快速成型工艺中的数据处理

图10 不同精度情况下表面三角化文件的对比
三、STL数据文件及处理
3.2 STL数据格式类型
STL文件类型：ASCII格式和二进制格式。 ASCII的文件格式：输出的形式可阅读并能进行检查。
二进制格式: 由84个字节(Byte)组成文件头，前80个字节 用来表示有关文件、作者姓名和注释的信息，后4 个字节表示三角形面片的数量； 对于每个三角形面片，用48个字节来表示三个 顶点坐标和面片的外法线矢量，每个坐标用4个字 节表示；最后2个不占用字节。
人体形状量测：人体外形量测、医学工程；
造型设计：立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画等。
鞋的扫描和反求
复杂曲面的反求
汽车造型的扫描和反求
表面重建
应用于影视 动画技术
点云 艺术品的点云和反求 网格
三、STL数据文件及处理
3.1 STL数据格式简介 STL文件格式是美国3D System 公司于1988 年制 定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务 的三维图形文件格式，是三维实体模型文件经过三角 化处理后得到的模型文件。 已成为CAD系统与RPM 系统之间的数据交换标准。
前处理
分层叠加成形
光固化原型－SLA 叠层实体制造－LOM
后处理
构造三维模型 模型近似处理
工件剥离或 去支撑等
强硬化处理
成型方向选择
切片处理
选择性激光烧结－SLS 熔融沉积制造－FDM ＊＊＊＊＊
图12 典型快速成形系统 表面处理
四种方法的特点及存在的问题
光固化原型－SLA :细、薄零件优势突出。激光 器价格昂贵，寿命短，运行费用高；材料昂贵。 叠层实体制造－ LOM：系统、材料价格较低， 运行费用低；需剥离废料，制作薄壁件困难。 选择性激光烧结－ SLS：适应多种材料，可直 接制作塑料件和注塑模镶块,生产率高,材料利用 率高；系统昂贵。 熔融沉积制造－ FDM：系统价格较低，生产率 太低，材料单一。
2.2 逆向工程的概念
逆向工程(Reverse Engineering) :将实物转变为 CAD模型相关的数字化技术,几何模型重建技术 是和产品制造技术的总称。 将已有产品或实物模型转化为工程设计模型 和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖, 深化和再创造的过程。 对已有产品的仿制或仅局部修改,对产品的功 能不做主要因素考虑。
二.快速成形技术中的逆向工程
2.3 逆向工程的过程及步骤 逆向工程的过程：
图4 逆向工程流程图
3D测量
曲面重构 点云处理
图5 逆向工程过程实例
前期准备: 如贴参考点、物体表面喷涂显像剂 和仪器与软件校准等。
扫描过程:扫描系统校准后，可对产品多个角度 的不同方位进行扫描，实现产品的整个外形扫描。 如无法一次扫描完成，根据产品的形状，把其分 成几部分，分别扫描。然后在Catia软件中，通过 公共参考点把分别扫描所得的扫描照片自动进行 拼合为一个整体，最终完成整个产品外形的扫 描。——3D测量扫描
2.1正向工程的概念
正向工程(Forwad Engineering)：产品的开发 循着序列严谨的研发流程，从功能与规格的预 期指针确定开始，构思产品的零组件需求，再 由各个组件的设计、制造以及检验零组件、检 验整机组装、性能测试等过程。
规格订定 设计
图3 正向工程流程图
制造
检验
二.快速成形技术中的逆向工程
4
4 4 4 2
float vertex2 z
float vertex3 x float vertex3 y float vertex3 z 预留
三、STL数据文件及处理
3.3 STL数据的缺陷及处理 STL本身的缺陷以及数据转换过程中出现错误 等原因，在STL模型中也存在着诸如漏洞、裂缝 或重叠、顶点不重合及法向量错误等诸多缺陷。
扫描完成，经过点云对齐、三角化、光顺，得到的产 品外形点云文件。输出STL文件，以便Catia软件对点 云进行后序处理 。——点云处理
点云测量数据处理:
数据预处理：去除坏点,补充缺少点,消除测量误差, 去除数据缝合时重迭的冗余数据等。
测量点云数据的分割：被测物难以用一个曲面表示， 须将点云数据进行分割，形成多个曲面模型，曲面 片之间光滑过渡以进行物体模型重构，减少计算量， 便于修改，保证精度。 分割原则:数据块的凸凹性一致,曲面重构时态性较好。 分割方法：基于曲率法,基于边,基于面。
