说，数据转换和处理软件的难度集中在s t l 自动纠错、支撑的 自动添加、快速模具制造时的实体空腔化或网格( 1 a t t i c e ) 化处理、扫描矢量的 生成等环节。目前国外软件综合起来在这些方面都处理的比较好。国外现在软 件有人工智能化的趋势。在国内，s t l 文件的自动纠错、支撑的自动添加、扫 描矢量的生成等这些技术也在研究，但一直没有发现对快速模具设计有关的软 件以及模具体生成和线框模型等方面的算法的研究。 1 4 课题的研究目的与意义 现代化的低成本制造，建立在以模具为基础的批量生产之上，模具的运用 是决定产品成本的很重要的因素。r p 技术经过近十年的发展，已取得巨大进步， 随着快速成形制造技术的发展与成熟，目前快速模具技术已成为快速成形制造 技术的一个新的研究热点。而无论国外研究快速模具的企业、科研机构，还是 国内研究快速模具的企业、科研机构，对快速模具的研究大部分都集中在材料、 工艺等相关方面，而从设计上进行快速模具的研究很少，更谈不上开发针对快 速模具设计的软件。目前大型的三维造型系统虽然有模具设计模块，但其数据 格式通常不是快速原型制造领域通用的数据格式，针对性不强，同时缺少我国 自主的知识产权。因此从快速成形、快速模具的发展及在国民经济中所起的重 要作用来看，有必要开展快速模具设计系统方面的研究开发。 s t l 文件标准【2 5 】( 2 6 】是美国3 ds y s t e m 公司于1 9 8 8 年制定的一个接口协议， 它由3 3 个c a d 软件公司共同制定。这种文件格式类似于有限元的网格划分， 它将物体表面划分成很多个小三角形，划分方法依赖于用户所要求的精度。该 文件有二进制和文本格式两种。由于s t l 文件格式结构简单，是r p 技术中应 用最广泛的资料交换文件，已被公认为r p 技术中的准工业标准，目前各种三 维c a d 造型软件都提供s t l 文件输出接口。 因此，本文研究和设计了基于s t l 文件格式的快速模具系统中的若干关键 算法，同时讨论了该系统的设计，这种基于s t l 文件格式的系统能够对各种三 维c a d 造型软件输出的s t l 文件进行处理，具有很好通用性。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 课题的主要研究内容和本文的主要工作 本课题首先研究和设计了快速模具设计系统中使用的两个重要算法 基于s t l 文件格式的模具体生成算法和基于s t l 文件格式的线框模型算法及 其改进算法。之后，从软件工程的角度，研究了基于s t l 文件格式的快速模具 设计系统的系统设计，并实现了该系统的一些基本的且重要的功能，为进一步 开发该系统打下了良好的基础。 本文共分为五章，其研究内容可分为三部分：第一部分主要根据s t l 文件 格式的特点，研究基于s t l 文件格式的模具体生成算法的设计和实现及其它相 关问题和算法；第二部分主要根据s t l 文件格式的特点，研究基于s t l 文件 格式的线框模型算法及其改进算法的设计和实现；第三部分主要根据s t l 文件 格式和模具设计的特点，研究快速模具设计系统的系统设计。 各章的主要内容如下： 第一章是全文的概述，主要介绍了课题的背景，课题的理论和现实意义， 并介绍了国内外的研究概况。 第二章针对s t l 文件格式的特点，介绍了基于s t l 文件格式的模具体生 成算法的设计和实现，以及用到的数据结构。同时对其它相关的算法做了进一 步的探讨。 第三章针对s t l 文件格式的特点，介绍了基于s t l 文件格式的线框模型 算法及其改进算法的设计和实现，以及用到的数据结构。 第四章主要研究了基于s t l 文件格式的快速模具设计系统的设计和实现， 同时介绍了该系统实现的一些功能。 最后一章对全文进行了回顾和总结，并对以后的研究提出了展望。 1 6 本章小结 本章首先对开展本项研究课题的研究意义作了一个简单阐述，介绍了快速 模具技术及相关软件的国内外的研究现状和发展趋势，指出了国内研究与国际 上的差距，最后介绍了全文所做的主要工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于s t l 文件格式的模具体生成算法 在模具设计中，模具体的生成是承前启后、极其重要的一步。