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所有RP方法都是由CAD模型来直接驱动 CAD模型必须处理成RP系统所能接受的数据格式并进行切片处理 数据的充分准备 对数据进行有效处理 直接决定原型制作最前端的误差大小 影响原型制作的效率 最终质量和成型精度 CAD三维模型的构建方法 STL文件数据文件及处理 三维模型的切片处理 主要内容 一 CAD三维模型的构建方法 概念设计 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 定义 根据产品要求或二维图样利用CAD软件进行产品的三维设计 概念 2D图样 3DCAD软件 产品3D模型 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 常用CAD CAM软件介绍 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 常用CAD CAM软件介绍 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 常用CAD CAM软件介绍 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 常用CAD CAM软件介绍 常用CAD CAM软件介绍 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 CATIA软件CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD CAM软件 目前在中国由IBM公司代理销售 CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机 汽车 轮船等设计领域享有很高的声誉 CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求 比如其特有的高次Bezier曲线曲面功能 次数能达到15 能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 常用CAD CAM软件介绍 Cimatron软件CimatronCAD CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD CAM PDM产品 是较早在微机平台上实现三维CAD CAM全功能的系统 该系统提供了比较灵活的用户界面 优良的三维造型 工程绘图 全面的数控加工 各种通用 专用数据接口以及集成化的产品数据管理 CimatronCAD CAM系统自从80年代进入市场以来 在国际上的模具制造业备受欢迎 近年来 Cimatron公司为了在设计制造领域发展 着力增加了许多适合设计的功能模块 每年都有新版本推出 市场销售份额增长很快 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 1 概念设计 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 定义 与将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称 样件 扫描机 产品3D模型 数据处理软件 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 广义的产品 反求工程 包括 形状 几何 反求 工艺反求和材料反求等诸多方面 是一个复杂的系统工程 目前 国内外大多数有关 反求工程 的研究都集中在几何形状 重建产品实物的CAD模型方面 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 反求工程可分为如下几步 1 数据获取 利用各种接触式或非接触式数据获取设备 按照某种规则进行数据获取 并以某种格式存入计算机 2 数据处理 获得的数据为数据点云 需进行拟合 精简等处理 3 分块及曲面拟合 对大量散乱数据按某种规则进行分块处理 分别进行曲面拟合 并进行曲面延拓 拼接等操作 形成复杂曲面 4 CAD建模 对产生的曲面进行误差检验 光顺处理后 进行拉伸 旋转 缝合 切割实体 实体之间的交 并 差运算等获得满意的实体模型 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 逆向工程数据采集设备 磁共振扫描机 MagneticResonanceImaging MRI 三坐标测量机 CoordinateMeasuringMachine CMM 激光扫描机 LaserScanner 零件断层扫描机 CrossSectionScanner CT扫描机 ComputerTomography CT 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 案例1 SurveyorLaserProbeOptionforFaroArms 一 CAD三维模型的构建方法 2 反求工程 案例2 Realtime3Dgeometryvideoscanner 二 STL数据文件及处理 STL文件由3DSystems公司开发使用三角形面片来表示三维实体模型现已成为CAD CAM系统接口文件格式的工业标准之一 绝大多数造型系统能支持并生成此种格式文件 二 