快速成型技术的数据处理
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6. STL文件的局限
（1）近似性。STL模型只是三维CAD模型的一个近似描述，并不能十分精确 地还原模型的曲面。 （2）信息缺乏。STL文件只能无序的列出构成模型表面的所有三角形面片的 几何信息，其中并不包含面片之间的拓扑邻接信息，而这些信息的缺乏常会 导致信息处理与分层的低效。同时，将三维CAD模型转换为STL模型之后，还 会丢失公差、零件颜色和材料等的信息。 （3）数据的冗余。STL文件含有大量的冗余数据，因为每个三角形面片的顶 点都分属于不同的三角形，所以同一个顶点会在STL文件中重复存储多次。 （4）精度损失。在STL文件中，顶点坐标都是单精度浮点型，而在三维CAD 模型中，顶点坐标一般都是双精度浮点型，会造成一定程度的数据误差。 （5）错误和缺陷。STL文件还易出现很多错误和缺陷，例如重叠面、孔洞、 法向量和交叉面等；
4.1 数据处理流程
快速成型数据处理是以三维CAD模型或其他数据模型为 基础，使用分层处理软件将模型离散成截面数据，然后输 送到快速成型系统的过程，其基本流程：
快速成型技术的一般数据处理流 程为：将通过CAD系统或逆向工程获 得的三维模型以快速成型分层软件 能接受的数据格式保存，然后使用 分层软件对模型进行：STL文件的处 理、工艺处理、分层处理等操作， 生成模型的各层面扫描信息，最后 以快速成型设备能接受的数据格式 输出到相应的快速成型机设备中。
solid name_of_object (整个STL文件的首行，给出了文件路径及文件名)
facet normal x y z （facet normal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标）
outer loop （outer loop说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标）
vertex x y z （3个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列）
7
（2）二进制（BINARY）格式
BINARY格式用固定的字节数记录三角面片的几何信息，文件起始的84个字节 是头文件，用于记录文件名；后面逐个记录每个三角面片的几何信息，每个三角 形面片占用固定的50字节。
BINARY格式的语法如下所示：
# of bytes description
80
有关文件、作者姓名和注释信息
第四章 快速成型技术的数据处理
本章目标
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 掌握数据处理软件分层处理的原理
1
快速成型产品的制作需要有三维模型支持，但来源于CAD软件或逆向工程的三 维模型数据必须保存为快速成型系统所能接受的数据格式，并在快速成型前进行叠 层方向上的分层处理，可见，大量的数据准备与处理工作对快速成型来说是必不可 少且十分重要的。
4
float vertex2 x
4
float vertex2 y
4
float vertex2 z （以上3个4字节浮点数表示顶点2的坐标）
4
float vertex3 x
4
float vertex3 y
4
float vertex3 z （以上3个4字节浮点数表示顶点3的坐标）
2
未用（构成50个字节, 用来描述三角面片的属性信息）
STEP格式可以完整描述所交换的产品数据，其信息量完 全可以满足从CAD软件到快速成型系统的数据转换需要，但 是，STEP格式也包含了许多快速成型系统并不需要的冗余信 息，要基于STEP格式实现快速成型的数据转换，还需在算法、 文件内容的提取等方面进行大量研究工作。
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4.3.2 CAD三维数据格式
Байду номын сангаас
4
小三角形平面的数目
facet 1
4
float normal x
4
float normal y
4
float normal z （以上3个4字节的浮点数表示角面片法矢量）
4
float vertex1 x
4
float vertex1 y
4
float vertex1 z （以上3个4字节浮点数表示顶点1的坐标）
6
2. STL文件的格式
STL文件有文本（ASCII）和二进制（BINARY）两种格式。 （1）文本（ASCII）格式
该格式使用四个数据项表示一个三角形面片信息单元facet，即三角形三个 顶点坐标，以及三角形面片指向实体外部的法向量坐标。改格式的特点是易于 人工识别及修改，但因该格式的文件占用空间太大，目前仅用来调试程序。 ASCII格式的语法如下：
STL格式的文件是对三维CAD模型进行表面三角形网格化而得 到的：
普通三维模型
STL三维面片模型 5
1. STL文件的构成
STL是一种用许多小三角形平面来近似表示源CAD模型曲面的数据模型， 此种文件格式将CAD模型表面离散化为若干个三角形面片，不同精度时有不 同的三角形网格划分方式。
STL文件是多个三角形面片的集合，数据结构非常简单，而且与CAD系 统无关。STL文件中的每个三角形面片都是由三角形的顶点坐标和三角形面 片的外法线矢量来表示。
8
STL文件格式比较简单，只能描述物体的几何信息，而不能描 述颜色材质等信息。
三维模型进行表面三角形网格化之后会呈现多面体状，因此 需要合理设置输出STL格式时的参数值，以改善成型的质量，一 般而言，从CAD软件输出STL文件时，建议将弦高（chord height）、误差（deviation）、角度公差（angle tolerance）等参 数的值设置为0.01或是0.02。
