快速成型技术的数据处理

本章的目标是掌握快速原型技术的数据处理流程，快速原型技术的数据处理软件掌握数据处理软件分层处理的原理，第四章快速原型技术的数据处理，1、快速原型产品的制作支持三维模型来自CAD软件和反向工程的三维模型数据保存在快速成型系统所接受的数据格式中，通过在快速成型前进行层叠方向的分层处理，大量的数据准备和处理工作对快速成型是不可或缺的且重要的4.1数据处理流、快速成形技术的通用数据处理流将由CAD系统和逆工程得到的三维模型以快速成形分层软件接受的数据形式存储，并使用分层软件对该模型进行STL 进行分层处理等操作，生成模型各级的扫描信息，最后以快速原型设备接受的数据形式输出给相应的快速原型设备。 快速成型数据处理是基于三维CAD模型和其他数据模型，使用分层处理软件将模型离散化成截面数据，并发送到快速成型系统的过程，其基本流程是：处理2，4.2数据源，1 .三维最常见的数据处理方法是将所构建的CAD实体模型转换为三角网格模型(STL文件)，并分层获得加工路径。 由于目前主流的快速成型系统是基于STL文件加工的，因此商业CAD软件一般具有输出STL文件的功能模块。 2 .逆向工程数字化现有实物，使用逆向工程测量仪器收集实物表面信息，形成物体表面的点云数据，并根据这些数据建立实物的三维模型。 反向工程的数据处理方法中，有对对数据点进行三角化，生成STL文件，进行阶层化处理的方法的另一个方法是在对数据点直接进行阶层化处理。 3，4.3数据接口格式，快速成形系统本身不具备三维建模功能，为了获得物体的三维数据，快速成形系统通常使用商用CAD软件，而不同的CAD软件描述几何模型的数据格式不同因此，作为CAD软件和快速成形系统之间的标准接口，其需要由快速成形系统来接收和处理，并从大部分市售的CAD软件产生的中间数据格式。 目前，快速成型行业最常用的三种数据接口格式是三维补片模型格式、CAD维度数据格式和二维切片数据格式。 4、4.3.13d片模型形式和3d片模型形式的原理是使用许多小三角片来近似自由曲面。 常用的三维贴片模型形式有STL形式和CFL形式。 其中，美国三维系统公司开发的STL文件格式是为了快速成形技术开发的数据格式，被很多快速成形系统所接受，是快速成形行业使用最多的数据格式，现在是快速成形技术。 STL格式的文件是三维CAD模型的表面三角形网格，普通的三维模型、STL三维片模型、5、1.STL文件的结构，STL是源CAD模型的曲面近似于多个小三角形平面的数据模型，该文件格式是CAD模型的STL文件是多个三角形片的集合，数据结构非常简单，与CAD系统无关。 STL文件中的每个三角形片由三角形顶点坐标和三角形片的外部法线向量表示。6，2.stl文件的形式，STL文件有文本(ASCII )和二进制(二进制)的形式。(1)文本(ASCII )格式在此格式中，三角形片信息单元的多面(三角形的三个顶点坐标)和三角形片指向实体外部的法向量坐标由四个数据项表示。 变更格式的特征可以容易手动识别和变更，但该格式的文件占有面积太大，现在只用于调试器。 ASCII格式的语法为： solid name _ of _ object (指示整个STL文件的第一行文件路径和文件名) facetnormalxyz(facetnormal是三角形片指向实体外部的法线向量坐标) outerloop(outerloop描述三角形片的三个顶点坐标) vertexxyz(3 (在三个顶点指向实体外侧的法线向量方向上逆时针排列) vertexxyzberexxyzendloodfac et (在STL文件中， 各小面由上述7行数据构成) facetnormalyzouterloopvertexxyzvertexxyzverenddloopenddendstedsolidnameofobject， 7、(2)二进制格式、二进制格式以固定字节数记录三角片的几何信息，文件的开头84字节是头文件，记录文件名各三角形片的几何信息各记录一个，各三角形片占用固定的50字节。 