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上海交通大学博士后研究工作报告 快速成型工程应用中的数据处理技术研究 摘要 快速成型技术是八十年代后期发展起来的- - f 新型技术，它的出现给传统的 制造业带来了革命性的变革，现已进入稳定的工程应用期。快速成型的数据处理 技术已成为影响其工程应用的主要因素，本文以具体的工程应用为背景，对快速 成型中的数据处理技术进行了深入的研究。 首先分析了快速成形数据处理技术的现状，提出了快速成形数据处理技术的 发展趋势。 ( s t l 数据模型是当今商用r p 系统广泛采用的c a d 到r p 的数据接口，已成为 r p 工业界的事实标准。由于s t l 数据格式本身的缺陷、c a d 造型过程中的人为错 误以及c a d 模型表面三角化方法所存在的问题，致使得到的s t l 文件所表示的面 v 化数据模型常常出现错误，导致r p 后续的切片、加工过程不能正常进行本文 在分析归纳s t l 模型常见错误的基础上，提出了相应的自动诊断和修复的方法， 基于v i s u a lc + + 6 0 研制开发了s t l 模型自动修复的软件系统。 ， s t l 文件是对c a d 模型表面的一种三角化离散近似，可以描述c a d 模型的 几何信息，但损失了几何构成间的拓扑关系，直接对其中的错误进行诊断修复是 一件非常复杂费时的工作。而且在s t l 模型中有些错误并不违反s t l 文件的正 确性规则，因此直接在s t l 文件中是无法修复的。切层轮廓数据由于其结构简 单，使z i 口j 【- u jj m 月j 1 t 月m 态z - - u 1j r j 法夕本文根据s t l 模型存 在错误在分层数据中的表现形式，提出了一种基于s l c 文件的快速成型数据修复 疗法，并编制了相应的软件系统。 ， 7 工艺品是一种带有艺术性的特殊产品，它的设计原型多来源于已有的实物样 品( 如古董、民间工艺品、其它形式的工艺品商品等) ，或出自艺术家之手的泥 塑，雕刻模型，对于斑铜或陶瓷等类型的工艺产品来说，其精度要求一般不是很 高，重在甚神视。根据这一特点，本文提出了一种从点云数据直接获得分层轮廓 摘要 信息。实现r e r p 的直接集成的工艺产品原型快速开发方法。对其中涉及的关键 技术，如点云数据预处理、点云分层、轮廓曲线拟合、快速成型切层数据插值与 输出等进行深入分析研究，开发了相应的软件系统，并进行了实例验证。j i n t e m e t 作为信息传递与共享的主要载体，为先进制造技术的应用和发展提 供了强有力的支持。本文在分析快速成形服务工作流程的基础上，结合s t l 模 型中出现的错误类型与c a d 设计过程的关系，提出了一种客户主动的快速成形 网络服务系统的体系结构。该系统可大大减少客户与快速成型服务提供商之间任 ， 务传递、信息沟通所需的时间，提高工作效率。 分析了基于w e b 的系统开发模 式，给出了系统应具备的功能模块和软件结构形式。最后，提出和分析了构建客 3 户主动的快速成形网络服务系统应解决的关键技术问题。6 关键词：快速成型，反求工程，数据处理，网络化制造 i l 上海交通大学博士后研究工作报告 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n gi san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h e19 8 0 s ，w h i c hc a u s e d r e v o l u t i o n a r yc h a n g e si nm a n u f a c t u r i n ga n dh a sn o w e n t e ri n t oad a y so fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t h ed a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s h a v eb e e nak e yp r o b l e mi n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fr a p i dp r o t o t y p i n g t h i sr e p o r tp r e s e n t sas y s t e m i cs t u d y o nd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e so fr a p i dp r o t o t y p i n ga n df o c u s e so nt h ec o n c r e t e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s t lm o d e l ，w h i c hi su s e di nm o s tc o m m e r c i a lr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e m s ，h a s