快速成型技术的数据处理

1、本章的目的是掌握快速成型技术的数据处理流程，熟悉快速成型技术的数据接口形式，了解快速成型技术的数据处理软件，掌握数据处理软件的分层处理原理。第四章快速成型技术的数据处理。快速成型产品的生产需要三维模型的支持，但是来自计算机辅助设计软件或逆向工程的三维模型数据必须以快速成型系统可接受的数据格式保存。在快速成型之前，在堆叠方向上进行分层处理。可以看出，大量的数据准备和处理工作对于快速成型是必不可少的，也是非常重要的。4.1数据处理流程，快速成型技术的一般数据处理流程是：将计算机辅助设计系统或逆向工程获得的三维模型以快速成型分层软件可接受的数据格式保存，然后用分层软件处理STL文件、工艺、分层加工等

2、。生成模型各层的扫描信息，最后以快速成型设备可接受的数据格式输出到相应的快速成型设备。快速原型数据处理是基于三维计算机辅助设计模型或其他数据模型的过程，它使用分层处理软件将模型离散成截面数据，然后将其传递给快速原型系统。其基本流程如下：2、4.2待处理的数据源；1.3D模型的直接构建。最常用的数据处理方法是先将已建立的计算机辅助设计实体模型转换成三角网格模型(STL文件)，然后分层得到处理路径。目前，主流的快速成型系统是基于STL文件的，因此商业计算机辅助设计软件通常有自己的功能模块来输出STL文件。2.逆向工程建模是指将现有物体数字化，即利用逆向工程测量设备采集物体的表面信息，在物体表面形成

3、点云数据，并基于这些数据建立物体的三维模型。逆向工程建模主要有两种数据处理方法：一种是对数据点进行三角剖分，生成STL文件，然后进行分层处理；另一种是数据点的直接分层处理。3、4.3数据接口格式，快速成型系统本身不具备3D建模功能，为了获取物体的3D数据，快速成型系统一般依赖于商用的计算机辅助设计软件，但是不同的计算机辅助设计软件使用不同的数据格式来描述几何模型，这使得快速成型系统无法一一适应，造成数据交换和信息共享的障碍。因此，必须有一种中间数据格式作为计算机辅助设计软件和快速原型系统之间的标准接口，它可以被快速原型系统接受和处理，并由市场上大多数计算机辅助设计软件生成。目前，快速成型行业中

4、最常用的三种数据接口格式是：3D面片模型格式、计算机辅助设计3D数据格式和2D切片数据格式。4，4.3.1 3D面片模型格式，其原理是使用大量的小三角形面片来近似自由曲面。常用的3D面片模型格式有两种：STL格式和CFL格式，其中美国3D系统公司开发的STL文件格式是专门为快速成型技术开发的数据格式，被大多数快速成型系统所接受，是快速成型行业中使用最广泛的数据格式，被公认为目前快速成型的标准数据接口形式。STL格式的文件是通过对3D计算机辅助设计模型的表面进行三角剖分得到的：普通3D模型、STL 3D面片模型和5，1。STL文件。STL是一种数据模型，它使用许多小三角形平面来近似源计算机辅助设

5、计模型的表面。该文件格式将计算机辅助设计模型的表面离散成若干个三角形面片，不同的三角形网格划分方法具有不同的精度。STL文件是三角形面片的集合，其数据结构非常简单，与计算机辅助设计系统无关。STL文件中的每个三角形面片都由三角形的顶点坐标和三角形面片的外法向量表示。6，2。STL文件格式。STL文件有两种格式：文本(ASCII)和二进制。(1)文本(ASCII)格式这种格式使用四个数据项来表示三角形面片信息单位面，即三角形三个顶点的坐标和指向实体外部的三角形面片的法向量坐标。重新格式化的特性很容易识别和手动修改。但是，由于这种格式的文件占用的空间太大，目前只用于调试程序。ASCII格式语法如下

6、：实体名称(整个STL文件的第一行， 给定文件路径和文件名)刻面法线x y z(刻面法线是指向实体外部的三角形面片的法向量坐标)外部循环(外部循环表示接下来的三行数据是三角形面片三个顶点的坐标)顶点x y z(三个顶点沿指向实体外部的法向量方向逆时针排列)顶点x y z v Ertex x y z endloop endfacet(在STL文件中，每个刻面由上述七行数据组成。 )面法线x y z外环顶点x y z顶点x y z末端循环末端面末端对象的实体名称，7，(2) BINARY格式，用固定字节数记录三角形面片的几何信息，文件的前84字节是记录文件名的头文件；每个三角形面片的几何信息被逐一

