快速成形前处理.pptx
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1、第二章 快速成形过程及其前处理快速成形的全快速成形的全过过程可以程可以归纳为归纳为以下三个步以下三个步骤骤:2.1 2.1 快速成形的过程快速成形的过程1)1)前前处处理理它包括它包括工件的三工件的三维维模型的构造模型的构造三三维维模型的近似模型的近似处处理理模型成形方向的模型成形方向的选择选择三三维维模型的切片模型的切片处处理理2)2)分分层层叠加成形:它是快速成形的核心。包括模型截面叠加成形:它是快速成形的核心。包括模型截面轮轮廓廓的制作与截面的制作与截面轮轮廓的叠合。廓的叠合。3)3)后后处处理:它包括工件的剥离、后固化、修理:它包括工件的剥离、后固化、修补补、打磨、抛光、打磨、抛光和表
2、面和表面强强化化处处理等。理等。2.2 2.2 三维模型的构造三维模型的构造首先首先应应在在计计算机上,用三算机上,用三维计维计算算机机辅辅助助设计软设计软件,根据件,根据产产品的要品的要求求设计设计三三维维模型;模型;或将已有或将已有产产品的二品的二维维三三视图转换视图转换成三成三维维模型;模型;或在仿制或在仿制产产品品时时,用,用扫扫描机描机对对已已有的有的产产品品实实体体进进行行扫扫描,得到三描,得到三维维模型模型(图图2 23)3)。在在计计算机或工作站上,用三算机或工作站上,用三维计维计算机算机辅辅助助设计设计(CAD)(CAD)软软件,根据件,根据产产品的要求、可以品的要求、可以设
3、计设计其三其三维维模型,或将已有的模型,或将已有的产产品的二品的二维维三三视图转换视图转换成三成三维维模型。模型。2.2.1 2.2.1 用计算机辅助设计软件构造三维模型用计算机辅助设计软件构造三维模型形体表达方法,其中常形体表达方法,其中常见见的有以下几种:的有以下几种:(1)(1)构造构造实实体几何法体几何法(ConstructiveSolidGeometry(ConstructiveSolidGeometry,简简称称CSGCSG法法)构造构造实实体几何法又称体几何法又称为为积积木木块块几何法几何法(Building-Block(Building-BlockGeometry),Geome
4、try),这这种方法用布种方法用布尔尔(Boolean)(Boolean)运算法运算法则则(并、交、减并、交、减),将一些,将一些较简单较简单的体素的体素(如立方体、如立方体、圆圆柱体、柱体、环环、锥锥体体)进进行行组组合、合、变变化成复化成复杂杂形状的三形状的三维维模型模型实实体。体。它的它的优优点是:点是:数据数据结结构比构比较简单较简单,无冗余的几何信息,所得到,无冗余的几何信息,所得到的的实实体真体真实实有效、并且能方便地有效、并且能方便地进进行修改;行修改;其缺点是:其缺点是:可用于可用于产产生和修改生和修改实实体的算法有限,构成体的算法有限,构成图图形的形的计计算量很大,比算量很大
5、,比较费时较费时。(2)(2)边边界表达法界表达法(BoundaryRepresentation,(BoundaryRepresentation,简简称称 B-repB-rep法法)边边界表达法根据界表达法根据顶顶点、点、边边和面和面构成的表面来精确地描述三构成的表面来精确地描述三维维模型模型实实体。体。这这种方法的种方法的优优点是点是:能快速地能快速地绘绘制立体或制立体或线线框模型。框模型。它的缺点是它的缺点是:数据是以表格形式出数据是以表格形式出现现的,空的,空间间占用量大;修改占用量大;修改设计设计不如不如CSGCSG简单简单。对对于自由曲面于自由曲面,难难于用于用传统传统的体素来的体素
6、来进进行描述,可用参量表行描述,可用参量表达法。达法。其中其中较较好的一种是非均匀有理好的一种是非均匀有理B B样样条法,它能表达复条法,它能表达复杂杂的自的自由曲面,允由曲面,允许许局部修改曲率局部修改曲率,能准确地描述体素。能准确地描述体素。(3)(3)参量表达法参量表达法(ParametricRepresentation)(ParametricRepresentation)单单元表达法起源于分析元表达法起源于分析(如有限元分析如有限元分析)软软件,在件,在这这些些软软件件中,要求将表面离散成中,要求将表面离散成单单元。典型的元。典型的单单元有三角形、正方形元有三角形、正方形或多或多边边形