b e c o m et h ed ef a c t os t a n d a r di nr pi n d u s t r y b e c a u s eo ft h ed e f e c to fs t lm o d e l ， a r t i f i c i a le r r o r si nc a dm o d e l i n ga n dp r o b l e m si nt r i a n g u l a t i o nf r o mc a dm o d e l ， t h e r eo f t e ne x i s ts o m ee r r o r si nt h es t lm o d e l ，w h i c hw i l lm a k et h ef o l l o w i n gs l i c i n g a n dp r o c e s s i n gi m p o s s i b l e b a s e do na n a l y z i n ga n ds u m m i n gu pc u r r e n te r r o r si ns t l m o d e l ，t h ec o r r e s p o n d i n gd i a g n o s i n ga n dc o r r e c t i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d ，a n dt h e a u t o m a t i cc o r r e c t i o ns o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + 6 0 b e c a u s es t lf i l ei sat r i a n g u l a ra p p r o x i m a t ef o r m a ta n dc a l l r e p r e s e n t g e o m e t r i cm e s s a g e so fc a dm o d e l ，b u tt h et o p o l o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n t p a r t s o fc a dm o d e lh a sb e e nl o s t s ot h ec o r r e c t i o nf r o ms t lm o d e l si s c o m p a r a t i v e l yc o m p l e xa n ds o m ee r r o r sa r ev e r yd i f f i c u l tt oc o r r e c t ，e s p e c i a l l ys o m e e r r o r si nc a dm o d e l i n gw h i c hd o n tv i o l a t et h er u l e so fs t lf i l e s b e c a u s eo ft h e s i m p l es t r u c t u r eo fs l i c i n gc o n t o u rd a t af i l e s ，c o r r e c t i o nb a s e do ni tb e c o m e sa n o t h e r f e a s i b l ec o r r e c t i o nm e t h o d t h r o u g ht h es t u d yo ft h es l i c i n gp r i n c i p l e ，t h i sp r o b l e mi s d i s c u s s e da n das o f t w a r es y s t e mt or e p a i re r r o r si ns l cf i l ei sd e v e l o p e d h a n d i c r a f t sa r caa r t i s t i cs p e c i a lp r o d u c t s t h e i rd e s i g n i n gp r o t o t y p e so f t e n o r i g i nf r o mp h y s i c a lo b j e c t s ，s u c ha sa n t i q u e s ，f o l kh a n d i c r a f t s ，s c u l p t u r e s ，e t c t h e p r e c i s i o no ft h e s ep r o d u c t si sn o tv e r yh i 曲i ng e n e r a l ，b u tt h es h a p ei sv e r yi m p o r t a n t t ot h e m a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，an e wm e t h o dt od i r e c t l yi n t e g r a t er e v e r s e e 