演示文稿第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理

（優(yōu)選）第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是1頁\一共有105頁\編輯于星期三

快速成型的制作需要前端的CAD數(shù)字模型來支持，也就是說，所有的快速成型制造方法都是由CAD數(shù)字模型來直接驅(qū)動(dòng)的。來源于CAD的數(shù)字模型必須處理成快速成型系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式而且在原型制作之前或制作過程中還需要進(jìn)行疊層方向的切片處理。此外，樣件反求以及來源于CT等的醫(yī)學(xué)模型等的數(shù)據(jù)都需要轉(zhuǎn)換成CAD模型或直接轉(zhuǎn)換成RP系統(tǒng)可以接收的數(shù)據(jù)。因此，在快速成型技術(shù)實(shí)施之前以及原型制作過程中需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理工作，數(shù)據(jù)的充分準(zhǔn)備和有效的處理決定著原型制作的效率、質(zhì)量和精度。因此，在整個(gè)快速成型技術(shù)的實(shí)施過程中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備是必須的，數(shù)據(jù)的處理是十分必要和重要的。第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是2頁\一共有105頁\編輯于星期三STL數(shù)據(jù)文件及處理三維模型的切片處理CAD三維模型的構(gòu)建方法123STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP4CT圖像數(shù)據(jù)處理軟Mimics5第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是3頁\一共有105頁\編輯于星期三

目前，基于數(shù)字化的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)有兩種主要途徑：一種是根據(jù)產(chǎn)品的要求或直接根據(jù)二維圖紙?jiān)贑AD軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品三維模型，常被稱為概念設(shè)計(jì)；另一種是在仿制產(chǎn)品時(shí)用掃描機(jī)對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行掃描，得到三維模型，常被稱為反求工程。兩種常用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路如圖7-1所示。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法圖7-1基于數(shù)字化產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)基本途徑

現(xiàn)在是4頁\一共有105頁\編輯于星期三1.1概念設(shè)計(jì)

目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)大面積地直接采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來構(gòu)造產(chǎn)品三維模型，也就是說，產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)已基本甩脫傳統(tǒng)的圖紙描述方式，而直接在三維造型軟件平臺(tái)上進(jìn)行。目前，幾乎盡善盡美的商品化CAD/CAM一體化軟件為產(chǎn)品造型提供了強(qiáng)大的空間，使設(shè)計(jì)者的概念設(shè)計(jì)能夠隨心所欲，且特征修改也十分方便。目前，應(yīng)用較多的具有三維造型功能的CAD/CAM軟件主要有Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。隨著計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展，許多原來基于計(jì)算機(jī)工作站開發(fā)的大型CAD/CAM系統(tǒng)已經(jīng)移植于個(gè)人計(jì)算機(jī)上，也反過來促進(jìn)了CAD/CAM軟件的普及。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是5頁\一共有105頁\編輯于星期三第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是6頁\一共有105頁\編輯于星期三

一般來說，從事快速成型研究與服務(wù)的機(jī)構(gòu)和部門都已經(jīng)配備了三維設(shè)計(jì)手段，一般的設(shè)計(jì)開發(fā)部門也逐漸地由傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)發(fā)展到3D上來。下表給出的是1995年日本幾家從事RP服務(wù)的公司所服務(wù)的客戶的設(shè)計(jì)來源是否采用3D設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是7頁\一共有105頁\編輯于星期三1.2反求工程

新產(chǎn)品開發(fā)過程中的另一條重要路線就是樣件的反求。反求工程技術(shù)（ReverseEngineering，RE）又稱逆向工程技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是以產(chǎn)品及設(shè)備的實(shí)物、軟件(圖紙、程序及技術(shù)文件等)或影像(圖片、照片等)等作為研究對(duì)象，反求出初始的設(shè)計(jì)意圖，包括形狀、材料、工藝、強(qiáng)度等諸多方面。簡(jiǎn)單說，反求就是對(duì)存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實(shí)物的CAD模型，進(jìn)而對(duì)實(shí)物進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造的過程。反求工程主要用于已有零件的復(fù)制、損壞或磨損零件的還原、模型精度的提高及數(shù)字化模型檢測(cè)等。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是8頁\一共有105頁\編輯于星期三

反求工程技術(shù)不是傳統(tǒng)意義上的“仿制”，而是綜合應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)地分折研究，進(jìn)而快速開發(fā)制造出高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。反求工程對(duì)于難以用CAD設(shè)計(jì)的零件模型以及活性組織和藝術(shù)模型的數(shù)據(jù)攝取是非常有利的工具，對(duì)快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品等的改進(jìn)和完善或參考設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。尤其是該項(xiàng)技術(shù)與快速成型技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速三維拷貝，并經(jīng)過CAD重新建模修改或快速成型工藝參數(shù)的調(diào)整，還可以實(shí)現(xiàn)零件或模型的變異復(fù)原，如圖7-2所示。