二进制格式的语法为#ofbytesdescription80相关文档，作者名称和注释信息4小三角形平面的数量facet 14 flotnormalx4float normally4flotnormalz 4 float vertex1x4 float vertex1y4float vertex1z (上面的三字节浮点表示顶点1的坐标)4flo atvertex 2x4 float vertex 2y4float vertex2z (上面的三字节浮点表示顶点2的坐标4 float vertex3x4 float vertex 3y4float vertex3z (上面的三字节浮点表示顶点3的坐标) 2未使用(构成表示三角化属性信息的50字节) 8，STL文件格式比较简单，只能描述物体的几何信息，颜色妈妈由于三维模型为表面三角形网格后会形成多面体状，因此需要合理设置输出STL格式时的参数值以改善成型质量。 一般而言，从CAD软件输出STL文件时，建议将参数值(如“弦高度”、“偏差”和“角度公差”)设定为0.01或0.02。 在9、3.STL文件规范中，STL文件必须遵守特定规范，以确保三角形片所表示的模型实体的唯一性。 否则，这个STL文件错了。 具体的规格如下。 1 )方向原则STL文件的三角形补丁全部由三边构成，有方向性。 三边逆时针方向由右手定律决定面的法线向量，该法线向量指向记述的图元表面的外侧。 相邻三角形的方向不能产生矛盾。 正确，错误，10，2 )公共顶点规则，相邻的两个三角形片只能共享两个顶点，即，片的顶点不能落入相邻三角形片的任一边。 为了取得正确、错误、11，3 )值规则，STL文件中的所有顶点坐标必须为正，即STL模型必须在第一象限内。 现在，大多数CAD/CAM软件都可以在任何位置生成STL文件，但如果使用AutoCAD，则还必须遵守此规则。 4 )必须满足规则，STL模型的所有表面都必须充满三角形片，不能泄漏，没有裂缝和孔。12、4、STL文件的精度、自由曲面的三角片近似、STL文件是三角网络化三维实体模型的数据文件，将实体表面离散化成多个三角片，并通过这些三角片近似于理想的三维实体模型。 近似的精度通常由曲面到三角形平面的距离误差控制，或由曲面到三角形边的弦台阶控制。 误差越小，所需的三角形片的数量越多，所形成的三维实体越接近理想实体的形状。 但是，精度的提高在增加STL文件的同时，分层处理的时间显着增加，有时在截面的轮廓上产生许多小的直线段，不利于轮廓的扫描运动，表面不光滑，成形效率降低。因此，从CAD软件输出STL文件时，必须根据CAD模型的复杂性和快速成型精度要求的高低来综合考虑所选的精度指标和控制参数。 5.STL文件的优点，(1)文件生成简单。 大多数CAD软件具有输出STL文件的功能，同时还可以控制输出的精度。 (2)适用对象广泛。 大多数3d模型都可以通过曲面三角网格生成STL文件。 (3)分层算法简单。 STL文件的数据结构简单，分层算法也相对简单。 (4)模型容易分割。 如果零件很大，很难用成型机一次成型，需要将零件模型分割成多个小部分来单独制造，但是分割STL模型比较简单。 (5)接口通用性好。 几乎已被所有的快速原型设备接受，已成为业界公认的快速原型数据界面标准. 15、6.STL文件的限制，(1)近似性。 STL模型是3dCAD模型的近似描述，无法正确地恢复模型的曲面。 (2)信息不足。 STL文件仅无序地列出构成模型表面的所有三角形片的几何信息，不包含片之间的拓扑相邻信息。 这些信息的不足通常导致信息处理和分层的效率低下。 另外，将三维CAD模型转换为STL模型时，也会丢失公差、零件颜色、材料等信息。 (3)数据的冗馀性。 STL文件包含大量的冗馀数据。 由于每个三角形片的顶点属于不同的三角形，因此同一顶点会多次保存在STL文件中。 (4)精度损失。 STL文件中，顶点坐标都是单精度浮点型，而三维CAD模型中，顶点坐标通常是双精度浮点型，因此会产生一定程度的数据误差。 (5)错误和缺陷。 STL文件容易出现许多错误和缺陷，例如重叠面、孔、法线向量、交叉面等，16，4.3.2 CAD3d数据格式与3d补丁模型格式相比，cad3d数据格式能正确地描述CAD模型。 