快速成型技术的数据处理
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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
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
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。
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。
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）
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。
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。
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。
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。
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
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。
1 2
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。
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；
1
6
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
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
1 9
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。
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
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
8Βιβλιοθήκη Baidu
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。
现信息丢失问题。
1
8
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。
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。
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。
1 7
4.3.2 CAD三维数据格式
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3更. 表为面复模杂型。格式DXF
9
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。
1 5
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，
序。
AsoSlCidIIn格am式e的_o语f_o法bj如ec下t (：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）
正确
错误
1
0
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
1 1
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
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）
• 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。
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
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
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。
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。
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小三角形平面的数目
facet 1
4
float normal x
4
float normal y
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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）
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。
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。
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。
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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（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
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。
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；
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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
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
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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。
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
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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
8Βιβλιοθήκη Baidu
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。
现信息丢失问题。
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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。
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。
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
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3更. 表为面复模杂型。格式DXF
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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。
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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，
序。
AsoSlCidIIn格am式e的_o语f_o法bj如ec下t (：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）
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
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）
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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）
• 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。