第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是9頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-2

反求工程技術(shù)應(yīng)用開發(fā)流程圖

第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是10頁\一共有105頁\編輯于星期三

反求的主要方法有三坐標(biāo)測(cè)量法、投影光柵法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自動(dòng)斷層掃描法等。常用的掃描機(jī)有傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CoordinateMeasurementMachine—CMM）、激光掃描機(jī)（LaserScanner）、零件斷層掃描機(jī)（CrossSectionScanner）以及CT（ComputerTomography）和MRI（MagneticResonanceImaging）等。采用反求工程方法進(jìn)行產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，需要對(duì)樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，具體內(nèi)容如圖所示。反求工程中較大的工作量就是離散數(shù)據(jù)的處理。一般來說，反求系統(tǒng)中應(yīng)攜帶具有一定功能的數(shù)據(jù)擬合軟件，或借用常規(guī)的CAD/CAM軟件UGII、Pro/E等，也有獨(dú)立的曲面擬合與修補(bǔ)軟件如Surfacer等。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是11頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-3

反求工程中的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是12頁\一共有105頁\編輯于星期三

ImagewareSurfacer軟件是SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司推出的逆向工程軟件，是對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過程前后階段的補(bǔ)充，是專用于將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲面模型的軟件。ImagewareSurfacer提供了在逆向工程、曲面設(shè)計(jì)和曲面評(píng)估方面最好的功能，它能接收各種不同的數(shù)據(jù)來源，通過3D點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠生成高質(zhì)量曲線和曲面幾何形狀。該軟件能夠進(jìn)行曲面檢定，分析曲面與實(shí)際點(diǎn)的距離，可以進(jìn)行著色、反射或曲率分析及橫截面功能。曲線和曲面可以進(jìn)行即時(shí)交換式形狀修改。ImagewareSurfacer軟件具有掃描點(diǎn)處理、曲面制造工具、曲面分析工具、曲線處理以及曲面處理等功能和模塊。圖7-4給出的是ImagewareSurfacer軟件的界面及其正在進(jìn)行的曲線處理。逆向工程對(duì)于企業(yè)制造過程來說是非常重要的。如何從企業(yè)僅有的樣件、油泥模型、模具等“物理世界”快速地過渡到計(jì)算機(jī)可以隨心所欲處理的“數(shù)字世界”，這是制造業(yè)普遍面臨的實(shí)際問題。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是13頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-4

ImagewareSurfacer軟件界面及其曲線處理第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是14頁\一共有105頁\編輯于星期三

ImagewareSurfacer特別適用于以下情況：①企業(yè)只能拿到真實(shí)零件而沒有圖紙，又要求對(duì)此零件進(jìn)行分析、復(fù)制及改型；②在汽車、家電等行業(yè)要分析油泥模型，對(duì)油泥模型進(jìn)行修改，得到滿意結(jié)果后將此模型的外型在計(jì)算機(jī)中建立數(shù)字模型；③對(duì)現(xiàn)有的零件工裝等建立數(shù)字化圖庫(kù)；④在模具行業(yè)，往往需要用手工修模，修改后的模具型腔數(shù)據(jù)必須要及時(shí)地反映到相應(yīng)的CAD設(shè)計(jì)之中，這樣才能最終制造出符合要求的模具。此外，ImagewareVerdict軟件的快速成型模塊能夠快速利用數(shù)字化數(shù)據(jù)或利用其它系統(tǒng)的曲面幾何形狀生成原型，從而縮短了進(jìn)行數(shù)字化、生成CAD模型直至最后生成原型這一過程的周期，而且該軟件模塊可以直接根據(jù)產(chǎn)品的STL文件自動(dòng)制作出該產(chǎn)品的模具模型。第一節(jié)CAD三維模型的構(gòu)建方法現(xiàn)在是15頁\一共有105頁\編輯于星期三STL數(shù)據(jù)文件及處理三維模型的切片處理CAD三維模型的構(gòu)建方法123STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP4CT圖像數(shù)據(jù)處理軟Mimics5第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是16頁\一共有105頁\編輯于星期三

快速成型制造設(shè)備目前能夠接受諸如STL，SLC，CLI，RPI，LEAF，SIF等多種數(shù)據(jù)格式。其中由美國(guó)3DSystems公司開發(fā)的STL文件格式可以被大多數(shù)快速成型機(jī)所接受，因此被工業(yè)界認(rèn)為是目前快速成型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有類型的快速成型制造系統(tǒng)都采用STL數(shù)據(jù)格式。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是17頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1STL文件的格式