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 gf o rd e v e l o p i n gt h ep r o t o t y p eo fh a n d i c r a f t si s i i i p r o p o s e di nt h i sr e p o r t s o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sc l o u dd a t ap r e t r e a t i n g ，c l o u d d a t as l i c i n g ，c o n t o u rc u r v ef i t t i n g ，s l i c ed a t ai n t e r p o l a t i n ga n do u t p u t t i n g ，a r ed e e p l y s t u d i e d as o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e da n ds o m e s a m p l e s , g j eg i v e n t oi l l u s t r a t ei t i n t e m e ti sai m p o r t a n tc a r r i e ro ft r a n s m i t t i n ga n ds h a r i n gm e s s a g e s ，i ts t r o n g l y s u p p o r tt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i n t h eb a s eo fa n a l y z i n gt h er a p i dp r o t o t y p i n gs e r v e rp r o c e s s e s ，a n dt h er e l a t i o n so f e r r o r si ns t lm o d e lw i t hc a dm o d e l i n ga r ec o n s i d e r e d ，an e w s y s t e m i cs t r u c t u r eo f s u p p o r t i n gr a p i dp r o t o t y p i n gs e r v e ri sp r e s e n t e d i tf a c ew e ba n dm a k ec u s t o m e r s h a v i n gaa c t i v ep o s i t i o n u s i n gt h i ss y s t e m ，t h et i m eo fd a t at r a n s m i t t i n ga n d m e s s a g e sc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nc u s t o m e r sa n da p p l i c a t i o ns e r v e rp r o v i d e r sc a l lb e s u b s t a n t i a l l ys a v e d ，t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yc a l lb ei m p r o v e d as y s t e m i cd e v e l o p i n g m o d ef a s e dt ow e bi sp r e s e n t e df i r s t l y ，a n dt h e nt h ef u n c t i o nm o d e la n ds o f t w a r e s t r u c t u r ea 您g l v e f l f i n a l l y , t h ek e yt e c h n o l o g i e st oc o n s t r u c tr a p i dp r o t o t y p i n gs e r v e r s y s t e mb a s e do nw e ba r ep r o p o s e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，s t lm o d e l ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， d a t ap r o c e s s i n g ，i n t e m e t 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章快速成型中c a d 模型的数据处理技术 随着信息技术为主导的现代科学技术的迅速发展，传统的制造技术正在发生着极其 深刻的重大变化，产品生命周期缩短，更新速度加快，用户需求多样化和交货期日益缩 短已成为影响竞争成败的主要因素。快速成型( r p ) 技术对缩短新产品开发周期，降低新 产品开发风险和开发费用具有及其重要的意义，自8 0 年代后期问世以来的l o 余年时间 里得到了异乎寻常的迅猛发展。