7、记录，每个三角形面片占用固定的50字节。BINARY格式的语法如下：#字节描述80相关文档， 作者姓名和注释信息4小三角形平面的数量小平面1 4浮点法线x 4浮点法线y 4浮点法线z(上面3个4字节的浮点数表示角面片法线向量)4浮点顶点1 x 4浮点顶点1 y 4浮点顶点Ex1 z(上面3个4字节的浮点数表示顶点1的坐标) 4浮点顶点2x 4浮点顶点2y 4浮点顶点2z(上面三个4字节的浮点数表示顶点2的坐标)4浮点顶点3x4浮点顶点3y 4浮点顶点X3 z(上面三个4字节的浮点数表示顶点3的坐标)2未使用(50字节用于描述三角形面片的属性信息)，8。 STL文件格式相对简单，只能描述物体的几

8、何信息，而不能描述颜色和材质等信息。曲面三角剖分后的三维模型将是多面体，因此在输出STL格式时需要合理设置参数值，以提高成型质量。一般来说，从CAD软件输出STL文件时，建议将弦高、偏差和角度公差的值设置为0.01或0.02。9，3.STL文件规范，为了保证三角形面片所代表的模型实体的唯一性，STL文件必须遵循一定的规范，否则该STL文件是错误的，具体规范如下：1)定向原则STL文件中的每个三角形面片由三条边组成，具有方向性：曲面的法向量可以由右手定则按逆时针顺序确定，法向量应该指向所描述的实体曲面的外部。正确，错误，10，2)公共顶点规则，两个相邻的三角形面片只能共享两个顶点，即面片的顶点不

9、能落在任何相邻三角形面片的边上。正确，错误，11，3)值规则，STL文件的所有顶点坐标必须为正，即STL模型必须位于第一象限。目前，几乎所有的计算机辅助设计/计算机辅助制造软件都允许在任何空间位置生成STL文件，但在使用AutoCAD时应遵守这一规则。4)充满规则，STL模型的所有表面必须用三角形补片覆盖，不得有任何遗漏，即无裂纹或孔洞。12，4，精度的STL文件，自由曲面的三角面片逼近，STL文件是对三维实体模型进行三角网络处理后得到的数据文件，它将实体曲面离散成大量的三角面片，并依靠这些三角面片来逼近理想的三维实体模型。逼近精度通常由曲面与三角形平面的距离误差或曲面与三角形边的弦高差来控制

10、。误差越小，需要的三角形面片越多，形成的三维实体越接近理想实体的形状。然而，随着精度的提高，STL文件将变得更大，分层处理的时间将显著增加。有时截面轮廓会产生许多小直线，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑，成型效率低。因此，在从计算机辅助设计软件输出STL文件时，应根据计算机辅助设计模型的复杂性和快速成型精度的要求，综合考虑选择的精度指标和控制参数。5。STL文件的优点：(1)文件生成简单。几乎所有的计算机辅助设计软件都具有输出STL文件的功能，并且还可以控制输出精度。(2)它适用于广泛的对象。几乎所有的三维模型都可以通过曲面三角剖分生成STL文件。(3)分层算法简单。STL文件数据结构简单

11、，分层算法相对简单。(4)模型易于分割。当零件太大而无法在成型机上一次成型时，有必要将零件模型分割成几个较小的零件并分别制作，但分割STL模型要简单得多。(5)界面具有良好的通用性。它可以被几乎所有的快速成型设备所接受，并已成为行业公认的快速成型数据接口标准。15，6。STL文件的局限性，(1)近似性。STL模型只是三维计算机辅助设计模型的近似描述，不能准确地恢复模型表面。(2)缺乏信息。STL文件只能无序地列出构成模型表面的所有三角形面片的几何信息，不包含面片之间的拓扑邻接信息，这些信息的缺乏往往导致信息处理和分层效率低下。同时，在将三维计算机辅助设计模型转换为STL模型后，公差、零件颜色和