STL文件的主要優(yōu)勢(shì)在于表達(dá)簡(jiǎn)單清晰，文件中只包含相互銜接的三角形片面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其外法矢。STL數(shù)據(jù)格式的實(shí)質(zhì)是用許多細(xì)小的空間三角形面來逼近還原CAD實(shí)體模型，這類似于實(shí)體數(shù)據(jù)模型的表面有限元網(wǎng)格劃分，如圖7-5所示。STL模型的數(shù)據(jù)是通過給出三角形法向量的三個(gè)分量及三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。STL文件記載了組成STL實(shí)體模型的所有三角形面，它有二進(jìn)制（BINARY）和文本文件（ASCII）兩種形式。

圖7-5

采用STL數(shù)據(jù)格式描述的CAD模型第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是18頁\一共有105頁\編輯于星期三1.STL的ASCII文件格式ASCII起初主要是為了檢驗(yàn)CAD界面而設(shè)計(jì)開發(fā)的。但是由于其自身格式太大，使它在實(shí)際中沒有太大的應(yīng)用，主要用來調(diào)試程序。右邊就是ASCIISTL文件的語法格式。

ASCII文件格式的特點(diǎn)：

（1）能被人工識(shí)別并被修改；

（2）文件占用空間大（一般6倍于BINARY形式存儲(chǔ)的STL文件）。solidname_of_objectfacetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopendfacetfacetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopendfacet..............endsolidname_of_object第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是19頁\一共有105頁\編輯于星期三2.STL的二進(jìn)制文件格式

二進(jìn)制文件采用IEEE類型整數(shù)和浮動(dòng)型小數(shù)。文件用84字節(jié)的頭文件和50字節(jié)的后述文件來描述一個(gè)三角形。注意到每個(gè)面目錄都是50個(gè)字節(jié)，如果是所生成的STL文件是由10000個(gè)小三角形構(gòu)成的，再加上84字節(jié)的頭文件，該二進(jìn)制STL文件的大小便是84＋50×10000＝500084B≈0.5MB。若同樣的精度下，采用ASCII形式輸出該STL文件，則此時(shí)的STL文件的大小約為6×0.5MB=3.0MB。

第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是20頁\一共有105頁\編輯于星期三2.2STL文件的精度

STL文件的數(shù)據(jù)格式是采用小三角形來近似逼近三維實(shí)體模型的外表面，小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度。顯然，精度要求越高，選取的三角形應(yīng)該越多。但是，就本身面向快速成型制造所要求的CAD模型的STL文件，過高的精度要求也是不必要的。因?yàn)檫^高的精度要求可能會(huì)超出快速成型制造系統(tǒng)所能達(dá)到的精度指標(biāo)，而且三角形數(shù)量的增多會(huì)引起計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的加大，同時(shí)帶來切片處理時(shí)間的顯著增加，有時(shí)截面的輪廓會(huì)產(chǎn)生許多小線段，不利于激光頭的掃描運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致低的生產(chǎn)效率和表面不光潔。所以，從CAD/CAM軟件輸出STL文件時(shí)，選取的精度指標(biāo)和控制參數(shù)應(yīng)該根據(jù)CAD模型的復(fù)雜程度以及快速原型精度要求的高低進(jìn)行綜合考慮。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是21頁\一共有105頁\編輯于星期三

不同的CAD/CAM系統(tǒng)輸出STL格式文件的精度控制參數(shù)是不一致的，但最終反映STL文件逼近CAD模型的精度指標(biāo)表面上是小三角形的數(shù)量，實(shí)質(zhì)上是三角形平面逼近曲面時(shí)的弦差的大小。弦差指的是，近似三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離。從本質(zhì)上看，用有限的小三角面的組合來逼近CAD模型表面，是原始模型的一階近似，它不包含鄰接關(guān)系信息，不可能完全表達(dá)原始設(shè)計(jì)的意圖，離真正的表面有一定的距離，而在邊界上有凸凹現(xiàn)象，所以無法避免誤差。下面以具有典型形狀的圓柱體和球體為例，說明選取不同三角形個(gè)數(shù)時(shí)的近似誤差，如下表所示。從弦差、表面積誤差以及體積誤差的本身對(duì)比和兩者之間的對(duì)比可以看出：隨著三角形數(shù)目的增多，同一模型采用STL格式逼近的精度會(huì)顯著地提高；而不同形狀特征的CAD模型，在相同的精度要求條件下，最終生成的三角形數(shù)目的差異很大。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是22頁\一共有105頁\編輯于星期三

從弦差、表面積誤差以及體積誤差的本身對(duì)比和兩者之間的對(duì)比可以看出：隨著三角形數(shù)目的增多，同一模型采用STL格式逼近的精度會(huì)顯著地提高；而不同形狀特征的CAD模型，在相同的精度要求條件下，最終生成的三角形數(shù)目的差異很大。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是23頁\一共有105頁\編輯于星期三2.3STL文件的糾錯(cuò)處理

