激光快速成型技术中STL文件的数据处理_崔洪斌

激光快速成型技术中STL文件的数据处理3①

崔洪斌　王宏伟

河北科技大学机械工程系,河北石家庄　050054

摘要:针对SL S快速成型中要对STL文件数据进行处理,使之转化为能被成型系统使用的数据,介绍了将STL文件中的数据转化为成型系统可使用数据的简便而又有效的算法,其中包括分层处理、激光扫描点确定等。

关键词:快速成型;数据处理;STL文件

中图分类号:TP274　文献标识码:A　文章编号:1001-2265(2004)02-0056-03

Data treatment of ST L format f ile in rapid prototype manufacturing technology

CU I Hongbin　WAN G Hongwei

Abstract:The data in STL file needs to be changed for SL S rapid prototyping,so the rapid prototyping system can use the data. The paper presents an easy and effective arithmetic to change the data format in STL file into that which can be used by rapid pro2 totyping system,which include laying,scanning point determination etc.

K ey w ords:Rapid prototyping;data treatment;STL format file

1　引言

快速成型(Rapid Prototyping,简称RP)是20世纪80年代末发展起来的应用于制造业的高新技术。该技术能够将由计算机创建的实体模型快速转换为实物,且整个加工过程不需要任何模具。RP技术是集CAD/CAM技术、激光技术、数控技术、材料科学等为一体的先进制造技术。它突破了传统的加工模式,大大缩短了样件试制周期,提高了制造业对市场的反应能力。

目前已有多种快速成型方法,其中包括以光敏树脂为加工材料的立体光刻成型法(Stereo Lithography Apparatus,简称SLA)、以箔材为加工材料的分层实体制造法(Laminated Object Manufacturing,简称LOM)、以粉末材料为加工材料的选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering,简称SL S)等。用激光快速成型设备加工零件时,首先,应通过CAD软件创建零件的实体模型,并将其转换成STL格式;然后,利用分层技术将实体模型分层,即得到实体模型的各截面信息。完成上述数据处理后,就可以用快速成型设备加工零件。以SL S技术为例,具体加工过程为:先通过铺料辊向工作台铺一薄层粉末材料,利用激光对该层材料选择性烧结,即将属于零件截面上的材料加热到熔点以上,使其“烧结”。被烧结的材料固化在一起,构成零件的对应截面。而后,工作台下移一定距离,铺料辊再往工作台上铺撒一层材料,并通过激光对该层选择性烧结,从而不仅得到当前截面层,而且该层与前一层紧密粘结在一起。依次重复上述过程,层层叠加,就可以加工出整个零件。RP技术中,对表示实体模型的STL文件进行分层等数据处理是其重要研究内容之一。

2　STL文件格式

STL文件用一系列三角形面表示实体,且每一个三角形面由表示面方向的一个单位法向量和说明三角形面三个顶点位置的顶点坐标表示。STL文件有二进制和ASCII两种格式,以下是ASCII格式STL文件中某一面的表示方式:

facet normal0.0000000e+0000.0000000e+0001.0000000e+000

　outer loop

vertex1.0000000e+0020.0000000e+0001.0000000e+ 002

vertex1.0000000e+0021.0000000e+0021.0000000e+

002

vertex0.0000000e+0001.0000000e+0021.0000000e+

002

　endloop

endfacet

其中第一行表示三角形面的法向量,第3～5行分别表示三角形面上三个顶点的坐标。可以看出,每一个三角形面由12个数据表示,即表示法向量的三个坐标分量,以及各顶点的坐标值(每个顶点有x、y、z三个坐标值)。STL文件由许多这样的数据组成。对STL文件进行数据处理,就是对这些表示三角形面的一系列数据进行处理。

3　数据处理

对STL文件进行数据处理包括读取STL文件中的数据、求三角形边与分层截面的交点、对交点排序以形成截面轮廓等过程。

3.1　读取STL文件

根据文件中的数据排列规则,利用Visual C++文件类中的打开fopen()、关闭fclose()、文件随机读写fseek()等函数可以读取相关数据,以供程序使用。另外,读取STL文件时,只需要读取STL文件中表示向量和三角形顶点的相应数据,不需要读文件中的其它信息。

3.2　求三角形与截面的交点

从STL文件中读入的三角形数据并不能直接由系统利用。根据成型系统的工作特点,应按照给定的层厚,用不同高度的截面去切割模型,即将模型分层,以找到各层的轮廓点,从而得到各截面的相关信息。设某一截面的高为h,求该截面与实体模型交点的步骤如下:

①基金项目:河北省教育厅资助项目(编号:2002262)

图

1

图2

(1)判断三角形是否与截面相交

首先应找出与截面相交的各三角形。通过采用遍历法,判断各三角形三顶点的Z 坐标是否均大于或小于截面高h ,如果满足该条件,说明三角形与截面不相交;否则三角形与截面相交。