STL数据文件及处理 1 STL文件格式 STL文件包含了许多三角形小平面的数据每个小三角形面都用一个法向矢量n和三个顶点来描述 法向矢量n和顶点都由三维坐标表示 若某一个顶点是N个三角形面片的公共顶点 它就要被记录N次 二 STL数据文件及处理 STL文件定义 1 STL文件格式 二 STL数据文件及处理 1 STL文件格式 STL文件一般有两种格式 输出形式 ASCII格式 二进制格式 ASCII输出形式 可以阅读并能进行直观检查二进制输出形式 数据量要比ASCII的小很多 目前绝大多数STL文件都采用二进制格式 二 STL数据文件及处理 1 STL文件格式 二 STL数据文件及处理 2 STL文件精度 小三角形数量的多少直接影响近似逼近的精度 小三角形越多 精度越高 过高的精度要求不必要 原因 超出RP系统的精度指标 增加切片处理时间 在截面轮廓上产生的小线段不利于激光头扫描运动 二 STL数据文件及处理 2 STL文件精度 用CAD软件输出STL文件 采用的精度指标应综合考虑 模型复杂程度 RP精度要求的高低 二 STL数据文件及处理 3 STL文件基本规则 a 取向规则每一个小三角形平面的法向量必须向外 3个顶点连成的矢量方向按右手法则确定 而且 对于相邻的小三角形平面 不能出现取向矛盾 二 STL数据文件及处理 3 STL文件基本规则 b 共顶点规则每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点 即一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个三角形平面的边上 二 STL数据文件及处理 3 STL文件基本规则 c 合法实体规则在三维模型的所有表面上 必须布满小三角形平面 不得有任何遗漏 二 STL数据文件及处理 4 常见的STL文件错误 法向错误三角形平面的法矢方向与三角形顶点之间不符合右手法则 由于实体表面具有连续性 因此在后续切片处理中 三角形平面的法矢指向错误不影响切片的进行 二 STL数据文件及处理 某三角形的一个顶点落在另一个三角形的边上三角形顶点不符合顶点法则 将三角形BCD删除 并增加两个三角形ABC和ACD 其法矢方向与 BCD相同 其顶点排列次序应根据法矢方向和右手法则自动确定 4 常见的STL文件错误 二 STL数据文件及处理 同一个顶点相分离CAD实体数据模型向STL三角形面化数据模型转换时 出现同一个顶点分离成两个或几个顶点的现象 原因 CAD造型系统本身的浮点运算精度 STL模型转换精度等影响虽然这些分离了的顶点之间的距离还是相当近 但将导致与这些分离点相连的某些三角形边出现不符合法则等缺陷 4 常见的STL文件错误 二 STL数据文件及处理 由于顶点A和B或A B和M相分离 导致三角形边AF AC BC BF或边BN MN和CM只属于一个三角形 实体在此顶点处出现裂缝 不符合实体的封闭性原则 4 常见的STL文件错误 同一个顶点相分离 二 STL数据文件及处理 4 常见的STL文件错误 不正确的相交和自相交不同面片在空间内相交是不正确的相交 肯定造成歧义 是较严重的错误 二 STL数据文件及处理 4 常见的STL文件错误 微小特征遗漏或出错当三维CAD模型上有非常小的特征结构 如很窄的缝隙 肋条或很小的凸起等 时 可能难于在其上布置足够数目的三角形 致使这些特征结构遗漏或形状出错 或者在后续的切片处理时出现错误 混乱 二 STL数据文件及处理 5 STL文件的修复 CAD模型在计算机屏幕上可能显示得较完善 当将其转换成STL数据模型后 把STL数据显示出来 可能同样看不出任何问题 但微小的缺陷就会使后续的切片乃至加工过程出现错误 二 STL数据文件及处理 5 STL文件的修复 CAD图形显示 小三角形是否连接并不重要STL文件 小三角形是否连接很重要例如 有一处出现两个相邻的三角形不相连 此处的三维实体就没有定义 反映到切片程序上就是错误信息 模型越复杂 曲面就越多 就越可能带有不相连的三角形 切片难度也就会随之越大 二 STL数据文件及处理 上述问题 通常出现在CAD到STL转换过程中 需要有软件来诊断与修复STL文件 5 STL文件的修复 专用软件 比利时Materialise公司 Magics美国SolidConcept公司 SolidView美国PoGo公司 STLManager 二 STL数据文件及处理 5 STL文件的修复 MagicsSTLExpert2 0 二 STL数据文件及处理 6 STL文件的输出 二 STL数据文件及处理 6 STL文件的输出 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 因某种需要或受工作台尺寸限制 需将一个STL模型分为几个STL模型 而后依次加工 再将加工后的工件粘合还原为原型产品 拼接 是使多个STL模型在工作台中一次成型 提高加工效率 降低成型费用 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 基本原理 将一个STL文件分成多个新STL文件 即用多个面将一个STL模型分成若干个部分 每部分重新构成一个STL模型 每个新STL文件对应一个新生成的STL模型 分割 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 步骤 1 读入一个STL文件 在计算机中显示出待分割的原STL模型 2 建立n个文件File1 File2 