1.STL文件的基本規(guī)則

（1）取向規(guī)則STL文件中的每個(gè)小三角形面都是由三條邊組成的，而且具有方向性。三條邊按逆時(shí)針順序由右手定則確定面的法矢指向所描述的實(shí)體表面的外側(cè)。相鄰的三角形的取向不應(yīng)出現(xiàn)矛盾，如圖7-6所示。

a)正確

b)錯(cuò)誤圖7-6切面的方向性示意圖第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是24頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）點(diǎn)點(diǎn)規(guī)則每個(gè)三角形必須也只能跟與它相鄰的三角形共享兩個(gè)點(diǎn)，也就是說，不可能有一個(gè)點(diǎn)會(huì)落在其旁邊三角形的邊上，圖7-7便示意了存在問題的點(diǎn)。

圖7-7錯(cuò)誤點(diǎn)示意圖

因?yàn)槊恳粋€(gè)合理的實(shí)體面至少應(yīng)有1.5條邊，因此下面的三個(gè)約束條件在正確的STL文件中應(yīng)該得到滿足：1)面必須是偶數(shù)的；2)邊必須是3的倍數(shù)；3)2×邊＝3×面。

第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是25頁\一共有105頁\編輯于星期三

（3）取值規(guī)則STL文件中所有的頂點(diǎn)坐標(biāo)必須是正的，零和負(fù)數(shù)是錯(cuò)的。然而，目前幾乎所有的CAD/CAM軟件都允許在任意的空間位置生成STL文件，唯有AutoCAD軟件還要求必須遵守這個(gè)規(guī)則。STL文件不包含任何刻度信息，坐標(biāo)的單位是隨意的。很多快速成型前處理軟件是以實(shí)體反映出來的絕對(duì)尺寸值來確定尺寸的單位。STL文件中的小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片軟件的快速解算。

（4）合法實(shí)體規(guī)則STL文件不得違反合法實(shí)體規(guī)則，即在三維模型的所有表面上，必須布滿小三角形平面，不得有任何遺漏（即不能有裂縫或孔洞），不能有厚度為零的區(qū)域，外表面不能從其本身穿過等。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是26頁\一共有105頁\編輯于星期三

2.常見的STL文件錯(cuò)誤

像其它的CAD/CAM常用的交換數(shù)據(jù)一樣，STL也經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和格式錯(cuò)誤，其中最常見的錯(cuò)誤如下：

（1）遺漏盡管在STL數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)中沒有特別指明所有的STL數(shù)據(jù)文件所包含的面必須構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)合理的法定實(shí)體，但是正確的STL文件所含有的點(diǎn)、邊、面和構(gòu)成的實(shí)體數(shù)量必須滿足如下的歐拉公式：F-E+V=2-2H其中，F(xiàn)（Face）、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分別指面數(shù)、邊數(shù)、點(diǎn)數(shù)和實(shí)體中穿透的孔洞數(shù)。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是27頁\一共有105頁\編輯于星期三

出現(xiàn)遺漏的原因一般有如下2個(gè)方面：一是2個(gè)小三角形片面在空間的交差（如圖7-8a所示），這種情況主要是由于低質(zhì)量的實(shí)體布爾運(yùn)算生成STL文件過程中產(chǎn)生的；二是在2個(gè)連接表面三角形化時(shí)不匹配造成的，如圖7-8b所示。a)

b)圖7-8遺漏錯(cuò)誤產(chǎn)生原因示意圖第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是28頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）退化面

退化的面是STL文件中另一個(gè)常見的錯(cuò)誤。它不像上面所說的錯(cuò)誤一樣，它不會(huì)造成快速成型加工過程的失敗。這種錯(cuò)誤主要包括以下2種類型：①點(diǎn)共線（如圖7-9a）?；蛘呤?，不共線的面在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中形成了三點(diǎn)共線的面。②點(diǎn)重合（如圖7-9b）。或者是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)造成這種結(jié)果。123132a)

b)圖7-9退化面形成示意圖第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是29頁\一共有105頁\編輯于星期三

盡管，退化面并不是很嚴(yán)重的問題，但這并不是說，它就可以忽略。一方面，該面的數(shù)據(jù)要占空間；另一方面，也是更重要的，這些數(shù)據(jù)有可能使快速成型前處理的分析算法失敗，并且使后續(xù)的工作量加大和造成困難。圖7-10便是由劃分三角形面而產(chǎn)生的無窮多的退化面的一個(gè)例子。圖7-10由劃分三角形面而產(chǎn)生無窮多的退化面第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是30頁\一共有105頁\編輯于星期三