(2)排除三角形与截面相交的特殊情况

在与截面相交的三角形中,有一种特殊情况:三角形三个顶点的Z 坐标值均等于截面高h ,即三角形与截面重合。为减少数据的冗余,提高程序执

行效率,应舍弃这些三角形。

(3)求三角形与截面的交点

得到与截面相交的各三角形后,就可以求截面与这些三角形的交点。如果一个三角形与截面相交,则三角形三条边中至少有两条边与截面相交。判断某一边与截面是否相交的规则是:用该边两顶点的Z 坐标与截面高h 进行比较,如果两顶点的Z 坐标均大于或小于h ,则对应边与截面没有交点;如果两顶点的Z 坐标均等于h 时,此边与截面有无数个交点,应舍去此种情况;否则对应边与截面必有一个交点。交点的具体求法如下:设在图1中,ab 边与截面z =h 相交,则在三维坐标系中,该边上必有一点p 的Z 坐标与截面高h 相等,则p 点即为边与截面的交点。

设由点a (x 1,y 1,z 1)、b (x 2,y 2,z 2)两点确定的边与截面交于一点p (x ,y ,z 0),且x 1、y 1、z 1、x 2、y 2、z 2、z 0已知,则有

(x -x 1)/(x 2-x 1)=(y -y 1)/(y 2-y 1)=(z 0-z 1)/(z 2-z 1)

整理得:

x =(z 0x 2-z 1x 2+z 2x 1-z 0x 1)/(z 2-z 1)y =(z 0y 2-z 1y 2+z 2y 1-z 0y 1)/(z 2-z 1)从而可得到交点坐标p (x ,y ,z 0)。(4)交点选择

一般情况下,截面与一个三角形有两个交点。但有一种有三个交点的特殊情况,如图2所示:

从图2可以看出,当有三个交点时,必有两交点为重合点。此时应找到这两重合点,将其看成截面与三角形的一个交点,即认为截面与三角形只有两个交点,使特殊情况一般化。

(5)冗余数据处理

在求得的各交点中,存在有数据冗余:当截面与三角形上两条边的交点为同一个点时(即截面与三角形交于三角形的一个顶点),由模型表面三角形相邻性可知,该顶点与相邻三角形的顶点重合,因此应去除属于三角形顶点的交点,以减少数据量。3.3　轮廓点排序

通过求交点,可得到与截面相交的m 个三角形和相应无规律排列的交点。为得到截面的轮廓,应对这些散列点排序。模型形状不同,其截面轮廓可能是一个无孔多边形,也可能是有孔

多边形。由模型表面三角形关联性可知,三角形上的某一交点必然同与其相邻三角形上两交点中的一点重合。

利用数据的存图3

储特性,可以通过找重合点的方法对交点进行排序。

如图3所示,设通过求交点得到了五个三角形△1～△5,其中各三角形上的对应交点分别为:三角形1:a 、b 两点;三角形2:b 、c 两点;三角形3:c 、d 两点;三角形4:d 、e 两点;三角形5:e 、f (即a 点)两点。由于三角形1与三角形2有一个重合点b ,三角形2与三角形3有一个重合点c ,……,而且已将每一个三角形上的两个交点保存到数组,因此以三角形1上的两交点a 、b 为标准,存入新数组作为截面轮廓的第一、二顶点,然后查找与b 点有重合交点的三角形,并将此三角形的另一交点c 作为截面轮廓上的第三顶点,依此类推,就可以找到各关联的点,将这些点依次存入数组,就可以得到按顺序排列的轮廓点。在排序过程中,每确定出一个新排序点,就将此点所在三角形的数据删除。当完成一次排序后,还应查看交点数组中是否还有数据,如果不再存在数据,说明截面轮廓中没有孔;否则表示轮廓中有孔,还应继续排序。直到将所有数据排完为止,从而得到对应截面上的实体截面轮廓。

3.4　求轮廓扫描点

在SL S 技术中,其关键就是在截面轮廓内进行烧结,以使位于截面上的粉末固化,得到物理模型。为此,利用激光扫描时,确定扫描段上打开与关闭激光的位置尤为重要。在凸多边形截面轮廓中,在扫描线与截面轮廓两交点之间进行扫描即可;而对于非凸多边形截面轮廓,一次扫描有时由几段组成。因此,求扫描点时应特别对非凸多边形轮廓进行分析。这里采用了奇偶判别法确定扫描端点:即将扫描线与截面轮廓的一系列交点分别用数字1、2、…、n 表示,在奇数与偶数点之间进行扫描,而在偶数与奇数点之间则不扫描。但当采用这种判别法时,应该保证扫描点的个数为偶数(即扫描线与轮廓线有偶数个交点)。所以,还需要对一些特殊情况进行处理。

设a 、b 、c 三点为截面轮廓上相邻的三个顶点,ay 、by 、cy 分别表示这三个点的y 坐标,为使过b 点扫描线的扫描点个数为偶数,应按如下规则对顶点b 进行处理:

如果(c y -b y )(b y -a y )>0,点b 按一个点处理;如果(c y -b y )(b y -a y )<0,则点b 按两个点处理。对特殊点处理之后,就

可以保证每条扫描线与轮廓线的交点个数均为偶数。另外,求图4(下转第59页)扫描线与轮廓的交点时,可按如下方法进行:

如图4所示,设相邻两轮廓点为b (x 1,y 1)、c (x 2,y 2),且扫描线按每次增△y 扫描。从b 点开始,则下一扫描线与bc 轮廓线相交于点p (x ,y ),则p 点坐标计算如下:

已知直线的斜率为:k =(y 2-y 1)/(x 2-x 1)

扫描线每上移△y ,x 变为(x +

△y/k )