快速成型CAD模型直接切片.doc

快速成型CAD模型直接切片摘要 D系统的的立体光刻文件格式是一个很好的主力的快速原型（RP）行业。它支持所有主要的计算机辅助设计（CAD）和RP制造商，现在存在一个选择的第三方软件支持这种事实上的标准，并有助于使其更好地工作。然而，输入到RP系统有时是最适合的格式的切片轮廓。这些可以从三维CAD模型或通过反向工程技术，如激光扫描和坐标测量机生产。其他来源包括计算机断层扫描和磁共振成像扫描。简单的介绍一下上面的方法，列出自己的优点和缺点。标识在其中的切片数据的几种方法可以用来驱动RP工艺。最后，详细介绍了一种方法用于开发商业CAD系统的直接自适应切片机。介绍快速成型（RP）制造商主要关注的是生产和销售机器。然而，为了出售将RP作为一个完全集成系统出售，直接输入3D计算机辅助设计（CAD）模型是必要的。因为CAD系统的增殖和支持一个特殊CAD软件不止一次的释放的复杂性，已经引起了问题。设计一个针对曲面或实体模型（曲面细分）映射三角形网格的方法，可以提供从CAD到RP简单通用输入的可能。这方法由多个RP制造商采用。但是，很快限制变得明显。生产圆柱形和高度弯曲的物体的厂家很快就开始要求RP利用能从他们的CAD 模型生产的切片轮廓。另外，以空间中的各种点的形式的切片数据是由医疗产工业和激光坐标测量 机（CMM）的逆向工程产生的。这种情况似乎正在走向根据用户需要进行多种选择的输入。然而，目前存在新产品定义软件标准的可能性可能有助于统一部分的输入样式。曲面细分 图1显示了曲面细分的原则。这涉及到一个近似平面三角面的“地毯”的三维形状。许多 CAD系统已经实现3D Systems公司立体光刻（STL）文件格式1，其已经成为事实上的标准。使用这种方法，“精确度”或偏移参数是由设计者输入。这是在一个三角形的平面和它逼近的表面之间可以接受的弦错误。此值与立方体没有任何的关联性，它是由平的表面和 曲面细分这样的概念组成的，因为文件转移到RP是相当有效的。 然而，球体演示频谱的另一端 ，其中一个高准确度的要求将导致非常大的数据文件。实际上，当然，大多数设计将适合这两个例子与方法之间使用诸如分割一个模型转换成单独件，以便保持文件大小下来。 改变弦的准确性。 克服曲面细分问题。 建立多个模型与它们之间的细微差别的灵活性。第一点是很重要的，因为它很容易创建非常大的曲面细分文件。到目前为止笔者遇到的最坏的情况是 从4.5byte的CAD文件产生的55Mb的STL（ASCII）。压缩工具如 “pkzip”可以大大减少存储和转让这些文件，但最终的文件必须切片，这种大小的文件因为执行这种功能已经占用了八个小时。这并没有提高“快速”的概念， 原型由贾米森所讨论2。拆分的CAD模型转换部分允许设计师通过确保这些重要的特征是精分的面将文件的大小降至三角形的可控数目。然而，应该指出的是曲面细分具有可接受的精确度的模型也可能会产生误导。曲面细分文件的偏差错误不能保证是该片段的最大错误。当一个面或小面倾向于RP的构建方向过程中，错误可能是多次的偏差错误。 复杂的模型难以通过一些CAD转换器转移。这特别适用于某些表面建模。但是，设计者可以通过分裂复杂的CAD模型更容易转换为更小的稍后可附加到一个单一的文件中。不幸的是，并非所有的RP厂商可以追加STL文件切片和它们作为一个单一的文件3。曲面细分的优点包括以下内容：它提供了较简单的方法表示3D CAD数据。 已经有一个事实上的标准，大多数CAD和RP系统支持。 对于某些形状，它可以提供小和准确的文件进行数据传输。曲面细分的缺点包括以下内容：它创建的文件比 一个给定精确参数的原始的CAD数据文件大许多倍。STL文件具有很高的冗余度，因为每个三角形在文件的单独记录和共享坐标被复制。CAD系统内的STL翻译的变化和一致性质量是一个问题，尤其是对于RP部分。这已经引起了“修软件“，延长了生产周期时间。大型STL文件的后续分片花费很长时间，除了可以切片的RP，而他们在建设上一层，这是关于时间严重花费的所谓快速成型技术。有时，设计师将无法通过STL得到CAD模型接口，导致重塑。如上所述，STL文件的问题已经给上升到了一些软件包，其中，从中立的数据如IGES格式和 VDA4-6有效产生可行的STL和其他文件。还有其他细分算法 它具有较少的冗余和更有效，如肘关节突列表（CFL）格式7。