2
4.2 待处理数据来源
1.三维模型直接构建
对于直接构建的三维模型，最常用的数据处理方法就是将构建的 CAD实体模型先转换为三角网格模型（STL文件），然后再进行分层， 从而获得加工路径。当前主流的快速成型系统是基于STL文件进行加 工，因此商用CAD软件一般都自带输出STL文件的功能模块。
2. 逆向工程建模
DXF（Drawing eXchange File，绘图交换文件）是Autodesk公 司制定的一种图形交换文件格式，AutoCAD一直使用DXF格式文 件来进行不同应用程序之间的图形数据交换。DXF文件可读性好、 易于被其他程序处理，但是，DXF格式文件数据量大，结构较复 杂，在描述复杂的产品信息时很容易出现信息丢失问题。
是对已有的实物数字化，即使用逆向工程测量设备采集实物表面 信息，形成物体表面的点云数据，并且在这些数据的基础上，构建实 物的三维模型。
对于逆向工程建模的数据处理方法主要有两种：一种是对数据点 进行三角化，生成STL文件，然后进行分层处理；另一种是对数据点 进行直接分层处理。
3
4.3 数据接口格式
快速成型系统本身并不具备三维建模功能，为得到物体的三维 数据，快速成型系统一般都会借助于商用CAD软件，但是，不同的 CAD软件用来描述几何模型的数据格式并不相同，快速成型系统无 法一一适应，导致数据交换和信息共享出现障碍。因此，必须要有 一种中间数据格式，作为CAD软件与快速成型系统之间的标准接口， 该格式应该既能被快速成型系统接受和处理，也能由市面上的大多 数CAD软件生成。
• 误差越小，所需的三角形面片数量越多，形成的三维实体就 越趋近于理想实体的形状。但精度的提高会使STL文件变大， 同时分层处理的时间将显著增加，有时截面的轮廓会产生许 多小直线段，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑且成 型效率降低。
• 所以，从CAD软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参 数应根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进 行综合考虑。
常用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和表面模型格式DXF。
2. 实体模型格式IGES
IGES（Initial Graphic Exchange Specification，初始图形交换规 范）是一种商用CAD系统的图形信息交换标准。 IGES的优点在 于它是一个通用的标准，几乎可以应用在所有的商用CAD系统 上，并能使用各种点、线、曲面、体等实体信息来精确地描述 CAD模型。但IGES文件往往会包含大量的冗余信息，而且基于 IGES格式的切片算法也比基于STL格式的切片算法更为复杂。 3. 表面模型格式DXF
目前，快速成型业界最常用的三种数据接口格式为：三维面片 模型格式，CAD三维数据格式，二维层片数据格式。
4
4.3.1 三维面片模型格式
三维面片模型格式的原理是使用大量的小三角面片近似表示 自由曲面。常用的三维面片模型格式主要有两种：STL格式和CFL 格式，其中，由美国3D Systems 公司开发的STL文件格式是专为 快速成型技术而开发的数据格式，被大多数快速成型系统所接受， 是快速成型业内应用最多的数据格式，亦被公认为目前快速成型 的标准数据接口形式。
正确
错误
10
2）共顶点规则
相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点，即面片的顶点 不能落在相邻的任何一个三角形面片的边上。
正确
错误
11
3）取值规则 STL文件的所有顶点坐标都必须是正的，即STL模型必须落
在第一象限。虽然目前几乎所有的CAD/CAM软件都已允许在任 意的空间位置生成STL文件，但使用AutoCAD时还需要遵守这个 规则。 4）充满规则
5. STL文件的优势
（1）文件生成简单。几乎所有的CAD软件皆具有输出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。几乎所有三维模型都可以通过表面三角网格化生 成STL文件。 （3）分层算法简单。STL文件数据结构简单，分层算法也相对简单得多。 （4）模型易于分割。当零件很大，难以在成型机上一次成型时，就需 要将零件模型分割成多个较小的部分，进行分别制造，而分割STL模型 相对简单得多。 （5）接口通用性好。能被几乎所有的快速成型设备所接受，已成为行 业公认的快速成型数据接口标准。
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4.3.3 二维层片数据格式
常用的二维层片数据格式主要有两种：SLC格式和CLI 格式。只是STL文件的补充，是一种中性文件，与RP设 备和工艺无关，它的出现使三维模型与RP设备之间的 联系更丰富，对逆向工程与RP技术的集成具有重要的 意义。 与STL文件相比的优点：
1）大大降低了文件数据量 2）由于直接在CAD系统内分层模型精度大大提高 3）省略了STL分层，降低了RP系统的前处理时间 4）因是二维文件，错误较少、无需复杂的检验和修 复程序。
19
4.3.3 二维层片数据格式
1.SLC格式
SLC格式是Materialise公司为获取快速成型三维模型分层 切片后的数据而制定的一种存储格式。是CAD模型的2.5维 的轮廓描述，它由Z方向上的一系列逐步上升的横截面组成， 这些横截面由内、外边界的轮廓线围合成实体。