7、。在快速成形技形。在快速成形技术术中采用的三角形近似中采用的三角形近似(将三将三维维模型模型转转化成化成STLSTL格式文件格式文件),就是一种,就是一种单单元表达法在三元表达法在三维维表面的表面的应应用形式。用形式。(4)(4)单单元表达法元表达法(GellRepresentation)(GellRepresentation)用于构造模型的用于构造模型的计计算机算机辅辅助助设计软设计软件件应应有有较较强强的三的三维维造型功能,造型功能,这这主要是:主要是:实实体造型体造型(S0lidModelling)(S0lidModelling)表面造型表面造型(SurfaceModelling)(Su
8、rfaceModelling)功能功能目前快速成形行目前快速成形行业业中常用的中常用的计计算机算机辅辅助助设计软设计软件系件系统统如表如表2.12.1所示。所示。上述上述计计算机算机辅辅助助设计软设计软件件产产生的模型文件生的模型文件输输出格式有多种,出格式有多种,其中常其中常见见的有的有IGESIGES、HPGLHPGL、STEPSTEP、DXFDXF和和STLSTL等。等。(1)IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)(1)IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)IGESIGES是大多数是大多数CA
9、DCAD系系统统采用的一种美国采用的一种美国标标准,可支持不同准,可支持不同文件格式文件格式间间的的转转化。化。(2)HPGL(HPGraPhicsLanguage)(2)HPGL(HPGraPhicsLanguage)HPGLHPGL是是HPHP公司开公司开发发的一种用来控制自的一种用来控制自动绘图动绘图机的机的语语言格言格式,它已被广泛地接受,成式,它已被广泛地接受,成为为一一项项事事实标实标准。准。这这种表达格式种表达格式的基本构成是描述的基本构成是描述图图形的矢量,用形的矢量,用X X相相y y坐坐标标来表示矢量的起来表示矢量的起点与点与终终点点,以及以及绘图绘图笔相笔相应应的拾起和放
10、下。的拾起和放下。一些快速成形系一些快速成形系统统也用也用HPGLHPGL来来驱动驱动它它们们的成形的成形头头。STEPSTEP是一种正在逐步国是一种正在逐步国际标际标准化的准化的产产品数据交品数据交换标换标准。目准。目前,典型的前,典型的CADCAD系系统统都能都能输输出出STEPSTEP格式文件。格式文件。有些快速成形技有些快速成形技术术的研究工作者正的研究工作者正试图试图借助借助STEPSTEP格式,不格式,不经经STLSTL格式的格式的转转化,直接化,直接对对三三维维CADCAD模型模型进进行切片行切片处处理,以便提理,以便提高快速成形的精度。高快速成形的精度。(3)STEP(Stan
11、dardforTheExchargeofProduct)(3)STEP(StandardforTheExchargeofProduct)(4)DXF(4)DXFDXFDXF是用于是用于AutoCADAutoCAD输输出的一种格式,它以广泛的出的一种格式,它以广泛的为为其他其他PCPC系系统统所采用。所采用。(5)STL(5)STLSTLSTL格式格式 是快速成形机普遍采用的一种格式。是快速成形机普遍采用的一种格式。软件是软件是 RP的灵魂。的灵魂。因为因为RP是一种由是一种由CAD模型模型直接直接驱动、计算机控制下的全自驱动、计算机控制下的全自动加工技术,从动加工技术,从CAD模型到生成最终数
12、控代码的全过程都是由模型到生成最终数控代码的全过程都是由计算机软件完成的,因此软件在计算机软件完成的,因此软件在RP制造中占据了制造中占据了极其重要的地极其重要的地位位,软件的好坏对,软件的好坏对RP加工的效率与制件质量有很大影响。加工的效率与制件质量有很大影响。STL(STereo Lithography interface specification)文件:是)文件:是一种在一种在CAD与与RP系统之间交换数据的格式化文件。系统之间交换数据的格式化文件。该文件的特点:该文件的特点:格式简单,对三维模型建模无特定要求。是格式简单,对三维模型建模无特定要求。是快速成形系统中标准数据输入格式。快
13、速成形系统中标准数据输入格式。2.3 2.3 三维模型的近似处理三维模型的近似处理一、一、STL模型的表示方法模型的表示方法 STLSTL格式文件格式文件是存放在是存放在CAD模型表面的离散化三角形面片模型表面的离散化三角形面片数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。STL文件有两种格式:文件有两种格式:即即二进制二进制和和文本格式文本格式。1、二进制、二进制STL文件格式是:文件格式是:将三角形面片数据的将三角形面片数据的3个顶点的坐标个顶点的坐标(X,Y、Z)和和1个法向量个法向量(N)来描述来描述(如图所示如图所示)。三角形的大小是。三角形的大