这些问题是他们在主要CAD系统中不容易获得的，而且即使它们获得，选择的RP系统可能无法读取这种格式。此外，无论怎样 高效的曲面细分文件，最终它需要进行切片生产RP过程中遵循的边界轮廓。直接切片另一种使用一个中间曲面细分文件是直接切片CAD模型将得到的轮廓转移到RP过程。为什么使用直接切片？ RP模型是现在普遍使用的各种各样的应用，包括设计验证，冷流测试和直接铸造应用程序。在大多数情况下，原始CAD模型已经准确地生成作为固体或表面模型。它被认为是 战略重要性，许多设计师认为该模型的完整性贯穿从概念到最终产品的过程。如果RP模型只被用于可视化设计，设计师将用与实物近似的CAD模型表示。然而，在工程应用上正在越来越多地使用RP模型，加上与模型的总体要求完整，一个更令人满意的定义RP数据的方法是必需的。这种方法必须克服上面列出的曲面细分的缺点。对于一个特定组的RP用户，这些对于生产大型，多圆筒形，成形，需要直接切片的关注是紧迫的。他们遭会遇到大型曲面细分文件的不利，这需要很长的时间切片。此外，该机型的手工抛光可以是冗长的，以获得光滑的表面。使用直接切片有许多原因，主要涉及到的使用曲面细分的缺点：减少文件的大小（过面的模型）; 更高的模型精度; 降低RP机器预处理时间; 消除修复程序（这是一个“未知”，因为他们可以很容易减损模型的准确性，甚至从模型中删除特征）。然而，直接切片也有潜在的缺点，其中包括以下：支持不能很容易地添加到嵌套部分。 不能重新定位模型。 光束补偿和偏移量仍需要处理。 需要更多的设计师知识。可以说，大部分的缺点其实有一个好处。取向决定由设计师，以作者的观点，一个好东西需要更多的对话和认识过程。在结束时，如果它们是实现该技术的全部潜力设计师必须为RP而不是为常规制造设计。这只能通过理解这些参数来实现，这些参数为：优化构建方向的准确性; 优化构建方向的最低支持; 优化构建方向的最低费用; 最佳的构建方向的关键特性的准确性 ; 最佳树脂/粉利用。服务机构不可能会同意，但他们有不同的考虑，即竞争力和吞吐量。他们需要最小阻力的线路。从长远来看，虽然，该行业从提高设计师的知识中获益，设计师要知道什么是可能的以及如何获得最好的特定设计。切片CAD数据这一直相对比较简单。但是，也有需要克服的问题，特别是表面模型，其中一个片通常由一系列的线、弧线和曲线组成。 这些可能不是连续的，差距可能会导致问题，这些问题可必要修复（或填充）例程，可能减损零件精度。这一套曲线则需要进行清理和转换以由特定的RP系统利用切片格式。然而，更有益的是使用一种技术，该技术将CAD模型直接切片为正确的格式。这种方法已经被CENIT采用，德国软件公司已生产出直接切片CATIA模型的软件8。目前市场上的每个CAD系统都可遵循这种方法。但是，硬件平台，操作系统和持续的CAD演变（新版本通常按年计算）在这个时候对于工业来说太庞大而不能在商业上支持。作为替代，用户可以写自己的机器的驱动程序。这是机主仅有的选项。 Materialise采取了这种方法4。它生产一系列的软件，该软件不仅可以以不同的格式创建的切片数据，也可以实现它们之间的转换。以这种方式，制造商数据可从一个更可以理解的格式生成，如公共层界面（CLI）9。其他用户最近的评论指示Materialise的是不是一个人在写自己的机器的驱动程序。最近的两项研究表明，自适应分层实际上可以提高精确度同时减少片数。这需要意识所需的精度和将切片集中在一些重要区域的能力，如高度弯曲的区域。与此同时，区域的恒定截面，形状即没有变化，对于给定的建设方向也不会受一个较厚的切片的影响。在所有切片例程检测向上和朝下的平坦区域是很重要的。关于讨论这一点，在尖端高度的影响与自适应和固定间隔的切片的相对数据通过Dolenc和MAKELA10和Suh和Wozny给出11。切片的力学和自适应分层的实体模型以后讨论。利用一个公认的标准惠普图形语言（HPGL）是一个公认的绘图仪驱动程序的标准。许多CAD软件包支持的标准，这事实已经被RP制造商Fockele和Schwarze（FS）和D-MEC利用。FS方法是在文件上概述 “新方法和快速原型的尺寸”12。这种方法，从一个设计师的角度来看，将是自动化的切片程序，其生成切片，调用绘图例程产生一个绘图机输出文件，然后循环回去以重复该过程。这可能是使用宏或一个简单的程序自动化。