随着快速成型技术应用领域的不断扩大，它已经成为先 进制造技术的重要组成部分，其研究涉及r p 方法、成型工艺、新材料开发、制作精度 控制、快速模具、软件开发及r p 技术的新应用等。 快速成型技术不同于传统的去除材料的加工方法，它是一种基于材料累加的制造概 念，直接将零件的三维c a d 模型经数据处理后，在计算机的控制下，快速制造出零件 的三维实体原型，而无需传统的刀具和夹具。其基本过程是首先对零件的三维c a d 模 型进行分层处理，得到零件沿某一方向的一系y , j - 维截面数据，然后根据每一层的截面 数据，以特定的方法( i ns l a 、f d m 、l o m 、s l s 等) 生成与该层截面形状一直的薄片， 这一过程反复进行逐层累加直至“生长”出零件的完整实体原形【2 j 。由此可见三维c a d 模型构成及其数据处理是零件快速原型制作中不可缺少的重要环节，它对后续快速原型 的制作精度、表面质量、成型时间、制作成本甚至制作成败都有非常直接的重要影响。 1 1 快速成型中的c a d 几何模型 完整准确地获得物体的三维c a d 几何模型是进行其快速成型制造的前提，根据工 程实际需求，与两种设计理念相对应，有两条途径可获得物体的三维c a d 几何模型。 一种是通过正向设计方法，即从产品的功能要求出发，经过若干设计过程，借助于c a d 软件系统( p r o e 、a u t o c a d 等) 直接进行产品c a d 造型，得到其三维实体模型；另 一种是通过所谓的逆向设计方法，即对产品实物( 已有产品、设计模型等) 经过三维数 字测量、测量数据处理、曲面重构等过程得到产品的三维c a d 表面模型。图1 是将两 种方法用于快速成型制造时的流程图。在反求设计所对应的过程流中，得到物体表面的 点云数据之后，有两种获得物体表面数据模型的方法，其一是对点云数据经滤波、修补、 第一章快速成型中c a d 模型的数据处理技术 特征提取等处理后直接进行三角化，以生成物体表面的s t l 模型【3 1 。这种方法的优点 在于对一些形状不太规则难以用拓扑四边形域分割的物体( 如人体骨骼、某些工艺品等) 有较好的应用效果，但用该方法得到的数据模型无法修改和再设计。另一种方法是对点 云数据进行参数曲面重构，然后再生产s t l 文件。用这种方法获得的物体数据模型有 许多优点，首先通过面片控制节点可对其形状做局部调整修改；其次对物体上扫描测量 不可及的结构( 如孔、槽等) 利用已有点云数据可进行再设计；第三根据需要可将物体 的表面模型转换成实体模型。但在进行参数曲面重构时，点云数据的面片分割、特征识 别以及表面模型向实体模型转换仍有许多问题有待进一步研究。 图1 快速成型的数据数据处理方法 1 2c a d 与r p 问的数据接口 快速成型系统所要解决的问题是提出快速成型方法并将其付诸工业实施，r p 系统 本身并不具备三维造型功能，为了得到物体的三维表面数据，r p 系统一般都借助于商 用c a d 系统n 但不同的c a d 系统所采用的内部数据格式是不同的，r p 系统无法一 一适从，这就要求有一种中间数据格式，它既能满足快速成型制造的要求，便于r p 系 统接受和处理，又便于不同c a d 系统生成，s t l 模型就此诞生了。 s t l 格式的数据模型是由美国3 d s y s t e m 公司开发，并于1 9 8 7 年发布的【5 1 。作为 c a d 几何模型与快速成型机所需数据的转换接口，由于它具备数据格式简单，处理方 上海交通大学博士后研究工作报告 便等的特点，为大多数商用快速成型系统所采用，现已成为快速成型行业的事实标准。 但是，s t l 模型自身存在许多不足之处。 ( 1 ) 由于s t l 模型是用一系列小的三角面片去近视逼近c a d 模型的表面，造成s t l 模型对产品几何模型的描述精度低。在目前的成型机精度下，如果说s t l 模型尚能满 足要求的话，但随着新的成型方法的不断涌现，成型机精度的不断提高，继续使用s t l 模型作为c a d 到快速成型所需数据的通用接口，必将会阻碍r p 技术的进一步发展。 ( 2 ) s t l 模型中各三角面片间没有拓扑信息，三角面片间的公用节点需多次存储， 数据的冗余度大，存储空间浪费严重。这一缺陷的直接后果就是导致后续分层处理的效 率非常低，每分一层，切层软件都必须遍历杂乱无章的所有面片，尤其是对那些占用空 问较大的s t l 文件，这过程是很费时的【6 1 。随着网络时代的到来，s t l 模型数据冗 余度大的不足也使其不利于远程i 冲服务的数据传输，难以有效支持网络化制造和远程 制造。 ( 3 ) 目前的c a d 造型系统在进行c a d 到s t l 的转换时，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n - - 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参数域。因而，当处理多张曲面的三角化时，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【7 。