图6 三坐标测量机
三坐标测量机的主体主要有：底座、测量工作台、立柱、 X及Y向支撑梁和导轨、Z轴部件及测量系统（感应同步器、 激光干涉仪、精密光栅尺等）、计算机及软件。
三坐标测量机---CMM
三坐标测量机---CMM
Chameleon 7107 三坐 标测量机 美国布朗· 夏普公司制造 测量范围: 650×1000×650mm
典型的 STL 文件
31
三、STL数据文件及处理
3.1 STL数据格式简介
STL文件格式：采用一系列小三角形逼近模型上的 自由曲面，将CAD表面离散化为三角形面片，STL文件 即为多个三角形面片的集合。 每个三角形面片有四个数据项表示，即三角形的三 个顶点坐标和面片的外法线矢量，三角形顶点的排列顺 序遵循右手法则。
2.4 逆向工程相对于正向工程的优势 产品设计的直观性 节省产品开发的时间和成本 减少风险，提高质量，增强企业竞争力 完成正向工程不能完成的样品开发
二.快速成形技术中的逆向工程
2.5 逆向工程的应用范围
新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计； 已有零件的复制，再现原产品的设计意图； 损坏或磨损零件的还原； 数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质 量等，以及进行模型的比较； 模具样品开发：汽、机车，电、资、通产品，消费性电 子产品及 相关零组件、运动器材、玩具、陶瓷、鞋；
测头的6个面 上有40 个发光 二极管LED， 它保证了测头 在任何环境下 的良好视野。
扫描器 对测头上的 LED作精密 测量，以计 算测头的活 动位置和方 位。
光学跟踪器
图7 K-Scan为便携式的坐标测量机系统
动画
独立式激光扫描：
手持式，独立使用，十字交叉激光线扫描，距工件 远近300～400mm，测量死角极少，可对零件全周翻 来覆去扫描，直接输出STL三角网格数据格式 ； 在汽车行业，甚至在驾驶舱内部对所有内饰进行扫 描，50mm以下零件（手机壳内表面）上的细小特征如 窄槽、孔、柱、筋等扫描效果一般；大件扫描效果好。 可视性直观，即扫即显。
图11 三维模型的切片处理
分层叠加成形:
分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机 据此信息控制激光器（或喷嘴）,有选择性地烧结 一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液 态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或 喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）,形成一系 列具有一个微小厚度的片状实体，再采用熔结、 聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以 制造出所设计的新产品样件、模型或模具。
快速成型技术的步骤：
利用三维建模设计软件：设计和构建3D CAD 模型，然后输出为STL格式的文件；
RP的分层处理软件：对STL文件进行分层处理；
RP设备：对处理好的数据模型进行实体制造， 加工生成第一个层后，模型降低一个层高以便生 成另一层，循环往复，直到生成整个成型件； 成型件制成之后，按照一定步骤进行后处理，包 括固化、去除支撑材料、表面清洁、打磨抛光、喷 漆上色等，以得到最终完美的样品。
表1 二进制STL文件格式
字节数
80 4
4 4 4 4
描述
文件头信息，如创建者、创建时间 文件包含三角形面片的个数
float normal x float normal y float normal z float vertex1 x
4
4 50 4 4
float vertex1 y
float vertex1 z float vertex2 x float vertex2 y
Catia软件调入STL格式的点云文件，依据其特征做出 一些辅助基准，过滤点云数据中的杂点，对其进行优化， 删除不必要的点，适当降低点云密度，可加快计算机处 理速度。 为了确保重构的精度，在构建过程中，要随时检测点 云和曲线之间的偏差。确保特征线在偏差允许范围内， 以保证与原型的一致性。 ——曲面重构 应用Catia的特征造型和曲面造型功能，最终完成产 品的三维造型。 ——CAD建模
光固化快速成形—SLA