（3）模型錯(cuò)誤這種錯(cuò)誤不是在STL文件轉(zhuǎn)換過程中形成的，而是由于CAD/CAM系統(tǒng)中原始模型的錯(cuò)誤引起的，這種錯(cuò)誤將在快速成型制造過程中表現(xiàn)出來。（4）錯(cuò)誤法矢面進(jìn)行STL格式轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)因未按正確的順序排列構(gòu)成三角形的頂點(diǎn)而導(dǎo)致計(jì)算所得法矢的方向相反。為了判斷是否錯(cuò)誤，可將懷疑有錯(cuò)的三角形的法矢方向與相鄰的一些三角形的法矢加以比較。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是31頁\一共有105頁\編輯于星期三3.STL文件瀏覽和編輯

由于STL文件在生成過程中以及原有的CAD模型等原因經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，因此，為保證有效地進(jìn)行快速原型的制作，對(duì)STL文件進(jìn)行瀏覽和編輯處理是十分必要的。目前，已有多種用于觀察和編輯（修改）STL格式文件及與RP數(shù)據(jù)處理直接相關(guān)的專用軟件，如表7-5所示。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是32頁\一共有105頁\編輯于星期三

在上述眾多的STL文件瀏覽與編輯軟件中，Materialise公司開發(fā)的Magics軟件提供了能完善處理STL文件的功能，該軟件提供了3個(gè)主要的面向快速成型的軟件包，其功能如表7-6和表7-7所示。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是33頁\一共有105頁\編輯于星期三第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是34頁\一共有105頁\編輯于星期三2.4STL文件的輸出

當(dāng)CAD模型在一個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)中完成之后，在進(jìn)行快速原型制作之前，需要進(jìn)行STL文件的輸出。目前，幾乎所有的商業(yè)化CAD/CAM系統(tǒng)都有STL文件的輸出數(shù)據(jù)接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件輸出過程中，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和所要求的精度指標(biāo)，可以選擇STL文件的輸出精度。下面以Pro/E、UG以及AutoCAD軟件為例示意STL文件的輸出過程及精度指標(biāo)的控制。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是35頁\一共有105頁\編輯于星期三1.Pro/E2000i中STL文件的輸出(1)首先選擇菜單欄中的File菜單，然后選擇Export中的Model選項(xiàng)。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是36頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）從菜單中選STL，可以看到菜單中有兩種控制格式ChordHeight、AngleControl，根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)念愋?。系統(tǒng)默認(rèn)的是STLBinary，但是，如果需要ASCII格式可選擇STLASCII命令。確定之后，選Output執(zhí)行。ChordeHeight指標(biāo)為真實(shí)面和拼接面之間的最大差額。AngleControl為0到1之間的一個(gè)小數(shù)。系統(tǒng)將用ChordHeight來拼接模型而忽略實(shí)體的具體特征。如果輸入1，則系統(tǒng)將用ChordHeight乘以目標(biāo)半徑和實(shí)體最大尺寸值的十分之一之間的一個(gè)值。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是37頁\一共有105頁\編輯于星期三

(3)Pro/E此時(shí)會(huì)要求選擇一個(gè)坐標(biāo)系。選Default系統(tǒng)默認(rèn)的坐標(biāo)系，或者，自建一個(gè)。如果零件不是位于第一象限，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示信息問是否繼續(xù)，輸入YES，繼續(xù)。因?yàn)?，現(xiàn)在很多軟件能自動(dòng)把它轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)奈恢谩５诙?jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是38頁\一共有105頁\編輯于星期三2.UG中STL文件的輸出(1)選擇File菜單中的Export命令下拉菜單中的Rapid-Prototyping操作。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是39頁\一共有105頁\編輯于星期三

(2)出現(xiàn)下面的對(duì)話框后，可以選擇輸出格式（Binary，ASCII）及角度公差，拼接公差。也可以選擇系統(tǒng)默認(rèn)值，點(diǎn)擊OK完成。這時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示輸入STL頭文件信息，頭文件信息可以不添加，直接點(diǎn)擊OK完成。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是40頁\一共有105頁\編輯于星期三

(3)然后，用鼠標(biāo)左鍵選擇要輸出的實(shí)體，這時(shí)被選擇的實(shí)體會(huì)改變顏色以示選中，點(diǎn)擊OK完成。圖7-11為某CAD模型采用UG進(jìn)行STL輸出最終形成的三角形化的結(jié)果。圖7-11某CAD模型的STL輸出時(shí)的三角形化結(jié)果第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是41頁\一共有105頁\編輯于星期三3.AUTOCAD中STL文件的輸出

在AUTOCAD中物體的光滑程度和誤差大小是可以設(shè)定的。系統(tǒng)默認(rèn)的是0.5，用戶可以自定義0.01到10之間的任何值。值越大，物體的表面質(zhì)量越好。當(dāng)然，文件大小也隨著增大。