本章从s t l 文件格式 的特点和模具的设计原则着手，设计了简单实用的基于s t l 文件格式的模具体生成算法。 同时对在开发快速模具设计系统时有待研究的问题做了进一步的探讨。 2 1 引言 在开发快速模具设计系统中，一个重要的问题就是如何生成模具体，模具 体的设计与生成是整个横具设计中很重要的一环。第一、模具体的生成是模具 体分模和模具型腔生成的基础，没有模具体，就谈不上模具体的分模和模具型 腔的生成。第二、模具体内表面的设计直接关系到成型制件的形状，模具体的 设计质量关系到整个模具设计的质量。第三，模具体生成算法的效率直接关系 到快速模具设计系统的效率。因此如何在快速模具设计系统中妥善地解决这个 问题，就显得很重要。本章试图从s t l 文件格式的特点和模具体的设计原则上 来讨论这个问题，并在文中提出了一个简单实用的模具体生成算法。 2 2 s t l 文件格式分析 2 2 1常用的三维模型表达方式 随着计算机辅助设计( c a d ) 技术的发展，出现了许多种三维模型的表达方 式，其中最常见的有以下几种 2 7 h 2 s l ： 1 ) 构造型立体几何表达法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，简称c s g 法) 构造型立体几何表达法运用布尔运算规则( 并、交、减) ，将一些简单的三 维几何基本元素( 如立方体、圆柱体、环、锥体) 通过组合变换成复杂的三维 模型实体。这种方法的优点是容易控制存储的信息量，所得的实体真实有效， 并且能方便地修改它的形状。此方法的缺点是可用于产生和修改的实体的算法 有限，构成图形的计算量很大，比较费事。 2 ) 边界表达法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，简称b r e p ) 边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这 华中科技大学硕士学位论文 种方法能快速地绘制立体或线框模型。它的数据是以表格形式出现的，占用空 间大，修改设计不如c s g 简单。譬如，要修改实心立方体上的一个简单孔的尺 寸，必须先用填充的方法来删除这个孔，然后才能绘制一个新孔，所得到的实 体不一定真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒的现象，描述不一定总是唯一。 3 ) 参量表达法( p a r a m e t r i cr e p r e s e n t a t i o n ) 对于自由曲面，难于用传统的几何基本元素来描述，可用参量表达法，这 些方法借助参量化样条、贝寨尔( b e z s i e r ) 曲线和b 样条来描述自由曲面，它 的每一个x 、y 、z 坐标都呈参量化形式。各种参量格式的差别仅在于对曲线的 控制水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力，以及建立几何体模型的 能力。其中较好的是一种非均匀有理b 样条( n u r b s ) 法，它能表达复杂的自由 曲面，允许局部修改曲率，能准确描述几何基本元素。 为了综合以上方法的优点，现代c a d 系统常采用构造型立体几何表达法、 边界表达法和参量表达法的组合表达法。 4 ) 单元表达法( c e l lr e p r e s e n t a t i o n ) 单元表达法源于分析软件( 如有限元分析) 软件，在这些软件中，要将表 面离散成单元。典型的有三角形、正方形、或多边形。在快速成型系统中采用 的三角形近似( 将三维模型转化成s t l 文件格式) ，就是一种单元表达法在三维 表面的应用形式。 2 2 2s t l 文件格式分析 s t l ( s t e m o l i t h o g r a p h y ) 文件格式是针对任意的实体表面采用的统一的 表达格式。由于s t l 文件格式结构简单，各大商品化三维造型软件均提供这种 数据接口，s t l 文件成为了快速成型技术的准标准( d e f a c t os t a n d a r d ) 或工业 标准( i n d u s t r y s t a n d a r d ) 2 5 o 由s t l 文件表示的几何模型称为s t l 模型。s t l 模型是一种空间封闭的、 有界的、正则的唯一表达物体的模型。