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4.3.2 CAD三维数据格式
与三维面片模型格式相比，CAD三维数据格式可以精确的 描述CAD模型。目前，常用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和表面模型格式DXF。
1. STEP标准接口
STEP(Standard for The Exchange of Product,产品数据交换 标准)是一种产品模型数据交换标准格式，该标准已经成为国 际公认的CAD数据文件交换全球统一标准。
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3.STL文件的规范
为保证三角形面片所表示的模型实体的唯一性 ，STL文件 必须遵循一定的规范，否则这个STL文件就是错误的，具体规 范如下：
1）取向原则 STL 文件中的每个三角形面片都是由三条边组成的，且具 有方向性：三条边按逆时针顺序由右手定则可以确定面的法 向量，且该法向量应指向所描述实体表面的外侧 ，相邻的三 角形的取向不应出现矛盾。
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet（在一个STL文件中，每一个facet由以上7行数据组成）
facet normal x y z
outer loop
vertex x y z
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet
endsolid name of object
STL模型的所有表面都必须布满三角形面片，不得有任何遗 漏，即不能有裂纹或孔。
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4、STL文件的精度
自由曲面的三角形面片逼近
• STL文件是三维实体模型经过三角网络化处理之后得到的数据 文件，它将实体表面离散化成大量的三角形面片，依靠这些 三角形面片来逼近理想的三维实体模型。逼近的精度通常由 曲面到三角形平面的距离误差或是曲面到三角形边的弦高差 控制。
6. STL文件的局限
（1）近似性。STL模型只是三维CAD模型的一个近似描述，并不能十分精确 地还原模型的曲面。 （2）信息缺乏。STL文件只能无序的列出构成模型表面的所有三角形面片的 几何信息，其中并不包含面片之间的拓扑邻接信息，而这些信息的缺乏常会 导致信息处理与分层的低效。同时，将三维CAD模型转换为STL模型之后，还 会丢失公差、零件颜色和材料等的信息。 （3）数据的冗余。STL文件含有大量的冗余数据，因为每个三角形面片的顶 点都分属于不同的三角形，所以同一个顶点会在STL文件中重复存储多次。 （4）精度损失。在STL文件中，顶点坐标都是单精度浮点型，而在三维CAD 模型中，顶点坐标一般都是双精度浮点型，会造成一定程度的数据误差。 （5）错误和缺陷。STL文件还易出现很多错误和缺陷，例如重叠面、孔洞、 法向量和交叉面等；
4.1 数据处理流程
快速成型数据处理是以三维CAD模型或其他数据模型为 基础，使用分层处理软件将模型离散成截面数据，然后输 送到快速成型系统的过程，其基本流程：
快速成型技术的一般数据处理流 程为：将通过CAD系统或逆向工程获 得的三维模型以快速成型分层软件 能接受的数据格式保存，然后使用 分层软件对模型进行：STL文件的处 理、工艺处理、分层处理等操作， 生成模型的各层面扫描信息，最后 以快速成型设备能接受的数据格式 输出到相应的快速成型机设备中。
solid name_of_object (整个STL文件的首行，给出了文件路径及文件名)
facet normal x y z （facet normal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标）
outer loop （outer loop说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标）
vertex x y z （3个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列）
7
（2）二进制（BINARY）格式
BINARY格式用固定的字节数记录三角面片的几何信息，文件起始的84个字节 是头文件，用于记录文件名；后面逐个记录每个三角面片的几何信息，每个三角 形面片占用固定的50字节。
BINARY格式的语法如下所示：
# of bytes description
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有关文件、作者姓名和注释信息
第四章 快速成型技术的数据处理
本章目标
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 掌握数据处理软件分层处理的原理
1
快速成型产品的制作需要有三维模型支持，但来源于CAD软件或逆向工程的三 维模型数据必须保存为快速成型系统所能接受的数据格式，并在快速成型前进行叠 层方向上的分层处理，可见，大量的数据准备与处理工作对快速成型来说是必不可 少且十分重要的。
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float vertex2 x
4
float vertex2 y
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float vertex2 z （以上3个4字节浮点数表示顶点2的坐标）
4
