快速成形前处理课件

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1、第二章 快速成形过程及其前处理,快速成形的全过程可以归纳为以下三个步骤：,2.1 快速成形的过程,1)前处理 它包括,工件的三维模型的构造 三维模型的近似处理 模型成形方向的选择 三维模型的切片处理,2)分层叠加成形：它是快速成形的核心。包括模型截面轮廓 的制作与截面轮廓的叠合。 3)后处理：它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光 和表面强化处理等。,2.2 三维模型的构造,首先应在计算机上，用三维计算机辅助设计软件，根据产品的要求设计三维模型； 或将已有产品的二维三视图转换成三维模型； 或在仿制产品时，用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型(图23)。,在计算机或工作站上，用三维

2、计算机辅助设计(CAD)软件，根据产品的要求、可以设计其三维模型，或将已有的产品的二维三视图转换成三维模型。,2.2.1 用计算机辅助设计软件构造三维模型,形体表达方法，其中常见的有以下几种： (1)构造实体几何法(Constructive Solid Geometry，简称CSG法),构造实体几何法又称为积木块几何法(Building-Block Geometry),这种方法用布尔(Boolean)运算法则(并、交、减)，将一些较简单的体素(如立方体、圆柱体、环、锥体)进行组合、变化成复杂形状的三维模型实体。,它的优点是：数据结构比较简单，无冗余的几何信息，所得到的实体真实有效、并且能方便地

3、进行修改； 其缺点是：可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。,(2)边界表达法(Boundary Representation,简称 B-rep法) 边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。 这种方法的优点是:能快速地绘制立体或线框模型。 它的缺点是:数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG简单。,对于自由曲面,难于用传统的体素来进行描述，可用参量表达法。 其中较好的一种是非均匀有理B样条法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率,能准确地描述体素。,(3)参量表达法 (Parametric Representation),单元

4、表达法起源于分析(如有限元分析)软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成形技术中采用的三角形近似(将三维模型转化成STL格式文件)，就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。,(4)单元表达法(GellRepresentation),用于构造模型的计算机辅助设计软件应有较强的三维造型功能，这主要是： 实体造型(S0lid Modelling) 表面造型(Surface Modelling)功能,目前快速成形行业中常用的计算机辅助设计软件系统如表2.1所示。,上述计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，其中常见的有IGES、HPGL、STEP、

5、DXF和STL等。 (1)IGES(International Graphics Exchange Standard) IGES是大多数CAD系统采用的一种美国标准，可支持不同 文件格式间的转化。,(2)HPGL(HP GraPhics Language),HPGL是HP公司开发的一种用来控制自动绘图机的语言格 式，它已被广泛地接受，成为一项事实标准。这种表达格式的基本构成是描述图形的矢量，用X相y坐标来表示矢量的起点与终点,以及绘图笔相应的拾起和放下。,一些快速成形系统也用HPGL来驱动它们的成形头。,STEP是一种正在逐步国际标准化的产品数据交换标准。目 前，典型的CAD系统都能输出STE

6、P格式文件。 有些快速成形技术的研究工作者正试图借助STEP 格式，不经STL格式的转化，直接对三维CAD模型进行切片处理，以便提高快速成形的精度。,(3)STEP(Standard for The Excharge of Product),(4)DXF DXF是用于AutoCAD输出的一种格式，它以广泛的为其他PC系统所采用。 (5)STL STL格式 是快速成形机普遍采用的一种格式。,软件是 RP的灵魂。 因为RP是一种由CAD模型直接驱动、计算机控制下的全自动加工技术，从CAD模型到生成最终数控代码的全过程都是由计算机软件完成的，因此软件在RP制造中占据了极其重要的地位，软件的好坏对RP

7、加工的效率与制件质量有很大影响。,STL（STereo Lithography interface specification）文件：是一种在CAD与RP系统之间交换数据的格式化文件。 该文件的特点：格式简单，对三维模型建模无特定要求。是快速成形系统中标准数据输入格式。,2.3 三维模型的近似处理,一、STL模型的表示方法 STL格式文件是存放在CAD模型表面的离散化三角形面片数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。,STL文件有两种格式：即二进制和文本格式。 1、二进制STL文件格式是：将三角形面片数据的3个顶点的坐标(X，Y、Z)和1个法向量(N)来描述(如图所示)。三角形的大小是可以选

8、择的、从而能得到不同的曲面近似精度。 经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件。每个单片占用50B的存储空间。,2、文本STL文件是将数据以数字字符窜的形式存储，平均一个单片占用150B的存储空间。,二、STL文件的存储格式,二进制STL文件格式示例,近似精度要求愈高，选取的三角形应该愈多，但是过高的要求也是不必要的，以免所需三用形的数目和计算机的存储容量过大，数据处理州日过长。,（一） STL格式的规则,三、 STL文件的一致性规则及错误,（1）共顶点规则： 每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点。也就是说，一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个小三角形平面

9、的边上。,（2）取向规则： 用小三角形平面中的顶点排序来确定表面是内表面或外表面，反时针的顶点排序表示该表面为外表面（图a），顺时针的顶点排序表示该表面为内表面(图b)。按照右手法则来判断。,(3)取值规则 每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。 (4)合法实体规则 STL格式文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面。,不得有任何遗漏(即不能有裂缝或孔洞)； 不能有厚度为零的区域； 外表面不能从其本身穿过。,相邻两个三角形之间只有一个公共边，即必须共享两个顶点 组成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相连。 三角形面片的法向矢量要求指向实体