这些缺陷会导致r p 后续的切片、 加工过程不能正常进行，甚至产生更为严重的后果。 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，s t l 文件出现错误的可能性也会随之增大；反之，则必须以降低原 型精度为代价。针对s t l 模型中存在的诸多问题，人们试图从以下几方面来解决。 ( 1 ) 对s t l 模型进行处理。g e o r g e sm f a d e la n dc h u c kk i r s c h m a nt t i 、刘斌【8 】分别 研究了s t l 模型中存在错误的诊断和修复方法，但他们的方法都有其局限性，而且在 其文献中均未提及诊断和修复效率。j r o c k 9 1 试图重建s t l 模型中各三角面片间的拓扑 连接关系，以解决s t l 模型数据冗余大的问题，即使采用较好的数据结构和算法，完 成该过程所需的时间也很长，而且当s t l 数据存在错误时，其过程很难完成。y h c h e n 【l 0 】为减小s t l 文件的存储量，采用g a 算法对s t l 模型中三角面片数量的精简进 行丁研究，其方法对物体上的平面有很好的效果，但对非平面表面必将进一步降低物体 的逼近精度，而且其方法的效率是非常低的。 第一章快速成型中c a d 模型的数据处理技术 ( 2 ) 将中性标准数据文件直接用于r p 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，这些中性文件中有些是用于 不同c a d 软件系统间进行图形信息交换的，它们存储的仅是c a d 数据的几何组成及 关系信息，要把它们直接用于r p 系统的处理数据，r p 系统还需进行大量的几何运算 处理；有些是面向整个生产过程信息集成的，信息包罗万象，用于不同目的的中性文件 信息量相差很大，其中包含大量r p 系统并不需要的信息，要把这些中性数据文件作为 c a d r p 接口，尚有许多新的解释、处理算法有待开发】，而且它们中包含了详细的产 品设计信息，不利于设计保密。所以，并未得到r p 制造商的积极响应，至今还未见有 这样的商用r p 系统出现。 ( 3 ) 寻求新的c a d r p 数据接口格式。既然s t l 模型有诸多不足，现有的中性标 准文件又难以替代，寻求新的数据格式自然成为解决问题的一条途径。近今年相继提出 的数据格式有【5 j ：c l i ( c o m m o nl a y e ri n t e r f a c e ) 、r p if 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 ) 、l e a f ( l a y e re x c h a n g e a s c i if o r m a t ) 、s l c 等。这些 格式多为学术探讨，要得到商用c a d 软件和r p 系统的共同认可与支持，投入实际使 用尚需时日。笔者认为要解决c a d r p 的系统接口问题，需要c a d r p 系统双方共同 协作，c a d 参与到快速成型制造的数据处理中来，就象c a d 融入到数控加工系统一样， 这就需要一个能使双方发挥各自所长的数据接口，s l c 格式是一个很好的选择。s l c 文 件格式是一种c a d 模型的2 5 维轮廓表示，是由沿某一方向以一定问距平行排列的一 系列截断面组成，与r _ p 系统的切层数据十分相似1 1 2 】。采用s l c 作为c a d r p 系统间 的数据接口的好处在于，分层数据对每一种r p 方法都是必须的，以s l c 作为i 冲输入 数据具有普遍的适应性；不会约束r p 系统在成型方法、加工参数选择、支撑生成等方 面的创造性：可直接利用c a d 系统进行切层处理，避免生成s t l 文件造成的模型精度 损失，而且切层处理对c a d 系统内核来说是非常容易的。 ( 4 ) 直接应用c a d 系统进行r p 切层处理。 1 3 分层参数优化 眭i 于快速成型是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此，加工前必须对三维模型沿 上海交通大学博士后研究工作报告 成型的高度方向每隔一定的间距进行切片，以获取成型截面的轮廓。在进行切片处理时， 有两个参数是非常重要的，一是切片厚度，二是切层方向。 切片厚度的取值真接影响着成型后零件原型的精度和生产效率，厚度愈小，在零件 倾斜表面引起的台阶效应愈小，原型的精度愈高，但成型时间愈长，效率愈低。为了兼 鳓成型精度和成型效率，有许多学者进行自适应切层方法的研究，即在成型的高度方向 根据零件的结构特点选择变化的切层厚度，当零件表面某段的倾斜度较大时选取较小的 切层厚度，以减小成型表面的台阶效应，提高原型的表面质量；反之则选取较大的切层 厚度，以提高成型效率。文献报道的自适应切层方法可归纳为两类：其一为简单自适应 切层l l “，沿切层z 方向的每一个截断面均由单一平面截切整个零件而获得，一个切层 的整层厚度由切层位置模型表面倾斜度最小处的成型精度要求而定；其二为区域自适应 切层，文献【1 4 j 提出一种切层方法，先把零件的c a d 模型用成型机允许的最大层厚切 分，然后把每一切层再分成a l ，t ( a d a p t i v e l a y e r t h i c k n e s s ) 区和c i l ( c o m m o n i n t e r f a c e l a y e r ) 区，a t l 区位于零件表层，对该部分再进行二次自适应切层，其厚度由成型精 度和表面几何性质确定，c l i 区位于零件芯部，其厚度就是初次切层的厚度。