14、小是可以选择的、从而能得到不同的曲面近似精度。可以选择的、从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件称为经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件。每个格式文件。每个单片占用单片占用50B的存储空间。的存储空间。三角形的表示三角形的表示2、文本、文本STL文件文件是将数据以数是将数据以数字字符窜的形字字符窜的形式存储,平均式存储,平均一个单片占用一个单片占用150B的存储空的存储空间。间。二、二、STL文件的存储格式文件的存储格式二进制二进制STL文件格式示例文件格式示例近似精度要求愈高,近似精度要求愈高,选选取的三角形取的三角形应该应该愈多,但是愈多,但是过过高的要求
15、也是不必要的,以免所需三用形的数目和高的要求也是不必要的,以免所需三用形的数目和计计算机的存算机的存储储容量容量过过大,数据大,数据处处理州日理州日过长过长。(一)(一)STLSTL格式的格式的规则规则三、三、STL文件的文件的一致性规则一致性规则及及错误错误(1 1)共)共顶顶点点规则规则:每一个小三角形平面必每一个小三角形平面必须须与每个相与每个相邻邻的小三角形平面的小三角形平面共用两个共用两个顶顶点。也就是点。也就是说说,一个小三角形平面的,一个小三角形平面的顶顶点不能落点不能落在相在相邻邻的任何一个小三角形平面的的任何一个小三角形平面的边边上。上。(2 2)取向)取向规则规则:用小三角
16、形平面中的用小三角形平面中的顶顶点排序来确定表面是点排序来确定表面是内表面内表面或或外外表面表面,反反时针时针的的顶顶点排序表示点排序表示该该表面表面为为外表面(外表面(图图a a),),顺时顺时针针的的顶顶点排序点排序表示表示该该表面表面为为内表面内表面(图图b)b)。按照右手法。按照右手法则则来判来判断。断。(3)(3)取取值规则值规则每个小三角形平面的每个小三角形平面的顶顶点坐点坐标值标值必必须须是正数,零和是正数,零和负负数是数是错误错误的。的。(4)(4)合法合法实实体体规则规则STLSTL格式文件不得格式文件不得违违反合法反合法实实体体规则规则,即在三,即在三维维模型模型的所有表面
17、上,必的所有表面上,必须须布布满满小三角形平面。小三角形平面。不得有任何不得有任何遗遗漏漏(即不能有裂即不能有裂缝缝或孔洞或孔洞);不能有厚度不能有厚度为为零的区域;零的区域;外表面不能从其本身穿外表面不能从其本身穿过过。相邻两个三角形之间只有一个公共边相邻两个三角形之间只有一个公共边,即必须共享两个顶点即必须共享两个顶点组组成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相连连。三角形面片的法向矢量要求指向三角形面片的法向矢量要求指向实实体外部,三体外部,三顶顶点排点排列列顺顺序与外法矢之序与外法矢之间间的关系要符合右手法的关系要符合右手法则则。总总之之(二
18、)(二)STL文件的文件的错误:错误:无效法矢无效法矢重叠面片重叠面片裂缝裂缝漏洞漏洞非正则形体非正则形体(1)(1)出出现现了了违违反共反共顶顶点点规则规则的三角形的三角形(2)(2)出出现现了了违违反取向反取向规则规则的三角形的三角形进进行行STLSTL格式格式转换时转换时,会因未按正确的,会因未按正确的顺顺序排列构成三序排列构成三角形的角形的顶顶点而点而导导致致计计算所得法向量的方向相反。算所得法向量的方向相反。为了判断是否错误,可将怀疑有错的三角形的法为了判断是否错误,可将怀疑有错的三角形的法向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。(3)
19、(3)出出现错误现错误的裂的裂缝缝或孔洞或孔洞进进行行STLSTL格式格式转换时转换时,由于数据舍入的,由于数据舍入的误误差会造成一个点差会造成一个点同同时处时处于多个位置,因此,在于多个位置,因此,在显显示的示的STLSTL格式模型上。会有格式模型上。会有错错误误的孔洞或裂的孔洞或裂缝缝,违违反充反充满规则满规则。此此时时,应应在在这这些孔洞或裂些孔洞或裂缝缝中增中增补补若干小三角形平面,从若干小三角形平面,从而消除而消除错误错误。进进行行STLSTL格式格式转换时转换时,若,若转换转换精度精度选择选择不当,会出不当,会出现现三角形三角形过过多或多或过过少的少的现现象。象。当当转换转换精度精