10、外部，三顶点排列顺序与外法矢之间的关系要符合右手法则。,总之,（二） STL文件的错误：,无效法矢 重叠面片 裂缝 漏洞 非正则形体,(1)出现了违顶点规则的三角形,(2)出现了违反取向规则的三角形 进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法向量的方向相反。,为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。,(3)出现错误的裂缝或孔洞 进行STL格式转换时，由于数据舍入的误差会造成一个点同时处于多个位置，因此，在显示的STL格式模型上。会有错误的孔洞或裂缝，违反充满规则。 此时，应在这些孔洞或裂缝中增补若干小三角形平面，从

11、而消除错误。,进行STL格式转换时，若转换精度选择不当，会出现三角形过多或过少的现象。 当转换精度选挥过高时，使产生的三角形过多，所占用的文件空间量太大，可能超出快速成形系统所能接受的范围，并出现一些莫名其妙的错误，导致成形困难； 当转换精度选挥过低时，使产生的三角形过少，造成成形件的形状、尺寸精度不满足要求； 遇到有上述情况时，应适当调整STL格式的转换精度。,(4)三角形过多或过少,当三维CAD模型上有非常小的特征结构(如很窄的缝隙、肋条或很小的凸起等)时，可能难于在其上布置足够数目的三角形小平面，致使这些特征结构遗漏或形状出错，或者在后续的切片处理时出现错误、混乱。,(5)微小特征遗漏或

12、出错,对于这类问题，比较难于解决。因为如果要想用更高的转换精度(即更小尺寸和更多数目的三角形小平面)，以及更小的切片间隔，来克服这类缺陷，必然会使占用的文件空间量更大，造成快速成形系统的困难。,用于观察和编辑(修改)STL格式文件的专用软件(表2-4)。,下面以Magics为例来说明这类软件的功能： (1)观察(Visualisation) 借助观察这个功能，可以对显示的模型立体阴影图，进行如同摄像机控制方式的随意旋转、观察；还可用剖视得到截面，从而观察模型的内部。 (2)测量(Measuring) 在STL格式文件所表达的模型上，进行点与点、线与线、弧与弧之间的三维测量，并且打印出测量结果。

13、,(4)修改Reparation) 对STL格式文件中的错误进行修改，例如缝合、填充裂缝、调整法线等。,(3)变换(Manipu1ation) 不必返回CAD系统，就可对STL格式文件所表达的模型进行变换，如布尔(逻辑)运算、分割、减少三角形的数量、复制、镜射和缩放。,5)为成形作准备(WorkPreparation) 为了按照要求的方位在快速成形机上制作工件，Magics能对STL格式文件所表达的模型,进行移动、旋转、套做和切片，并且估计制作时间和报价。 (6)生成文撑结构(Support Generation),提供多种不同的文撑结构及其组合。下图所示为生成的一种脚手架式支撑结构，这种结构

14、具有节省制作时间、节省材料和易于剥离的待点。,2.4 STL格式的优缺点及其改进格式,1、STL格式的优点 1）格式简单 2）与CAD建模方法无关； 2、 STL格式的缺点 1）数据冗余，文件庞大，网络传输效率很低； 2）使用小三角形平面来近视三维曲面，存在曲面误差； 3）缺乏拓扑信息，容易产生错误，切片算法复杂； 4)针对以上缺点，在快速成形机上，出现了多种代替STL文件接口形 式，如SLC、CLl、HP/GL、IGES、STEP、RPI、RIJI、LtAF相SIF等几 种。其中PowerRP软件能支持改进的接口格式CS。,3、改进格式应具备的条件： 1）与STL文件兼容； 2）与STL文件

15、相比，能显著减少文件尺寸，且具有模型拓扑信息，易 于RP软件重构模型拓扑结构； 3）格式要求简单，并于CAD建模无关。,4、 RP软件介绍,RP软件从功能侧重点上主要分为两种：第三方和专用RP软件。,(1)独立第三方RP软件输入的数据文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL，CT层片文件等。 国外主要第三方RP软件有： 1) Bridge Works 是美国Solid Concept公司于1992年推出； 2) SolidView,是美国Solid Concept公司于1994年推出； 3) STL Manager，是美国POGO公司于1994年推出； 4) STLView,是美国工程师在

16、业余时间所写的软件； 5) Surfacer-RPM，这是美国Imageware公司于1994年为其 Surfacer软件增加的数据处理模块;,6)Magics软件是比利时推出的基于STL文件的通用RP数据处理软件，使当今最具影响力的软件，应用极广。,其主要功能有： 1、STL文件的显示、测量、编辑、纠错和切片； 2、切片轮廓的正确性验证，模型各部件间的冲突检测； 3、布尔运算（包括模型的拼接和任意划分，添加导流管等 功能） 4、模型加工时间预测、报价（依耐特定的RP设备）； 5、模型的镂空，三位偏置； 6、对STL模型添加FDM，SLA工艺要求的支撑结构。,(2)RP系统制造商开发的专用软件,RP系统专用软件，使针对设备操作人员而开发的软件，操作简单。,1、3D Systems公司的ACES和Quickast； 2、Hellisys公司的LOMSlice； 3、DTM Rapid公司的TONNL； 4、Stratasys公司的QuickSlice，SupportWorks和AutoGen； 5、Cubita