文献【1 3 1 首先采用与文献【1 4 j 相同的初次切层方法，然后在每层外环轮廓围成的材料区域再进行等 厚的切层处理。这两种方法都是针对f d m 快速成型机而设计的。避开成型零件结构的 复杂性不说( 快速成型对结构复杂的零件才更有效) ，文献【b l 的方法在成型材料内部增 添了分解面，破坏了材料成型的整体性，两种方法在同一层的不同部分选取变化的层厚， 闯机器误差而造成同一分层位置高度的可能不一致对最后原型性能( 强度、变形等) 的 影响也是必须考虑的问题。在理论上自适应切层是一种很好的设想，但是变化的分层厚 i 蓬必须得到成型机的支持，而且层厚的变化范围必须与成型机的限定相一致。 在快速成型制造中，切层方向，即成型时每层的叠加方向是影响原型制作精度、制 作时间、制作成本、原型强度以及制作过程中所需支撑多少的重要因素。许多文献对切 甚方向的优化进行了研究，建立了切层方向的单目标优化模型i ”】及多目标优化模型m 。 但这些模型中都存在共同的不足：首先，它们将s t l 模型中各个三角面片对切层方向 的影响权重视为相同的，而未考虑零件的结构特征，比如零件上的一些孔、槽等，虽然 这些结构表面的三角面片数量占整个零件表面的三角面片总量的比例可能较小，但一般 情况下，它们对零件的使用性能可能却是至关重要的，因此，选定成型方向时应重点考 第一章快速成型中c a d 模型的数据处理技术 虑：其次，未能充分考虑制作原型件的作用目的。比如对f d m 来说，如果制作原型件 的主要目的是为了进行外观评价，那么选择制作方向时则应把保证原型表面质量放在首 要位置来考虑：如果制作原型件的目的是为了进行装配检验，则应首要考虑的是装配结 构的成型精度，至于表面质量则可通过后处理的打磨来保证。这实质涉及到优化目标函 数的选定问题，如果选择切层方向时只考虑某一因素( 如制作成本) ，而选取单一的优化 目标，难免有偏颇之处：如果各种因素都要考虑周全，而选取多目标优化，则难免顾此 失彼。因此，选择切层方向时，充分考虑制作原型件的作用目的，抓住主要矛盾才是关 键。再次，未能考虑操作人员的使用经验。对于有些零件是很难定量或用函数描述清楚 其分层方向的，这时人的经验就显得非常重要，但人的经验除非传授是没有继承性的， 如何把操作人员长时间积累的使用经验融入切层方向的优化模型之中，才是解决问题的 关键。 基于特征的快速成型制作方向的优化研究是具有现实意义的，它可在两个层面上进 行。一是针对s t l 模型，首先重建s t l 模型中三角面片间的拓扑连接关系，进而提取 出s t l 数据所表述几何模型中的典型结构特征。二是直接针对零件设计的c a d 模型， 对于零件的三维立体模型来说，其结构特征的描述是确定的，所以r p 制作方向选择时 所需考虑特征的提取是很容易的。获得零件的结构特征后，要么根据特征直接选定成型 制作方向，要么把结构特征对成型制作方向的影响以权重因子的形式融入到整体优化模 型之中来确定最后的成型方向。优化可采用神经网络与遗传算法相结合的方法来实现， 神经网络的自学习训练功能结合进操作人员的使用经验可用来确定遗传算法的初始种 群，再由遗传算法寻求出全局优化解，确定成型方向。 1 4 基于c 柚模型的快速成型方法 既能克服s t l 模型的不足，又不增加r p 系统负担的最好办法是由c a d 系统直接 生成r p 所需的分层数据，即利用c a d 软件系统的功能，对c ad 实体模型进行截面 求：定运算，得到层片厚度和层面轮廓信息。目前，利用c a d 系统直接进行切层处理的 方法有： ( 1 ) 直接使用c a d 软件的系统功能。在文献中，首先使用i - d e a s 软件直接对 上海交通大学博士后研究工作报告 c a d 模型进行分层，形成n u r b s 的轮廓曲线，然后，通过n u r b s 的分段处理，得到 r p 系统可接受的分层数据。这种方法需人工交互实现，操作烦琐，效率低。 ( 2 ) 利用c a d 软件提供的二次开发功能。在文献【1 8 】中，借助a u t o c a d 系统的二 次开发语言，开发了一个用于r p 切层处理的功能模块，最后形成c a d 模型的截面轮 廓数据。但c a d 软件提供的二次开发语言理的开销一般是很大的，无形中会增加c a d 一般数值运算的能力都较弱，且r p 数据处系统的负担，影响其效率及稳定性。 基于c o m 技术的c a d 模型直接分层处理也是一种很好的方法。利用w i n d o w s 操 作系统提供的公共对象模型( c o m ) e ? 的a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，选某一c a d 软件系 统( 如a u t o c a d ) 作为服务器程序置于后台来完成切层处理中的图形运算，而自行开发一 个客户程序置于前台来实现r p 数据处理的任务调度、数值运算、结果存取等功能。 