float vertex3 x
4
float vertex3 y
4
float vertex3 z （以上3个4字节浮点数表示顶点3的坐标）
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未用（构成50个字节, 用来描述三角面片的属性信息）
STEP格式可以完整描述所交换的产品数据，其信息量完 全可以满足从CAD软件到快速成型系统的数据转换需要，但 是，STEP格式也包含了许多快速成型系统并不需要的冗余信 息，要基于STEP格式实现快速成型的数据转换，还需在算法、 文件内容的提取等方面进行大量研究工作。
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4.3.2 CAD三维数据格式
Байду номын сангаас
4
小三角形平面的数目
facet 1
4
float normal x
4
float normal y
4
float normal z （以上3个4字节的浮点数表示角面片法矢量）
4
float vertex1 x
4
float vertex1 y
4
float vertex1 z （以上3个4字节浮点数表示顶点1的坐标）
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2. STL文件的格式
STL文件有文本（ASCII）和二进制（BINARY）两种格式。 （1）文本（ASCII）格式
该格式使用四个数据项表示一个三角形面片信息单元facet，即三角形三个 顶点坐标，以及三角形面片指向实体外部的法向量坐标。改格式的特点是易于 人工识别及修改，但因该格式的文件占用空间太大，目前仅用来调试程序。 ASCII格式的语法如下：
STL格式的文件是对三维CAD模型进行表面三角形网格化而得 到的：
普通三维模型
STL三维面片模型 5
1. STL文件的构成
STL是一种用许多小三角形平面来近似表示源CAD模型曲面的数据模型， 此种文件格式将CAD模型表面离散化为若干个三角形面片，不同精度时有不 同的三角形网格划分方式。
STL文件是多个三角形面片的集合，数据结构非常简单，而且与CAD系 统无关。STL文件中的每个三角形面片都是由三角形的顶点坐标和三角形面 片的外法线矢量来表示。
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STL文件格式比较简单，只能描述物体的几何信息，而不能描 述颜色材质等信息。
三维模型进行表面三角形网格化之后会呈现多面体状，因此 需要合理设置输出STL格式时的参数值，以改善成型的质量，一 般而言，从CAD软件输出STL文件时，建议将弦高（chord height）、误差（deviation）、角度公差（angle tolerance）等参 数的值设置为0.01或是0.02。
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4.2 待处理数据来源
1.三维模型直接构建
对于直接构建的三维模型，最常用的数据处理方法就是将构建的 CAD实体模型先转换为三角网格模型（STL文件），然后再进行分层， 从而获得加工路径。当前主流的快速成型系统是基于STL文件进行加 工，因此商用CAD软件一般都自带输出STL文件的功能模块。
2. 逆向工程建模
DXF（Drawing eXchange File，绘图交换文件）是Autodesk公 司制定的一种图形交换文件格式，AutoCAD一直使用DXF格式文 件来进行不同应用程序之间的图形数据交换。DXF文件可读性好、 易于被其他程序处理，但是，DXF格式文件数据量大，结构较复 杂，在描述复杂的产品信息时很容易出现信息丢失问题。
是对已有的实物数字化，即使用逆向工程测量设备采集实物表面 信息，形成物体表面的点云数据，并且在这些数据的基础上，构建实 物的三维模型。
对于逆向工程建模的数据处理方法主要有两种：一种是对数据点 进行三角化，生成STL文件，然后进行分层处理；另一种是对数据点 进行直接分层处理。
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4.3 数据接口格式
快速成型系统本身并不具备三维建模功能，为得到物体的三维 数据，快速成型系统一般都会借助于商用CAD软件，但是，不同的 CAD软件用来描述几何模型的数据格式并不相同，快速成型系统无 法一一适应，导致数据交换和信息共享出现障碍。因此，必须要有 一种中间数据格式，作为CAD软件与快速成型系统之间的标准接口， 该格式应该既能被快速成型系统接受和处理，也能由市面上的大多 数CAD软件生成。
• 误差越小，所需的三角形面片数量越多，形成的三维实体就 越趋近于理想实体的形状。但精度的提高会使STL文件变大， 同时分层处理的时间将显著增加，有时截面的轮廓会产生许 多小直线段，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑且成 型效率降低。
• 所以，从CAD软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参 数应根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进 行综合考虑。
常用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和表面模型格式DXF。
2. 实体模型格式IGES