它具有点、线、面的几何信息，它适合 于激光快速成型制造。无论设计人员是利用c a d 造型系统对产品进行三维 c a d 设计，还是利用三维数字化仪对实体进行扫描，归结到最后得到产品的一 个三维的c a d 实体模型，对该三维c a d 实体模型进行表面三角形小平面化处 理，类似于有限元的网格划分，即用许许多多空间三角形小平面来逼近c a d 实 体模型，当三角形小平面小到一定程度其近似性可达到工程允许的精度范围内， 其数据文件称为s t l 文件。s t l 文件将实体模型的表面近似地划分为许多三角 形小平面，每个三角形小平面都有一个法矢向量( 起方向总是指向实体外表面) 9 华中科技大学硕士学位论文 和三个顶点，法矢向量和顶点都由三维坐标表示。一个s t l 文件是一个个描述 一系列相互联系的三角形小平面的x 、y 、z 坐标的集合。 s t l 文件有a s c i i 码和二进制码两种输出格式，其格式如下： a s c i i 格式： s o l i d 凇匆体名称 f a c e tn o r m a l 第一个面的法矢矢量 o u t e rl o o p v e r t e x 第一个面上第一点的坐标 v e r t e x 第一个面上第二点的坐标 v e r t e x 第一个面上第三点的坐标 e n d l o o p e n d f a c e t f a c e tn o r m a l 第二个面的法矢矢量 o u t e rl o o p v e r t e x 第二个面上第一点的坐标 v e r t e x 第二个面上第二点的坐标 v e r t e x 第二个面上第三点的坐标 e n d l o o p e n d f a c e t e n d s o l i d 这里合法的关键字有： 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 这些关键字用作识别s t l 文件的a s c i i 格式和区分其中的各个数据单元。 b 斟a r y 格式如下： 偏移地址长度( 字节)类型 描述 08 0字符型文件头信息 8 04无符号长整数文件包含面的格式 第一个面的定义 法矢向量 l o 华中科技大学硕士学位论文 8 4 8 8 9 2 第一点的坐标 9 6 1 0 0 1 0 4 第二点的坐标 1 0 8 1 1 2 1 1 6 第三的坐标 1 2 04 1 2 44 1 2 84 1 3 22 第二个面的定义 法矢向量 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 浮点数 无符号整数 法矢的x 分量 法矢的y 分量 法矢的z 分量 x 分量 y 分量 z 分量 x 分量 y 分量 z 分量 x 分量 y 分量 z 分量 属性字( 一定为零) 直到文件结尾。 a s c ii 文件虽然简单明了，便于在文本编辑器里对它进行观察和改动，但 是它表示一个浮点数要1 3 个字节，而且还有许多冗余关键字信息。而b i n a r y 格式就紧凑得多，表示同一个物体，它的文件大小只有a s c i i 格式文件的1 5 。 二进制码输出形式所占用的文件空间比a s c i i 码输出形式的小得多( 一般是 i 6 ) 。不过a s c i i 码输出形式可以阅读并能直观检查。 由于s t l 文件的a s c i i 格式可以用相应的算法转换为二进制格式，所以本 文只限于分析二进制的s t l 文件格式，遇到a s c i i 文件时就先将其转化为二进 制格式后再进行讨论。 一般来讲，s t l 文件格式有以下三个规则： ( 1 ) 共顶点规则：每个三角形小平面必需与其相邻的三角形小平面共用两 个顶点，即一个三角形小平面的顶点不能落在与其相邻的任何三角形小平面的 4 4 4 4 4 4 4 4 4 华中科技大学硕士学位论文 边上。 ( 2 ) 取向规则：每个三角形小平面的法矢向量向外，且相邻的三角形小平 面取向不能相反。 ( 3 ) 充满规则：在三维s t l 模型的所有表面上必须布满三角形小平面，不 得有任何遗漏。 s t l 模型中的所有三角形小平面必须满足以上三个规则，否则这个模型就 存在缺陷。 