Filen 分别保存STL模型被切割后的n个部分 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 步骤 3 进行切片处理 得到多个截面轮廓线 将STL模型与平面求交 得出平面内的交线 再经过数据处理生成截面轮廓线 切片平面切到一条边上 切片截面上的某条封闭轮廓线变成一条线段 切片平面切到一个顶点上 截面上的某条封闭轮廓线变成一点 采取切片高度摄动法 即向上或向下移动一个极小的位移量 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 步骤 4 截面轮廓三角形网格化处理 将三角形网格中的三角形数据保存于文件File1 File2 Filen 切片后的轮廓封闭线由若干个封闭的有向内外环构成 为保证轮廓截面是新STL模型的一部分 必须将其进行三角形面化处理 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 步骤 5 一个三角形转化为多个三角形 新生成的三角形数据按一定的规则保存入文件File1 File2 Filen中的某一个 切片时 STL模型与切片平面相交 许多三角形被切片平面分成两部分 一部分为三角形 另一部分可能为三角形也可能为四边形 将上述平面四边形的对角线相连可形成两个新的三角形 这些新生成的三角形构成了新STL模型不可缺少的一部分 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 分割 步骤 6 将文件File1 File2 Filen转化为标准的STL文件分别保存 生成多个STL文件 相应地得到多个新STL模型 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 实例1 分割 实例2 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 原理 将STL模型通过旋转 平移在不发生干涉的条件下 将各模型的顶点链表 边表 面表合并 最终存储在一个STL模型文件中 拼接 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 拼接 步骤 1 读入多个STL文件 在计算机中显示出多个要拼接的原STL模型 2 建立一个数据文件File 用于保存原STL模型被拼接后形成的新STL模型的数据 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 拼接 步骤 3 平移变换 若对一个原STL模型A平移 平移向量为 S Xi Yj Zk 相应的平移变换矩阵为 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 拼接 步骤 4 旋转变换 若模型A相对X轴 Y轴 Z轴旋转角分别为 相应的旋转变换矩阵为 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 拼接 步骤 5 同理 按 3 4 步骤可对其他的STL模型进行变换 最后把没有实施几何变换的模型的数据也存于File中 将文件File转化为标准的STL文件 二 STL数据文件及处理 7 STL文件的分割与拼接 拼接 实例 三 三维模型的切片处理 快速成形是基于离散 堆积成形原理的成形方法 无论是离散还是堆积都与层面处理有关 分层技术 切片处理 是RP的核心技术 将三维CAD实体模型分切成许多层片 平面的或曲面的层片 然后将每一层片再进一步离散成线 进而将线离散成点 以层面为单位 将点 线按确定的顺序堆积成面 重复此种操作又获得一个层面并叠加到已成形的面上 如此层面叠加而获得一个三维的实体 三 三维模型的切片处理 1 切片方法 STL切片 CAD模型的直接切片 定层厚切片 自适应切片 三 三维模型的切片处理 1 切片方法 台阶误差是快速成形工艺的原理性误差 从根本上讲是不可避免的 降低分层厚度可以减小台阶效应的影响 分层厚度直接影响着加工效率 而且各种快速成形方法的层厚都有一定的极限 因此依靠降低层厚来提高造型精度是有一定限制的 a STL切片 三 三维模型的切片处理 适应性切片 以不同的层厚对零件模型进行分层 层片的厚度随着零件表面的儿何特征变化 一般来说当零件表面曲率大时 层片采用较小的层厚 以提高表面精度 当零件表面曲率小时 采用用户给定的最大层厚进行分层 以减少层片数目 提高加工效率 1 切片方法 a STL切片 三 三维模型的切片处理 自适应分层可以减小台阶效应 获得更好的表面质量 1 切片方法 a STL切片 三 三维模型的切片处理 1 切片方法 a STL切片 自适应分层实例及分析 太极球由两个完全相等的部分组成 它们是一个马鞍型空间曲面剖切圆球而形成 如果成形过程中三轴方向精度相同 则两部分能完好地吻合成一个球体 定层厚切片的层厚为1mm 适应性切片的最大层厚为2mm 最小层厚为0 2mm 适应性切片在保持成形效率的同时 有效地减小了台阶误差 提高了零件的成形精度 三 三维模型的切片处理 采用自适应分层后 在相同的成形精度下 层数下降到等厚分层层数的25 以内 成形速度提高了50 左右 1 切片方法 a STL切片 分层厚度不变 不同轮廓偏差比率下 三 三维模型的切片处理 1 切片方法 b CAD模型的直接切片 STL作为RP标准数据转换格式 有其不可替代的优势 但也有很多缺点 如精度损失 数据冗余 不