其实，基于c a d 模型的快速成型制造，最为有效的方法莫过于在商用c a d 软件中 增加面向r p 的应用模块，这对c a d 软件来说，利用其已有的内核图形处理功能，是 非常容易的事情。这样，可能要求c a d 设计人员掌握一些r p 基础知识，但随着r p 技术应用的日益广泛，将它作为整个生产过程中的一个工艺环节，又有何难? 况且还能 有谁会比设计人员更了解产品的设计意图? 这对r p 成型参数的选择未必不是一件有益 的事情。所以，快速成型制造系统理想的数据处理流程应如图2 所示。 图2 快速成型制造系统的数据处理流程 第一章快速成型中c a d 模型的数据处理技术 1 5 本章小结 本章对快速成型中的c a d 模型及其处理技术进行了系统分析，阐述了相关研究成 果的优点和存在问题。从中可以看出：( 1 ) s t l 模型虽然存在诸多不足，但由于其广泛 的适应性，它仍然会是c a d r p 的很好接口形式；( 2 ) 自适应变厚切层必须与相应的成 型方法和成型系统的发展相配合，否则只能局限于理论探讨，难以付诸实际应用；( 3 ) 制作方向的优化是一个值得进一步深化研究的问题，模型的结构特征、原型制作目的及 r p 系统操作人员的经验应予以充分考虑；( 4 ) 分层轮廓数据格式s l c 是c a d 系统直 接参与r p 系统数据处理的理想接口形式：( 5 ) w i n d o w s 操作系统的a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术是基于c a d 模型快速成型制造的一个有效开发工具，利用它可充分发挥c a d 系 统和开发语言系统的各自优势。 上海交通大学博士后研究工作报告 第二章s t l 模型自动诊断与修复方法的研究 2 1s t l 模型 快速成型系统所要解决的问题是提出快速成型方法并将其付诸工业实旌，然 而r p 系统本身并不具备三维造型功能，为了得到物体的三维表面数据，r p 系统 一一般都借助于商用c a d 系统。但不同的c a d 系统所采用的内部数据格式是不同的， r p 系统无法一适从，这就要求有一种中间数据格式，它既能满足快速成型制 造的要求，便于r p 系统接受和处理，又便于不同c a d 系统生成。这种中间数据 格式由美国3 ds y s t e m s 公司于1 9 8 8 年开发成功，被称为s t l 文件，由于其 简单被工业界认为是目前的“准标准”。该公司1 9 8 8 年制定了一个接口协议，随 后，各商用c a d 软件包。如美国s d r c 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 g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g i i 和a u t od e s k 公司的a u t o c a da m e 等，都提 供从c a d 实体数据模型转换成快速成型技术输入数据模型的接口。 图2 - 1s t l 文件在快速原型中的作用 s t l 文件是对c a d 实体模型或曲面模型进行表面三角形面片离散化后，得 到的一种由许多小三角形面片拟合的三维多面体模型。s t l 文件格式的最大特点 是数据格式简单处理方便，而且与具体的c a d 造型系统无关任何具备s t l 文 件接口的c a d 系统，均能与目前大多数的r p 设备通讯，所以已成为大家公认 的r p 数据转换标准。图2 2 是一零件的s t l 模型。 般情况下，三角形的个数与该模型的近似程度密切相关。用来近似c a d 模型的三角形个数越多，精度越高；否则，近似程度越差。同一c a d 模型，可 以生成三角面片多达数十万个，也可以少到几百个的不同s t l 文件，只不过精 第二章s t l 模型自动诊断与修复方法的研究 度会有所不同，对后续处理的时间和难度影响很大。但有时如果所选精度太高的 话，由于c a d 曲面曲率和浮点数的影响，有时会导致产生点分离等错误。 a ) 渲染模型b ) 线框模型 图2 2s t l 模型实例 2 2s t l 模型的正确性条件 零件表面都是r 3 中的有界闭集。s t l 文件是通过对c a d 实体或者表面模 型进行三角化离散而得到的，相当于用由空间三角形构成的多面体来逼近c a d 模型。如果将s t l 文件表示的零件模型看作一个多面体，则根据欧拉公式可求 出s t l 文件中点数v 、边数e 和三角形个数，的关系。即公式为 x = f e + v = 2 ( b g 、 其中x 为欧拉示性数，b 为形体个数，一般s t l 文件个数为单个零件，故b = 1 ， ( ；表示零件表面的亏格( g e n u s ，) ，即穿透形体的空洞数。对个完备的s t l 模 型没有穿透空洞，故其欧拉公式变为 f e + v = 2 在s t l 文件中，每个三角形记录三条边，这样每条边均被该三角形和与其共享 该边的邻接三角形记录，即每条边被重复记录两次。因此，可得实际边数e 与三 角形f 的关系为： e = 1 5 f 于是进一步得出顶点与三角形个数之间的关系为 v = e f + 2 = 0 5 f + 2 由此得到，在s t l 文件中顶点数约为三角形个数的一半，边数为三角形个 数的1 5 倍。