IGES（Initial Graphic Exchange Specification，初始图形交换规 范）是一种商用CAD系统的图形信息交换标准。 IGES的优点在 于它是一个通用的标准，几乎可以应用在所有的商用CAD系统 上，并能使用各种点、线、曲面、体等实体信息来精确地描述 CAD模型。但IGES文件往往会包含大量的冗余信息，而且基于 IGES格式的切片算法也比基于STL格式的切片算法更为复杂。 3. 表面模型格式DXF
目前，快速成型业界最常用的三种数据接口格式为：三维面片 模型格式，CAD三维数据格式，二维层片数据格式。
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4.3.1 三维面片模型格式
三维面片模型格式的原理是使用大量的小三角面片近似表示 自由曲面。常用的三维面片模型格式主要有两种：STL格式和CFL 格式，其中，由美国3D Systems 公司开发的STL文件格式是专为 快速成型技术而开发的数据格式，被大多数快速成型系统所接受， 是快速成型业内应用最多的数据格式，亦被公认为目前快速成型 的标准数据接口形式。
正确
错误
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2）共顶点规则
相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点，即面片的顶点 不能落在相邻的任何一个三角形面片的边上。
正确
错误
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3）取值规则 STL文件的所有顶点坐标都必须是正的，即STL模型必须落
在第一象限。虽然目前几乎所有的CAD/CAM软件都已允许在任 意的空间位置生成STL文件，但使用AutoCAD时还需要遵守这个 规则。 4）充满规则
5. STL文件的优势
（1）文件生成简单。几乎所有的CAD软件皆具有输出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。几乎所有三维模型都可以通过表面三角网格化生 成STL文件。 （3）分层算法简单。STL文件数据结构简单，分层算法也相对简单得多。 （4）模型易于分割。当零件很大，难以在成型机上一次成型时，就需 要将零件模型分割成多个较小的部分，进行分别制造，而分割STL模型 相对简单得多。 （5）接口通用性好。能被几乎所有的快速成型设备所接受，已成为行 业公认的快速成型数据接口标准。
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4.3.3 二维层片数据格式
常用的二维层片数据格式主要有两种：SLC格式和CLI 格式。只是STL文件的补充，是一种中性文件，与RP设 备和工艺无关，它的出现使三维模型与RP设备之间的 联系更丰富，对逆向工程与RP技术的集成具有重要的 意义。 与STL文件相比的优点：
1）大大降低了文件数据量 2）由于直接在CAD系统内分层模型精度大大提高 3）省略了STL分层，降低了RP系统的前处理时间 4）因是二维文件，错误较少、无需复杂的检验和修 复程序。
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4.3.3 二维层片数据格式
1.SLC格式
SLC格式是Materialise公司为获取快速成型三维模型分层 切片后的数据而制定的一种存储格式。是CAD模型的2.5维 的轮廓描述，它由Z方向上的一系列逐步上升的横截面组成， 这些横截面由内、外边界的轮廓线围合成实体。
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4.3.2 CAD三维数据格式
与三维面片模型格式相比，CAD三维数据格式可以精确的 描述CAD模型。目前，常用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和表面模型格式DXF。
1. STEP标准接口
STEP(Standard for The Exchange of Product,产品数据交换 标准)是一种产品模型数据交换标准格式，该标准已经成为国 际公认的CAD数据文件交换全球统一标准。
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3.STL文件的规范
为保证三角形面片所表示的模型实体的唯一性 ，STL文件 必须遵循一定的规范，否则这个STL文件就是错误的，具体规 范如下：
1）取向原则 STL 文件中的每个三角形面片都是由三条边组成的，且具 有方向性：三条边按逆时针顺序由右手定则可以确定面的法 向量，且该法向量应指向所描述实体表面的外侧 ，相邻的三 角形的取向不应出现矛盾。
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet（在一个STL文件中，每一个facet由以上7行数据组成）
facet normal x y z
outer loop
vertex x y z
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet
endsolid name of object
STL模型的所有表面都必须布满三角形面片，不得有任何遗 漏，即不能有裂纹或孔。
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4、STL文件的精度
自由曲面的三角形面片逼近
• STL文件是三维实体模型经过三角网络化处理之后得到的数据 文件，它将实体表面离散化成大量的三角形面片，依靠这些 三角形面片来逼近理想的三维实体模型。逼近的精度通常由 曲面到三角形平面的距离误差或是曲面到三角形边的弦高差 控制。