一个缺点是，这些文件将不被追加，可能留下数百个小文件需要被给定逻辑名然后转移。此外，所有在CAD系统中生成的支持结构和切片中的方式相同。参数如激光光斑校被施加在FS软件中。该标准产品的交换数据（步骤）是一个ISO标准（ISO 10303），在这个标准的工作开始 于1984年7月。STEP的第一部分是由于已经得到了完全的国际认可准备于1994年下半年发布。STEP都有许多主要的CAD厂商。一个有用的介绍STEP由Owen13给出。其中由快速成型欧洲行动（EARP）倡议成立是研究以目前的RP系统将STEP作为一种数据交换工具14。 RP厂商都征询他们数据交换和几点的意见提出了：由于为RP厂商支持独有的格式它可以是昂贵的。 任何更换的STL格式应更简洁，包括拓扑信息。 RP机厂商或者正在筹划或已经能够接受切片格式。这项研究还确定了使用STEP来表示这两个层面的切片数据可能的方法。利用通过医学扫描获得的平面数据切片不是新的医疗行业。计算机断层扫描（CT）和磁磁共振成像（MRI）扫描仪定期用来帮助实现内部条件的可视化。该技术以平面形式产生大量数据。许多现在的公司专门处理这些数据。在日本中井和丸谷15开发了一种技术，它从重建三维数据MRI，CT或混合物，或两者兼而有之，由围绕数据径向利用的三阶样条方法进行插值。然后这些数据直接切片输入到固体物紫外激光绘图仪（SOUP/ RP）系统。在欧洲，Materialise还开发软件，它允许在立体平板印刷系统产生扫描数据4。在美国，至少一个主要的CAD厂商，鹰图，是市场营销软件既可视化和生产CT扫描的IGES数据16。这可以再被读入一CAD系统。利用通过反向工程技术获得的数据坐标测量机已经在多种场合用来检查最后形式。这些机器的输出常写入到一个文件中，然后和CAD数据生成一个类似的文件进行比较。然后容易突显尺寸误差。这些相同的文件可以用来产生样条曲线和曲线，它们又用于在CAD中生成一个表面模型。这个简单的步骤要么生成STL文件，或利用一个常规直接切片。最近，激光扫描仪被用来测量物体。 EOSCAN通过EOS（电子光学系统）有限公司17 使用莫尔条纹技术。边缘图案对应于高度轮廓，并通过图像处理和激光三角测量的方法，那么绝对坐标是可以测量的。Cyber_Site欧洲出售一部3D数字化仪，捕捉复杂的图像和可以逆转工程生成若干不同的软件包。它的软件被用于人体头部数字化，以协助制作个人头盔18。CAD数据直接切片 - 克兰菲尔德方法在克兰菲尔德大学（CU），使用各种CAD软件包括Parasolid。Parasolid是实体建模内核Unigraphics，可以直接由一个访问语言如C访问其底层程序。以这种方式使用软件调用很容易实现固体切片。最初，它的目的是将Parasolid片转换为：CLI; HPGL;和 SLC（3D系统轮廓算法）。EOS GmbH是德国的RP机生产厂家，担任合伙人，CLI格式是从CU数据制造部分的一项协议一起获得的。 Fockele和Schwarze也帮助概述了他们的处理过程的HPGL数据。3D Systems公司（美国）比较难处理，虽然SLC的格式现已有售，其可用性是目前 “记录”，以及个人必须直接适用他们的理所当然的代码，。在这项工作期间，但是，上述的是不可能的，所以只有使用CLI和HPGL格式。虽然HPGL支持圆弧和直线，CLI当前版本只允许直折线这立即破坏直接切片的“感知”的优点之一，即不能使用面曲线表示。Parasolid的边界表示Parasolid是一个边界表示（B-REP）固体建模。在 b-rep建模器，所述固体通过其确定主体之间的边界的表面描述，并且空隙包围着它。在Parasolid的b-rep体是由它的面，边描述，如图3所示。面是主要描述性元素为主体。面是由一个逆时针回路限定。只要一个面上带着一个连接边缘，边缘具有飞边。边缘有曲线作为其基本的几何形状。飞边在连接侧面上可以考虑作为边缘。一种特殊的个体，这是在这里提，因为它在这个工作的意义，是片状固体。一种片状固体是具有零厚度，如图所示4。它由边缘中的至少一个封闭环与两个面连接。两面有相同的几何形状，但不同面的法线，以使一个面可以说是对任一侧的片状材料。在片状的每一孔需要的边缘的附加循环包围它。发生在b-rep建模的问题是所谓的“非歧管主体”。在b-rep模型，本体不能被允许与自身相交，甚至在一个点或一条线接触自身。该机构这样做是所谓的非流形。