目前，在快速原型制造领域中，c a d 实体数据模型普遍采用s t l 文件格 式来描述，即三维c a d 实体数据模型由空间三角形小平面来逼近，在制造时， 实体经切片处理以后，其截面轮廓线不是由一组实际曲线组成，而是由一组封 闭的多边形轮廓组成，且多边形之间的只有包含与被包含或分离的关系。 2 3基于s t l 文件格式的模具体生成算法的原理 2 3 1基于s t l 文件格式的数据结构 上一节中分析了s t l 文件格式的特点，现在描述一下实现模具体生成算法 中涉及到的基本数据结构【2 9 1 - 3 1 】： 1 ) c s t l p o i n t 类 c s t l p o i n t 类主要用于存放s t l 模型的各个顶点的信息。由于s t l 文件格 式的特点，s t l 模型的每个顶点在s t l 文件中均被重复记录。因此在装载s t l 文件时可把相同的顶点进行归并，以节省内存，同时归并顶点可以加快速度。 如果对s t l 模型进行旋转、缩放或移动等操作，不必对s t l 文件中的每一个 三角形顶点进行处理，只对c s t l p o i n t 类中的数据直接处理一次就够了，从而 可以大大减少计算量。 c l a s sc s t l p o i n t p u b l i c ： n d a t am e m b e r s f l o a tx ，y ，z ； n c o n s t r u c t o r c s t l p o i n t ( c s t l p o i n t & p ) ：x ( p x ) ，y ( p y ) ，z ( p z ) ) ； c s t l p o i n t ( v o i d ) ) ； 1 2 华中科技大学硕士学位论文 c a c u l a t et h ed i s t a n c eo f t w o p o i n t s d o u b l ed i s t ( c s t l p o i n t & p ) r e t u r ns q r t ( ( x - p x ) + ( x - p x ) + ( y p y ) + ( y - p y ) + ( z p z ) + ( z - p z ) ) ； ； o p e r a t o r s b o o l o p e r a t o f ( c s t l p o i n t & p ) r e t u r nf a b s ( x - p x ) t h r e s h o l d & & l a b s ( y - p y ) p z ) i l ( z 印z & & ( y p y | i ( y p y & & x p x ) ) ) ； ； ； 在该数据结构中涉及到的一些方法和操作运算符将在开发快速模具设计系 统时使用，本章的算法并没有涉及。 2 ) c s l l l f a c e 类 c s t l f a c e 类用于存放s t l 模型中三角形小平面单元的几何信息，它包含 三角形小平面的法矢向量、三个顶点的编号和属性值。 c l a s sc s t l f a c e p u b l i c ： c s t l f a c e o ； c s t l f a c e ( c s t l f a c e a 、 n o r m a l = a n o r m a l ； p o i n t l = a p o i n t l ； p o i n t 2 = a p o i n t 2 ； p o i n t 3 = a p o i n ：t 3 ； a t n i b u t e = a a t t r i b u t e ； ) a t t r i b u t e s c s t l p o i n tn o r m a l ； c s t l p o i n t p o i n t l ； c s t l p o i n t p o i n t 2 ； 1 3 华中科技大学硕士学位论文 c s t l p o i n t p o i n t 3 ； s h o r t a t t r i b u t e ； ) ； 3 ) c s t l f a c e a r r a y 类 c s t l f a c e a r r a y 类是用于存放s t l 模型中的三角形小平面的动态数组类。 它是使用t y p e d e f 语句用m f c 类库【3 2 1 1 3 3 1 中的c a r r a y 类来声明c s