(1)在示例中輸入10，按ENTER鍵確定。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是42頁\一共有105頁\編輯于星期三（2）當(dāng)命令行出現(xiàn)stlout時(shí)再按一下ENTER，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示選擇輸出的實(shí)體。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是43頁\一共有105頁\編輯于星期三

(3)實(shí)體選擇之后，系統(tǒng)會(huì)提示選擇要輸出的格式，選擇完畢后按ENTER確定。系統(tǒng)一般默認(rèn)的是Binary格式。(4)這時(shí)會(huì)出現(xiàn)“創(chuàng)建STL文件”對(duì)話框。在此對(duì)話框中可以選擇自己文件名和存放路徑。選擇完后，點(diǎn)擊“Save”按鈕確定。在一般情況下，當(dāng)實(shí)體有一部分或者是整體不在第一象限時(shí)，AUTOCAD拒絕生成STL文件。這時(shí)，需要用移動(dòng)命令來挪動(dòng)它，使它處在第一象限，然后重復(fù)上面的操作。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是44頁\一共有105頁\編輯于星期三

(5)OUT和AMSTLOUT的比較介紹STLOUT和AMSTLOUT是在AUTOCAD中生成STL文件的兩個(gè)主要命令。AMSTLOUT轉(zhuǎn)換時(shí)物體可以是裝配零件，但是，STLOUT只能是沒有相互關(guān)系的實(shí)體。下表給出了兩者的比較。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是45頁\一共有105頁\編輯于星期三2.5分割與拼接處理

STL文件分割與拼接的意義：在實(shí)際快速原型制作過程中，如果所要制作的原型尺寸相對(duì)于快速成型系統(tǒng)臺(tái)面尺寸過大或過小，就必須對(duì)STL模型進(jìn)行剖切處理或者有必要進(jìn)行拼接處理。拼接可以將多個(gè)尺寸相對(duì)偏小的STL模型合并成一個(gè)STL模型，并在同一工作臺(tái)上同時(shí)成型。目的是節(jié)省快速成型機(jī)的機(jī)時(shí)，降低成型費(fèi)用，提高成型效率。如果一個(gè)STL模型的尺寸超過了成型機(jī)工作臺(tái)尺寸而無法一次成型，可采用分割STL模型的方法將一個(gè)STL模型分成多個(gè)STL模型，而后在成型機(jī)上依次加工，再將加工好的各個(gè)部分粘合還原成整體原型，這樣解決了快速成型機(jī)加工尺寸范圍有限的問題。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是46頁\一共有105頁\編輯于星期三1.STL文件的分割原理和算法

（1）分割基本原理

STL文件分割的基本原理是將一個(gè)STL文件分成兩個(gè)新STL文件，即用多個(gè)面將一個(gè)STL模型分成若干個(gè)部分，每部分重新構(gòu)成一個(gè)STL模型，每個(gè)新STL文件對(duì)應(yīng)一個(gè)新生成的STL模型。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是47頁\一共有105頁\編輯于星期三

具體地說，分割就是用1個(gè)平面將一個(gè)空間物體分成兩部分，實(shí)際上是平面與空間物體的求交問題。分割后的每部分必須要有構(gòu)成完整的三維實(shí)體模型幾何信息。由于快速成型系統(tǒng)中的處理三維實(shí)體模型是由許多個(gè)空間三角形逼近的表面模型，因此分割實(shí)質(zhì)上就是如何將若干個(gè)空間三角形以1個(gè)平面為界，分成若干個(gè)空間三角形集合。位于平面不同側(cè)面的三角形集合構(gòu)成不同的小實(shí)體。但是，每個(gè)小實(shí)體均缺少一個(gè)封閉面，存在一個(gè)“空間”，就像一個(gè)桶缺少一個(gè)蓋子一樣，因此，必須要生成一個(gè)封閉面，將每一個(gè)實(shí)體完全封閉。

三維實(shí)體表面與切割平面相交的交線是截面輪廓線，顯然，截面輪廓線不可能直接構(gòu)成一個(gè)面，必須將截面輪廓的內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的區(qū)域、單個(gè)外環(huán)內(nèi)的區(qū)域用三角形網(wǎng)格填充封閉，形成輪廓截面，這個(gè)輪廓截面就是實(shí)體的封閉面。加入該封閉面，每個(gè)實(shí)體就可以形成一個(gè)完整獨(dú)立的三維CAD實(shí)體模型。至此，一個(gè)實(shí)體被分割成兩個(gè)實(shí)體。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是48頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）分割基本算法