Parasolid不允许这样。但是，这种状态可很容易意外实现。考虑一块有一个孔，如在图5中所示，当该块被切成两块由一平面相切于孔，其中孔会触及自身在部分线路平面的部分。这是非法的，切片不会发生。这种情况可以发生在这项工作中使用的切片过程，因为它是基于切片固体。该实体在Parasolid不是顶级数据的项目。连同其他实体可以组合在一起装配。这种能力被切片程序使用并将若干部分组合在一起。直接切片的实施几个程序可以用来分割一个固体。用在CU的部分用平面切固体，列出期间创建的表面切片，作为第一步，从面孔创建片固体。循环和散热片这些表示后来追究其几何构建输出文件。切片算法开始于询问有关部分的最高和最低点。切片方向为Z方向，所以顶部是最高的，底部是最低统筹的部分。这部分的切片通过连续地调用切片函数和把该标签切片一同进行组装来实现。一个可选的自适应分层过程列入该计划。当部分切面不在一个大的间隔变换，该层的厚度增大到最大，考虑作为一个层厚度输入参数。如果自适应分层选项不可选中此参数被忽略。当一截面采取的标准层厚度与前部分具有相同的几何形状就会被忽略，而尝试在切片的最大层厚度处截面。如果在最大层厚度处截面是等于前一个它就会被添加到片状固体板的集合。如果不相等，则切片发生在标准层厚度和最大层的厚度之间，以产生一个中间部分。如果中间部分是等于前段，在中段和最大层厚度之间取一半截面并检查是否相等。如果不相等，在中间和标准层厚度之间取一半。前两次之间的减半过程段持续到两个部分之间的差比一定设置源代码的公差值低。这个过程后，等于前一个的最高截面被添加到片状固体的组装。这听起来可能非常乏味，但你必须牢记的是，通过层差不断除以二，它变得非常小非常快。在只有十次迭代的差异减小到 其初始值的千分之一以后。当选择自适应分层选项时，需要一个附加功能来比较两切片。这是通过翻译的副本新创建的切片到前片的高度并进行两相比较。比较必须通过边对边进行，其中一个切片的每一个边缘要与其他切片的每个边缘比较，直到建立等边。试图比较面是不可能的，这将保证会有更快的方法。没有Parasolid的直接方式来比较面这种应用中的可能是比较的面的基本几何体仅由未结合的平面组成。如前所述（参见图5），非流形可发生体切片操作过程中。如果这个在切片过程中发生，建模者使用回滚设施在切片前设置回其原来状态，坐标切片少量减少，切片部分，和所得片是由同一量向上换算。距离当前设置为0.001毫米但可以在源代码中被改变。一旦结果仍是非流形，减小切片高度的过程会被重复，直到可以得到流形结果。通用层接口的使用如前面所讨论的，输出格式实现是CLI。它已被发展为 BRITE-EURAM项目的一部分快速成型技术9。命令行格式旨在作为一个独立于供应商的格式层层制造技术。在这种格式中，一个部分是由连续描述层建立的。CLI的文件可以在二进制或ASCII格式应用。只有ASCII码格式已经在这项工作中得到实现。该文件的几何部分按升序排序在图层组织。每一层是由一层命令开始，同时给出该层高度。所述层包括一系列的几何命令。第一层是一种“盲层”，它不包括任何几何部分。它仅包括提供关于在最低点部分的信息，因为该层的高度就是顶层。CLI格式只具有使切片的轮廓产生折线的能力。这已被视为一个主要的缺点，因为直接切片的巨大优势之一是可以得到真实的，常弯曲，轮廓部分。通过减少曲线直线段，胜过STL文件格式的优势会丢失。但是，由于被认为早期（参见图2）时，由于直接切片和CLI的组合不超过预期误差的置信度仍然会更大。多段线是封闭的，这意味着它们具有独特的意义，顺时针或逆时针方向。这个指向用来在CLI格式陈述一个折线是否在外部分或部件上一个孔的周围。逆时针折线环绕部件，而顺时针折线环绕孔。这使得梁正确的方向偏移。注意Parasolid的飞边方向的相似性。在这两种情况下一部分是“向左”的实体。关于折线是外部还是内部的信息也在给定的折线语句明确地给出，其中指向标志用于状表述向。在CLI格式中的第二个几何实体是剖面线用来区分部件的内侧和外侧。由于这信息已经存在于折线的该方向上，并且剖面线占据了相当大的文件空间，剖面线都没有包括在这个程序的输出。测试为了保证程序的可用性，要进行大量试验。切片程序使用几种不同的部件进行了测试。部件被切片，然后显示在Parasolid的浏览器，以确保他们是正确的。零部件测试的特征包括：零件的水平孔（图5），确保切片精确地发