快速成型技术的数据处理ppt课件

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1、 1 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 第四章快速成型技术的数据处理 2 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 1数据处理流程 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

2、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 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 3 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

3、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 4 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 目前

4、 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 5 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3DSystems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 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 6 1 STL文件的构成 STL是一种用许多小三角形平面来

5、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 7 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

6、序 ASCII格式的语法如下 solidname of object 整个STL文件的首行 给出了文件路径及文件名 facetnormalxyz facetnormal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标 outerloop outerloop说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标 vertexxyz 3个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列 vertexxyzvertexxyzendloopendfacet 在一个STL文件中 每一个facet由以上7行数据组成 facetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopend

7、facetendsolidnameofobject 8 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 ofbytesdescription80有关文件 作者姓名和注释信息4小三角形平面的数目facet14floatnormalx4floatnormaly4floatnormalz 以上3个4字节的浮点数表示角面片法矢量 4floatvertex1x4floatvertex1y4floatvertex1z 以上

8、3个4字节浮点数表示顶点1的坐标 4floatvertex2x4floatvertex2y4floatvertex2z 以上3个4字节浮点数表示顶点2的坐标 4floatvertex3x4floatvertex3y4floatvertex3z 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 9 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 chordheight 误差

9、 deviation 角度公差 angletolerance 等参数的值设置为0 01或是0 02 10 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 正确 错误 11 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 12 3 取值规则 STL文

10、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 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 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 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

11、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 15 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

12、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 16 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

13、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 17 4 3 2CAD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 StandardforTheExchangeofProduct 产品数据

14、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 18 4 3 2CAD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 InitialGraphicExchangeSpecification

15、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 DXF DrawingeXchangeFile 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

16、述复杂的产品信息时很容易出现信息丢失问题 19 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 20 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 SLC格式的截面轮廓依旧只是对实体截面的一种近似 因此精度不高 此外 该格式的计算较为复杂 文件庞大 生成也比较费时 21 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 2 CLI格式 CLI文件是目前快速成型设备普