目前常用的cad3d数据格式有三种： STEP标准界面、实体模型格式IGES和表面模型格式DXF。 1.STEP标准接口1.STEP (标准fortheexchangeofproduct，产品数据交换标准)是产品型号的数据交换标准形式，已成为国际公认的CAD数据文件交换全局统一标准。 STEP格式可以完全描述交换的产品数据，其信息量可以完全满足从CAD软件到快速成形系统的数据转换需要，但STEP格式还具有在快速成形系统中不需要的冗馀信息基于STEP格式实现快速原型的数据转换，在算法、文件内容的提取等方面需要大量研究。 17、4.3.2CAD三维数据格式，常用的CAD三维数据格式主要有三种，分别为STEP标准接口、实体模型格式IGES、表面模型格式DXF。 2 .实体模型格式IGES和IGES (初始图形交换规范)是商业CAD系统的图形信息交换标准。 IGES的优点是通用标准，几乎可以应用于所有业务CAD系统，并且可以使用各种点、线、曲面、主体等实体信息精确地表示CAD模型。 但是，IGES文件包含很多冗馀信息，基于IGES格式的切片算法比基于STL格式的切片算法更复杂。 3 .表面模型格式DXF、DXF(DrawingeXchangeFile )是AutoCAD创建的图形交换文件格式，AutoCAD使用DXF格式文件在各种应用程序之间交换图形数据。 DXF文件可读性强，容易在其他程序中处理，而DXF格式的文件数据量大，结构复杂，在描述复杂的产品信息时容易丢失信息。18、4.3.3维切片数据形式，常用的二维切片数据形式主要有SLC形式和CLI形式两种。只是STL文件的补充，是中性文件，无论RP设备和过程，其出现都使三维模型和RP设备之间的联系更加丰富，对逆向工程和RP技术的整合具有重要意义。 与STL文件相比的优点：1)大幅度减少了文件数据量；2 )在CAD系统内直接分层模型的精度大幅度提高了；3 )省略了STL层次，减少了RP系统的预处理时间；4 )因为是二维文件，错误少，不需要复杂的检查和修复步骤、19、4.3.3维片的数据格式、1.SLC格式、SLC格式是实体化公司为了获取迅速形成三维模型的分层片而制定的数据而制定的存储格式。 在CAD模型的2.5维轮廓描述中，由z方向的一系列上升截面构成，这些截面由内侧和外侧边界的轮廓线包围，形成实体。 由于SLC格式的截面轮廓仍然近似于实体截面，因此精度不高，此格式的计算复杂，文件庞大，生成起来很费时间。20、4.3.3维切片数据形式，常用的二维切片数据形式主要有SLC形式和CLI形式两种。 2.CLI格式和CLI文件是当前的快速成型设备中普遍接受的数据界面文件，以3d模型的分层加工路径数据文件的存储形式分为两种格式： ASCII代码和二进制代码。 CLI文件主要由头文件和几何数据两部分组成。 头文件主要记录测量单位、文件创建日期、总层数和用户数据。 几何数据部分主要记录用于描述横截面的层、描述多边形轮廓线的多线段、阴影线等数据单元。 与SLC格式不同，CLI格式直接描述二维切片信息，因此文件中的错误较少，类型单一，文件大小远小于STL文件。 但是，在CLI形式中，因为把直线段作为基本的记述单位，所以轮廓精度降低，不能改变零件的方向。 此外，在21，4.4数据处理软件模块和快速成形系统中，需要不同的软件来完成不同阶段的特定功能。 基于CAD模型的快速成型软件由CAD建模软件、数据处理软件和监视软件三部分组成。 CAD建模软件负责模型的构建、支撑结构的设计、中间形式的文件的输出。数据处理软件负责文件的读取和检测、将数据转换为几何模型、选择成形方向、样品的整合、模型实体的分层、扫描路径的规划等快速成型软件系统中的CAD软件可以利用商用CAD造型系统，数据处理和监视软件一般由快速成型系统制造商独自开发。 其中数据处理软件是整个快速成型软件系统的关键，其效率直接影响产品的尺寸精度、表面粗糙度、零件强度和加工时间。 22，1.STL文件诊断和修复模块此模块主要用于检查、分析和修复STL模型文件中存在的错误。 基于CAD模型的直接分层数据处理软件不需要此模块。 快速成型技术对STL文件的正确性和合理性有很高的要求，主要保证STL模型没