20、度选挥过选挥过高高时时,使,使产产生的三角形生的三角形过过多,所占用的多,所占用的文件空文件空间间量太大,可能超出快速成形系量太大,可能超出快速成形系统统所能接受的范所能接受的范围围,并,并出出现现一些莫名其妙的一些莫名其妙的错误错误,导导致成形困致成形困难难;当当转换转换精度精度选挥过选挥过低低时时,使,使产产生的三角形生的三角形过过少,造成成形少,造成成形件的形状、尺寸精度不件的形状、尺寸精度不满满足要求;足要求;遇到有上述情况遇到有上述情况时时,应应适当适当调调整整STLSTL格式的格式的转换转换精度。精度。(4)(4)三角形三角形过过多或多或过过少少当三当三维维CADCAD模型上有非常
21、小的特征模型上有非常小的特征结结构构(如很窄的如很窄的缝缝隙、隙、肋条或很小的凸起等肋条或很小的凸起等)时时,可能,可能难难于在其上布置足于在其上布置足够够数目的数目的三角形小平面,致使三角形小平面,致使这这些特征些特征结结构构遗遗漏或形状出漏或形状出错错,或者在,或者在后后续续的切片的切片处处理理时时出出现错误现错误、混乱。、混乱。(5)(5)微小特征微小特征遗遗漏或出漏或出错错对对于于这类问题这类问题,比,比较难较难于解决。因于解决。因为为如果要想用更高的如果要想用更高的转换转换精度精度(即更小尺寸和更多数目的三角形小平面即更小尺寸和更多数目的三角形小平面),以及更小的,以及更小的切片切片
22、间间隔,来克服隔,来克服这类这类缺陷,必然会使占用的文件空缺陷,必然会使占用的文件空间间量更量更大,造成快速成形系大,造成快速成形系统统的困的困难难。用于用于观观察和察和编辑编辑(修改修改)STL)STL格式文件的格式文件的专专用用软软件件(表表2-4)2-4)。下面以下面以MagicsMagics为为例来例来说说明明这类软这类软件的功能:件的功能:(1)(1)观观察察(Visualisation)(Visualisation)借助借助观观察察这这个功能,可以个功能,可以对显对显示的模型立体阴影示的模型立体阴影图图,进进行如同行如同摄摄像机控制方式的随意旋像机控制方式的随意旋转转、观观察;察;
23、还还可用剖可用剖视视得得到截面,从而到截面,从而观观察模型的内部。察模型的内部。(2)(2)测测量量(Measuring)(Measuring)在在STLSTL格式文件所表达的模型上,格式文件所表达的模型上,进进行点与点、行点与点、线线与与线线、弧与弧之弧与弧之间间的三的三维测维测量,并且打印出量,并且打印出测测量量结结果。果。(4)(4)修改修改Reparation)Reparation)对对STLSTL格式文件中的格式文件中的错误进错误进行修改,例如行修改,例如缝缝合、填充合、填充裂裂缝缝、调调整法整法线线等。等。(3)(3)变换变换(Manipu1ation)(Manipu1ation)
24、不必返回不必返回CADCAD系系统统,就可,就可对对STLSTL格式文件所表达的模型格式文件所表达的模型进进行行变换变换,如布,如布尔尔(逻辑逻辑)运算、分割、减少三角形的数量、运算、分割、减少三角形的数量、复制、复制、镜镜射和射和缩缩放。放。5)5)为为成形作准成形作准备备(WorkPreparation)(WorkPreparation)为为了按照要求的方位在快速成形机上制作工件,了按照要求的方位在快速成形机上制作工件,MagicsMagics能能对对STLSTL格式文件所表达的模型格式文件所表达的模型,进进行移行移动动、旋、旋转转、套做和切片,并且估套做和切片,并且估计计制作制作时间时间
25、和和报报价。价。(6)(6)生成文撑生成文撑结结构构(SupportGeneration)(SupportGeneration)提供多种不同的文撑提供多种不同的文撑结结构及构及其其组组合。下合。下图图所示所示为为生成的一生成的一种脚手架式支撑种脚手架式支撑结结构,构,这这种种结结构具有构具有节节省制作省制作时间时间、节节省材省材料和易于剥离的待点。料和易于剥离的待点。2.4 STL格式的优缺点及其改进格式格式的优缺点及其改进格式1、STL格式的优点格式的优点1)格式简单)格式简单2)与)与CAD建模方法无关;建模方法无关;2、STL格式的缺点格式的缺点1)数据冗余,文件庞大,网络传输效率很低;
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