第5章 快速成型的数据处理

5.1 概述
图5-1 快速成型的数据处理流程
5.2 快速成型的数据来源
1.三维CAD模型
是一种最重要、应用最广泛的数据来源。 由三维造型软件生成产品的三维CAD模型或实体模型，然 后对实体模型或表面模型直接分层得到精确地截面轮廓。 最常用的方法是将CAD实体模型先转换成三角网络模型（S TL文件），然后分层得到加工路径。
• • • •
• • • • • • • •
STL文件格式优点： 1）数据格式简单，分层处理方便，与具体CAD系统无关。 2）与原CAD模型的近似度高。 3）具有三维几何信息，模型用三角面片表示，三角面片可直 接作为有限元分析的网格。 4）为几乎所有的RP设备所接受，已成为行业公认的RP数据转 换标准。 缺点： 1）只是三维模型的近似描述，造成一定的精度损失 2）不含CAD拓扑关系 3）文件含有大量的冗余数据 4）模型易产生重叠面、孔洞、法向量和交叉面等错误和缺陷 5）必须经过分层处理 6）欲提高模型精度，需重新生成模型。
相关，根据具体工艺和材料的不同要求，工艺处理也有较大的 不同。
5.4.1 STL模型的检验与修复
快速成型工艺对STL文件的正确性和合理性有较高的要求，
主要是要保证STL模型无裂缝、空洞、悬面、重叠面和交叉
面，如果不纠正这些错误，会造成分层后出现不封闭的环和 歧义现象。
错误原因的查找和自动修复一直是快速造型软件领域研究的
当零件的结构复杂，成型支撑无法去除或大型零件的尺寸 超出成型机工作范围时，需对零件进行分割与拼合。
图5-17 电视机前面板的制作
2.添加支撑
图5-18 零件的支撑
STL文件修改工具，可以在两种层次上修改零件：对零件的全局性
修改和局部性修改。
全局性修改针对的是整个零件，是完全自动的，并能自动修复STL 文件面片的矢量错误、间隙、空洞、重叠面、面片的交叉等错误
局部性修改是手动逐一修改经自动修改后仍存在的残留错误，当 所有的坏三角形和边都修复完成后，零件将成为一个连贯的整体。
3.二维层片数据格式
包括：CLI、SLC
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 5）可从某些反求工程CT、MRI中得到。
一个重要方向。
在快速成型制造领域常见的STL文件错误主要有： 1)间隙错误(或称裂纹，空洞)，如图5-5a所示。
由三角面片的丢失引起的。当CAD模型的表面有较大曲率的曲面
相交时，在曲面的相交部分会出现三角面片的丢失而造成空洞。 2)法向量错误，如图5-5b所示。 这是进行STL格式转换时，未按正确的顺序右手法则排列构成三 角形的顶点而导致计算错误，所得法向量的方向没有指向外部。 3)顶点错误，如图5-3b所示， 即三角形的顶点落在另一三角形的某条边上，使得两个相邻三 角形只共享了一个点，违背了STL文件的共点原则。
2.自动修复法向错误
图5-13 面片修复工具栏
3.自动修复损坏的边界
图5-14 损坏的边界
3.自动修复损坏的边界
图5-15 零件STL文件属性对话框
4.修改残留错误
5.4.3 工艺处理
1.零件分割拼合 2.添加支撑 3.定向、排样合并
1.零件分割拼合
图5-16 密封条三维模型的分割
1.零件分割拼合
分层数据处理。
3.医学/体素数据 通过人体断层扫描CT和核磁共振MRI获得的数据都是三维的即物 体内部和表面都有数据。这种数据一般要经过三维CAD模型的重
构、分层处理后，才能进行成型加工。
5.3 快速成型的数据接口 5.3.1 数据接口格式
1.三维面片模型格式
2.CAD三维数据格式
3.二维层片数据格式
1. STL文件格式
• STL文件有ASCII文件格式及二进制文件格式两种形式。
• ASCII文件格式的特点是能被人工识别并修改，但因该格式的 文件占用空间太大，主要用来调试程序。采用四个数据项表 示一个三角形面片，即三角形的三个顶点坐标和三角形面片 的外法线矢量
• 二进制STL文件用固定的字节数来给出三角面片的几何信息。 用80字节的头文件和50字节的后述文件来描述一个三角形。
6)拓扑信息的紊乱。 主要由某些细微特征在三角网络化时的圆整造成的。出现图5-6 三种STL文件不允许的情况，STL文件必须重建。
6)拓扑信息的紊乱。
图5-6 紊乱的拓扑信息
• STL文件出现的许多问题往往来源于CAD模型中存在的一些 问题，对于一些较大的问题，如空洞、多面片丢失、较大 的体自交，最好返回CAD系统处理。对一些较小的问题可 采用快速成型数据处理软件提供的自动修复功能，不用回 到CAD系统重新输出，这样可节约时间，提高工作效率。 • 这里重点介绍比利时Materialise N.V.公司开发的Magics软 件，它能提供对STL文件强大的编辑、修复功能。下面介 绍其对STL文件的编辑和处理过程。
5.4.1 STL模型的检验与修复
图5Baidu Nhomakorabea5 STL文件的常见错误
4)重叠和分离错误，如图5-5c所示。 主要由三角形顶点计算时的舍入误差造成的
5)面片退化，如图5-5d所示。
是指小三角面片的三条边共线。常发生在曲率剧烈变化的两相 交曲面的相交线附近，主要由CAD软件的三角网络化算法不完
善造成的。
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析
图5-9 可视化后的模型
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析
图5-10 对STL文件错误进行诊断的对话框
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析
图5-11 对STL文件错误诊断分析结果
2.自动修复法向错误
图5-12 对STL文件法向错误进行自动修复的对话框
1.三维面片模型格式
三维面片模型格式主要有STL格式和CFL格式， STL格式是所有RP系统用得最多的数据转换格式。