光固化成形亦称立体印刷（SLA-Stereo Lithgraphy Apparatus）:于1984年由Charles Hull提出并获美国专 利。1988年美国3D Systems公司推出世界上第一台商 品化RP设备SLA-250。
以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其 固化成形，自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立 体形状，在制造领域具有划时代的意义。 目前，SLA工艺已成为世界上研究最深入、技术最成 熟、应用最广泛的一种快速原型方法。SLA是现在最典 型的快速成形主流工艺之一，全世界各种工艺的快速成 形装备中，SLA设备接近占到50%。
样件
概念
2D图纸
扫描机 数据处理软件
3D CAD软件
产品3D模型
图2 基于数字化产品快速设计途径
4
二.快速成形技术中的逆向工程
2.1 正向工程的概念 2.2 逆向工程的概念 2.3 逆向工程的过程及步骤 2.4 逆向工程相对于正向工程的优势 2.5 逆向工程的应用范围
二.快速成形技术中的逆向工程
二.快速成形技术中的逆向工程
2.3 逆向工程的过程及步骤 逆向工程的步骤：
零件原型的数字化：采用三坐标测量机或激光扫描等测 量装置获取零件原型表面点的三维坐标值。 提取零件原型的几何特征：按测量数据的几何属性对其 进行分割，获取零件原型所具有的设计与加工特征。 零件原型CAD模型的重构：将三维数据在CAD系统中 分别做模型的表面拟合、求交与拼接获取CAD模型。 重构CAD模型的检验与修正：对获取的模型重新测量 和加工出样件来检验模型是否满足精度或其他性能要求。
图8 独立式激光扫描仪Handyscan
集成式激光扫描 安装在测量臂或三坐标机上才可使用，依托 测量臂或三坐标定位，测量死角相对较多， 50mm以下零件（手机壳内表面）上的细小特征 如窄槽、孔、柱、筋等扫描效果稍好；大件扫描 效果一般，因点云拼接容易造成点云分层 。
二.快速成形技术中的逆向工程
CAD三维造型
STL文件
前处理
对STL文件进行处理
生成CLI文件 监控软件 生成NC指令 层层堆积 工件剥离去支撑
三维模型的构造、 三维模型的近似处 理、模型成形方向 前处理 的选择和三维模型 的切片处理。 快速成形的核心， 包括模型截面轮 廓的制作与截面 轮廓的叠合。
分层叠加成形
制造原型
后处理
表面处理强化 原型件
图9 法矢方向与顶点顺序的关系
三、STL数据文件及处理
3.1 STL数据格式简介
根据实体的表面曲率，不同的精度时有不同的三角形 网格划分 。三角形面片的数量对成型模型轮廓的近似度 有着很大的影响。 数量愈多，所做出模型的近似值愈大，精度也愈高， 文件的容积愈大，数据的处理及传送就愈困难。三角形 面片的数量的多少，主要视模型的复杂程度及使用者对 原型的要求。
工件的剥离、固 化、修补、打磨、 抛光和表面强化 处理等
图1快速原型制作流程图
快速成型工艺中的数学处理
1 CAD三维模型的构建方法 2 快速成形技术中的逆向工程
3 STL数据文件及处理 4 三维模型的切片处理
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一. CAD三维模型的构建方法
概念设计：根据产品的要求或直接根据二维图 纸在CAD平台上设计产品的三维模型。 主流CAD软件有UG、Catia 、Solidworks 、Pro/E。 逆向工程RE：在仿制产品时，应用反求设备如 扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维 模型。
三、STL数据文件及处理
3.3 STL数据的缺陷及处理
针对STL文件的某一类或几类特定的缺 陷采用专门的纠错程序。自动优化修复算法 并开发出相应软件系统，或者在对STL模型 的整体合法性进行检验的前提下提出了相应 的自动修复算法。
四、三维模型的切片处理
切片处理:加工前从三维模型上沿成形的高度方 向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取 截面的轮廓。 间隔的大小:根据成形精度和生产率的要求选 定，间隔越小、精度越高、成形时间越长。间隔 的范围为0.05-0.5mm ，常用0.1mm左右 。 切片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚 度与之相适应。