符合这个条件的才可能为正确的s t l 文件，否则肯定是错误的。同 时也可看出，在s t l 文件中存在大量的冗余信息，如果能为其引入拓扑信息， 0 上海交通大学博士后研究工作报告 每个顶点只记录次，效果会更好。 同时从文件格式分析得知，s t l 文件是一个包含许多三角形小平面数据的 文件，其中每个三角形平面都用一个法矢量和三个顶点坐标来描述，它所描述的 正确实体数据模型应该满足如下三条法则： 法则1 ：右手法则三角形平面的法矢量方向和它的三个顶点的排列顺序符 合右手法则。 也就是说，每个三角形平面的法矢量方向和其三个顶点的次序相对应，用以 区分所表示实体的内部和外部，法矢量是一个单位向量，指向实体的外部，图 2 ! 说明了法矢量方向与三角形顶点的关系。 3 2 2 1 图2 3 右手法则 法则2 ：顶点法则每相邻的两个三角形平面只能共享两个顶点。 一个三角形平面与其相邻的三角形平面有且只有一条公共边，一个三角形平 面的顶点不能落在另一个三角形平面的边上，图2 。2 为不符合顶点法则的情况。 c b e d 图2 - 4 不符合顶点法则的实例 法则3 ：边法则三角形的每一条边必须且只能由两个三角形所共有。 由于任何实体的表面均是封闭的，因此，当用许多三角形平面来逼近和描述 第二章s t l 模型自动诊断与修复方法的研究 真实实体时，也应该满足实体表面封闭的这一陛质，其任意三角形平面的边要由 两个不同的三角形平面所共有，否则，实体表面将出现裂缝、空洞、重叠表面或 悬面。 2 3s t l 模型的常见错误类型及表现形式 根据s t l 面化数据模型的正确性条件，s t l 模型的缺陷大概有以下几种： 2 3 1 法线方向 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 右手准则。然而在有些情况下，三角形平面的法矢量方向与三角形的三个顶点之 间不符合右手法则，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 述彩看，此缺陷应作修复。这种错误很容易修改，只需要重新进行一下差乘运算 就呵判别并进行修改。 由于一般软件都具有的消隐功能，因而这种错误带来的后果将使法线反转的 地方不可见，从而在快速原型时，给制作者在选择化制作方向时带来困难。 2 3 2 小缝 ( 1 ) 由于同一个顶点相分离而产生的小缝 c d e 图2 5 同一顶点f 、g 相分离，b g d f 所围区域有裂 ( 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，产生了二义性的沟( g a p ) ，这会 = 堕茎堡茎兰坚主亘堕茎三堡堡童 导致切片后沟的出现a 当制作原型时，由于这种沟的影响出现了杂散矢量，结果 误导了扫描线算法，以为这层制作的实体延伸至i p m 中。这种后果不仅损坏原 型本身，甚至破坏同一制作平台上的其它零件，如图2 - 4 所示。 a 一个带孔的圆柱零件 b 因三角形消失产生不正确的扫描 图2 - 6 三角面片一边太短造成小缝 2 3 3 孔洞 如图2 - 5 所示，由于图中所示的各边均只为一个三角形所有，因而实体在此 1 d a c 丛f d e a 1 b ( 2 ) f ( 3 ) 图2 - 空洞边界特征 g c 第二章s t l 模型自动诊断与修复方法的研究 将出现一个空洞，这是不符合实体表面封闭性原则的。图中边线旁的数字1 表示 该边只被一个三角形所共有。以下图例中的同类标识意义相同。 2 3 4 重叠 如图2 - 6 所示，由于三角形面片的三个边a b 、a c 、b c 均分属于三个三角 形所有，因而实体在此出现重叠面a c a 3 c b a 3 图2 - 8 重叠三角面片 图2 9 悬面 b 2 3 5 悬面 如图2 7 所示，由于三角形面片的一边或两边为三个三角形面片所共有，而 剩下的边却只为一个三角形所有，造成三角形面片的悬吊。这种错误一般出现在 实体的倒角处，而在实体的平坦区域出现的概率较小。 2 3 6 顶点错误 某一三角面片的顶点落在另一三角面片的边上，造成前一三角面片中的一条 边上存在两个以上的顶点，从而违背顶点法则。如图2 8 所示。其实在严格意 义上，它也是违背棱边法则的，如边a c 仅由三角形a b c 所有，a e 仅由三角形 a e d 所有，e c 仅由三角e c d 所有。这类错误对后续切片也不会产生影响。 如果把a e c 看成一个畸变的三角形的话，a e 、e c 、c a 三条边都只被一个 三角形所拥有，顶点错误其实是一种比较隐蔽的空洞错误。由于它的修补算法与 空洞的修补算法完全一样，因此可以把这种错误归并到空洞的修补中去。 a d b 图2 一1 0 顶点错误 c 上海交通大学博士后研究工作报告 2 48 t l 文件错误产生的原因分析 2 4 1 快速原型对输入文件的要求 r p m 所需的输入数据应该满足以下要求： ( 1 ) 轮廓数据应该正确，不应该发生诸如几何信息丢失、畸变、蜕化等非 正常现象。 ( 2 ) 轮廓数据应尽可能精确。处理过程中，由于硬件本身和浮点运算精度 的限制，完全做到没有误差是不可能的，这就需要从计算精度和算法 方面入手加以改进。 ( 3 ) r p