12、材料等信息将会丢失。(3)数据冗余。STL文件包含大量冗余数据。因为每个三角形面片的顶点属于不同的三角形，所以同一个顶点将被重复存储在STL文件中。(4)精度损失。在STL文件中，顶点坐标为单精度浮点型，而在3D计算机辅助设计模型中，顶点坐标一般为双精度浮点型，这将导致一些数据错误。(5)错误和缺陷。STL文件也容易出现许多错误和缺陷，例如重叠表面、孔、法向矢量和相交表面；16，4.3.2计算机辅助设计3D数据格式。与三维面片模型格式相比，计算机辅助设计三维数据格式能够准确描述计算机辅助设计模型。目前，常用的三维CAD数据格式有三种，即STEP标准界面、实体模型格式IGES和曲面模型格式DXF

13、。1.STEP(产品交换标准，产品数据交换标准)是产品模型数据交换的标准格式，已成为国际公认的全球统一的计算机辅助设计数据文件交换标准。STEP格式能够完整地描述交换的产品数据，其信息内容能够完全满足从CAD软件到快速成型系统的数据转换需求。然而，STEP格式也包含许多快速原型系统不需要的冗余信息。为了实现基于STEP格式的快速原型数据转换，需要在算法和文件内容提取方面做大量的研究工作。17，4.3.2计算机辅助设计三维数据格式，有三种常用的计算机辅助设计三维数据格式，分别是STEP标准界面、实体模型格式IGES和曲面模型格式DXF。实体模型格式IGES(初始图形交换规范)是商业计算机辅助设计

14、系统的图形信息交换标准。IGES的优势在于它是一个通用标准，可以应用于几乎所有的商用计算机辅助设计系统，并且可以通过使用各种实体信息(如点、线、面和体积)来精确地描述计算机辅助设计模型。然而，IGES文件往往包含大量冗余信息，基于IGES格式的切片算法比基于STL格式的切片算法复杂。3.DXF DXF曲面模型格式(绘图交换文件)是由欧特克公司建立的一种图形交换文件格式。AutoCAD总是使用DXF格式文件在不同的应用程序之间交换图形数据。DXF文件是可读的，容易被其他程序处理。然而，DXF格式文件数据量大、结构复杂，在描述复杂的产品信息时容易丢失信息。18 . 4 . 3 . 3二维切片数据格

15、式。有两种常用的二维切片数据格式：SLC格式和命令行界面格式。它只是对STL文件的补充，是一个中性文件，与快速成型设备和工艺无关。它的出现丰富了三维模型与快速成型设备之间的联系，对逆向工程和快速成型技术的融合具有重要意义。与STL文件相比，它具有以下优点：1)大大减少了文件的数据量；2)由于在CAD系统中直接分层，大大提高了模型的精度；3)省略了STL分层，减少了快速原型系统的预处理时间；4)因为它是二维文件，所以它具有较少的错误，并且不需要复杂的检查和修复程序。19，4.3.3 2D切片数据格式，1。SLC格式、SLC格式是由Materialise公司建立的一种存储格式，用于在对快速原型的3

16、D模型进行切片后获取数据。它是一个2.5维的计算机辅助设计模型的轮廓描述，由一系列在Z方向上逐渐上升的截面组成，这些截面被内外边界的轮廓线所包围。SLC格式的截面轮廓仍然只是实体截面的近似，所以精度不高。此外，SLC方案的计算复杂，文件庞大，生成耗时。20、4.3.3二维切片数据格式，有两种常用的二维切片数据格式：SLC格式和命令行界面格式。命令行界面格式，命令行界面文件是目前快速成型设备普遍接受的一种数据接口文件，是三维模型分层后加工路径的数据文件存储格式，也可以分为两种格式：ASCII码和二进制码。命令行界面文件主要由头文件和几何数据组成。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数据单元，例如描述二维截面的层、描述多边形轮廓的多线段和填充线。与SLC格式不同，命令行界面格式直接描述2D切片信息，文件中错误少，类型单一，文件大小比STL文件小得多。但是，命令行界面格式将直线段作为基本描述单位，这降低了轮廓精度，并且零件无法重新定向。21，4.4数据处理软件模块，在快速原型系统中，不同的软件需要在不同的阶段完成特定的功能。基于计算机辅助设计模型的快速成型软件系统一般由以下三部分组成：计算机辅助设计建模软件、数据处理软件和监控软件。计算机辅助设计建模软件负责建立模型、设计支撑结构和输出中间格式文件。数据处理软件负责读取和检查文件、将数