图5-2 三角面片
• 三维面片模型就是用小三角面片去逼近自由曲面。STL文件 就是对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角形网络化得到 的。
• STL是一种用许多空间三角形小平面来逼近原CAD实体的数 据模型，这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片。 不同精度时有不同的三角形网格划分。STI 文件中每个三角 形面片有4个数据项表示，即三角形的3个顶点坐标和三角形 面片的外法线矢量，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文件只是无序地列出构成实体表面的所有三角形的几何 信息，不包含任何三角形之间的拓扑邻接信息。然而，在许 多基于STL的应用系统中，建立三角面片之间的拓扑关系是 十分必要的。
软件对STL文件面片错误修改的主要步骤：
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析 2.自动修复法向错误 3.自动修复损坏的边界 4.修改残留错误
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析
图5-7 打开STL文件
1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析
图5-8 零件显示菜单
第5章 快速成型的数据处理
第5章 快速成型的数据处理
5.1 概述 5.2 快速成型的数据来源 5.3 快速成型的数据接口 5.4 快速成型软件的分层数据处理 5.4.1 STL模型的检验与修复 5.4.2 Magics软件 5.4.3 工艺处理 5.4.4 三维模型的分层处理 5.4.5 层片扫描路径
5.1 概述
•快速成型是从零件的CAD模型或其它数据模型出发，用分层处理 软件将三维数据模型离散成截面数据，输送到快速成型系统的过 程，其数据处理流程见图5-1所示。 •从CAD系统、反求工程、CT或MRI获得的几何数据以快速成型分 层软件能接受的数据格式保存，分层软件通过对三维模型的工艺 处理、STL文件的处理、层片文件处理等生成各层面扫描信息， 然后以RP设备能够接受的数据格式输出到相应的快速成型机。
2.STL文件的规范
1）取向原则
每个小三角面片的法矢量必须由内部指向外部，小三角面片三 个顶点排列的顺序同法矢量，符合右手法则。 2）共顶点原则 相邻的两个小三角面片只能共享两个顶点，即一个顶点不能落 在相邻的任何一个小三角面片的边上。
图5-3 共顶点规则
2.STL文件的规范
3）取值原则 STL文件的所有顶点坐标都必须是正的，及STL模型必 须落在第一象限。 4）充满原则 在STL模型的所有表面必须不满小三角面片。
STL格式是快速成型行业公认的标准文件格式，现在商用的
CAD软件均带有STL文件的输出功能模块，且快速成型设备大 多是基于STL文件进行操作。
2.逆向工程数据 这种数据来源于通过逆向工程对已有零件进行数字化。利用逆向
测量设备采集零件表面点的数据，形成零件的表面数据点。这些
表面数据点的处理方法有两种：一种是对数据点进行三角化生成 STL文件，然后进行分层数据处理；另一种是对数据点直接进行
• 与STL文件相比，缺点：
• 1）不宜添加支撑
• 2）零件无法重新定位、无法旋转 • 3）对设计者要求更高，因为加支撑、选择最优的成型方 向均要在分层之前在CAD系统内有设计者完成。 • 4）分层厚度固定，这对某些RP系统不太合适。
5.3.2 STL文件
1. 2. 3.
STL文件格式 STL文件的规范 STL文件的精度
5.4 快速成型软件的分层数据处理
快速成型的分层数据处理包括对三维模型的工艺处理、STL文件 的处理、层片文件处理。
其中STL文件的处理、层片文件处理部分主要考虑离散、堆积过
程中的离散过程，他们将各种三维几何实体或表面模型转化为 RP设备所能接受的分层格式并作相应处理。
工艺处理与具体的RP工艺、材料及相应的零件后处理过程密切
2.CAD三维数据格式
有实体模型格式IGES和表面模型格式DXF两种，和STL相 比，能精确表示CAD模型，为大多CAD系统支持，但： 1）转换数据时定义的数据会部分丢失，不能完全精确地 转换数据
2）不能把两个零件的信息放在同一个文件中
3）产生的数据量太大 4）必须经过分层 5）难以对模型自动加支撑。
3.STL文件的精度
图5-4 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。
• 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。
5.3.3 CLI文件
CLI文件是目前快速成型设备普遍接受的一种数据接口文件，它 是三维模型分层后加工路径的数据文件存储格式。 CLI文件是一种简单、高效。无二义性的RP系统输入格式，有二 进制和文本两种格式。 CLI文件包含有分层信息、轮廓描述和填 充线数据。轮廓定义了实体区域的边界，它必须是封闭的，没 有自相交或与其他轮廓线相交的现象。填充线是一系列直线， 有一个起点和一个终点来定义。 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 计量单位、文件创建日期、总层数及用户数据。几何数据部分 主要记录用于描述二维截面的层、描述多边形轮廓线的多线段、 填充线等数据单元。
5.4.2 Magics软件
Magics软件是全球著名的STL处理平台，有一整套基于STL的解决 方案。
Magics RP功能：
1)对STL文件的浏览，测量和操作。 2)修改STL文件，组装壳体，切片分析。
3)对STL文件进行分割，冲孔。 4)布尔运算，生成中心腔体。 5)生成引用文件，以及进行时间分析。 6)进行表面缺陷及零件冲突的检测。