分割過程有以下四個(gè)基本模塊：

1)分割過程前置處理

對(duì)于任意一個(gè)空間三角形來說，它與切割平面的位置關(guān)系不外乎三種情況：位于平面之上、位于平面之下、與平面相交，如圖7-12a、b、c所示。位于平面之上的三角形構(gòu)成一個(gè)集合，位于平面之下的三角形構(gòu)成另一個(gè)三角形的集合。若三角形與平面相交，其交點(diǎn)可能是一條線段也可能為一個(gè)點(diǎn)。若三角形中的任意頂點(diǎn)與平面相交，在以后的處理過程中會(huì)遇到很多麻煩，為此需采用切片高度攝動(dòng)法，即將三角形沿平面法向方向向上或向下移動(dòng)一個(gè)極小的位移量，以保證三角形中的任意頂點(diǎn)不落在平面上，確保三角形與該平面相交為一條線段或根本不相交，這是在切片過程中必須要解決的問題。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是49頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-12三角形與切割平面的位置關(guān)系

所有與平面相交的三角形構(gòu)成一個(gè)三角形集合，其中的每一個(gè)三角形必須變成三個(gè)三角形。因?yàn)榕c平面相交的空間三角形被平面分成兩部分：一部分為三角形，另一部分為平面四邊形。在STL文件中不能出現(xiàn)四邊形，必須將四邊形變成兩個(gè)三角形，如圖7-12d所示。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是50頁\一共有105頁\編輯于星期三2)輪廓截面的形成

切片以STL文件格式為基礎(chǔ)，首先讀入STL文件，將STL模型與平面求交，得出平面內(nèi)的交線再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成截面輪廓線。由于STL模型是由大量的小三角形平面片組成，切片問題實(shí)質(zhì)上是平面與平面求交問題。在對(duì)其進(jìn)行切片處理后，其每一個(gè)切片界面都是由一組封閉的輪廓線組成。如果切片界面上的某條封閉輪廓線變成一條線段，則切片平面切到一條邊上；如果界面上的某條封閉輪廓變成一點(diǎn)，則切片平面切到一個(gè)頂點(diǎn)上。這些情況將影響后續(xù)工作的進(jìn)行，需采用切片高度攝動(dòng)法（即將三角形沿平面發(fā)向方向向上或向下移動(dòng)一個(gè)極小的位移量），以避免這種影響。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是51頁\一共有105頁\編輯于星期三3)輪廓三角形網(wǎng)格化切片后的輪廓封閉線由若干個(gè)封閉的有向內(nèi)外環(huán)構(gòu)成。為保證輪廓界面是新STL模型的一部分，必須將其進(jìn)行三角形面化處理，使內(nèi)外環(huán)之間區(qū)域或單獨(dú)外環(huán)里的區(qū)域用三角形網(wǎng)格填充，這樣才能使分割成的兩部分都是完整的立體圖形。平面網(wǎng)格化的形成算法有很多，采用平面上的有界區(qū)域的任意多邊形Delaunary三角劃分法可以實(shí)現(xiàn)輪廓截面的三角形網(wǎng)格化。這種方法能對(duì)凸域內(nèi)的三角形進(jìn)行劃分，具有三角剖分結(jié)果唯一、程序簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，能有效的對(duì)給定的有界區(qū)域進(jìn)行三角形劃分，形成三角形網(wǎng)格。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是52頁\一共有105頁\編輯于星期三設(shè)內(nèi)外環(huán)總邊數(shù)為N，外環(huán)按逆時(shí)針方向，內(nèi)環(huán)按順時(shí)針方向，第M條邊的起點(diǎn)序號(hào)Lm1，終點(diǎn)序號(hào)為L(zhǎng)m2。①若N=3，則該多邊形為一個(gè)三角形，劃分結(jié)束，退出；否則令M=1，轉(zhuǎn)入②；②令M=M+1，若Lm2在有向線段L11、L12之左，轉(zhuǎn)入③，否則轉(zhuǎn)入②；③判斷當(dāng)前多邊形的其余各邊是否與線段L11Lm2或L12Lm2相交。若是轉(zhuǎn)入②，否則轉(zhuǎn)入④；④保存節(jié)點(diǎn)Lm2到候選節(jié)點(diǎn)鏈表中，若M=N，轉(zhuǎn)入⑤，否則轉(zhuǎn)入②；⑤從候選節(jié)點(diǎn)鏈表中找到節(jié)點(diǎn)L0與節(jié)點(diǎn)L11、L12組成L11L0L12角度最大，則節(jié)點(diǎn)L0、L11、L12可以構(gòu)成一個(gè)Delaunay三角形，同時(shí)對(duì)多邊形修正如下：a)若線段L11L0與L12L0都不是當(dāng)前多邊形的邊界線段，則令N=N+1，L0=L12，Ln1=L12，轉(zhuǎn)入①；b)若線段L11L0（或L12L0）是當(dāng)前三角形的第K條邊，而線段L12L0（或L11L0）不是當(dāng)前多邊形的邊，則令N=N-1，L11=L0（或L12=L0），Lk1=Ln1，Lk2=Ln2，轉(zhuǎn)入①；c)若線段L11L0與L12L0分別是當(dāng)前多邊形的第K條邊和第J條邊，則將線段L11L12、第K條邊和第J條邊從當(dāng)前多邊形中去掉，N=N-3，轉(zhuǎn)入①。任意多邊形Delaunary三角劃算法第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是53頁\一共有105頁\編輯于星期三4）一個(gè)三角形轉(zhuǎn)化為多個(gè)三角形切片時(shí)，STL模型與切片平面相交，許多三角形被切片平面分成兩部分：一部分為三角形，另一部分可能為三角形也可能為四邊形。圖7-13a為四邊形位于切片平面之下；圖7-13b為平面四邊形位于切片平面之上；圖圖7-13c為原三角形恰好被分成兩個(gè)三角形。將上述平面四邊形的對(duì)角線相連可形成兩個(gè)新的三角形。這些生成的三角形構(gòu)成了新STL模型不可缺少的一部分。

圖7-13一個(gè)三角形被切片平面分成多個(gè)三角形第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是54頁\一共有105頁\編輯于星期三2.STL文件的拼接原理和算法

（1）拼接基本原理

拼接的基本原理是，在兩個(gè)原STL模型不發(fā)生干涉的情況下，按一定的要求對(duì)某一個(gè)STL模型進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)變換，然后把兩個(gè)STL模型數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)STL文件中，從而兩個(gè)STL模型變成了一個(gè)新STL模型，兩個(gè)STL文件合并成為一個(gè)新的STL文件。從文件格式分析可知，STL文件包含許多空間小三角形的數(shù)據(jù)。其中每個(gè)三角形平面都用一個(gè)法向向量、三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)來描述。許許多多小三角形平面構(gòu)成了三維STL模型的所有表面。因此，拼接的基本任務(wù)就是將某一個(gè)原STL模型包含的空間三角形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)的幾何位置變換，獲得具有最佳相對(duì)位置的新STL文件。

第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是55頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）拼接算法

拼接包括以下五個(gè)步驟：讀入多個(gè)STL文件，在計(jì)算機(jī)中顯示出多個(gè)要拼接的原STL模型；建立一個(gè)數(shù)據(jù)文件File，用于保存原STL模型被拼接后形成的新STL模型的數(shù)據(jù)；平移變換。若對(duì)一個(gè)原STL模型平移，在三個(gè)坐標(biāo)方向的平移量為X、Y、Z，相應(yīng)的平移變換矩陣為：

第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是56頁\一共有105頁\編輯于星期三旋轉(zhuǎn)變換。繞X軸轉(zhuǎn)α角，變換矩陣為：繞Y軸轉(zhuǎn)β，變換矩陣為：繞Z軸轉(zhuǎn)，變換矩陣為：

通過以上矩陣對(duì)模型進(jìn)行變換處理后，將變換后模型的數(shù)據(jù)存入File中。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是57頁\一共有105頁\編輯于星期三同理，按（3）、（4）步驟可對(duì)其它的STL模型進(jìn)行變換。最后把沒有實(shí)施幾何變換的模型的數(shù)據(jù)也存入File中，將文件File轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的STL文件。在實(shí)際拼過程中，可以按需要對(duì)單個(gè)模型進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)變換，也可以對(duì)多個(gè)模型進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)變換。如果要將某個(gè)模型放大或縮小，只需將該模型乘以一個(gè)比例因子k即可。拼接后的新STL模型包含了拼接前所有的原STL模型的幾何信息，快速成型機(jī)加工一個(gè)新STL模型，實(shí)質(zhì)上同時(shí)加工多個(gè)原STL模型。這樣，大大地提高了快速成型機(jī)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也節(jié)省了時(shí)間和材料。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是58頁\一共有105頁\編輯于星期三3.STL文件的拼接和分割示例

目前，國(guó)際上部分STL瀏覽和編輯軟件具有STL文件的分割功能，如SolidView/ProRP、Magics等。國(guó)內(nèi)部分從事快速成型技術(shù)研究的高校也在開發(fā)專用的STL文件的分割與拼接軟件。下面以山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心開發(fā)的軟件示例STL文件分割與拼接的實(shí)現(xiàn)。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是59頁\一共有105頁\編輯于星期三（1）拼接實(shí)例

選擇菜單中OpenAscIIfile中的firstAscIIfile，打開第一個(gè)STL文件。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是60頁\一共有105頁\編輯于星期三選擇菜單OpenAscIIfile中的secondAscIIfile打開第二個(gè)STL文件。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是61頁\一共有105頁\編輯于星期三選擇菜單Unite中的frontbackalign并給出間隔的距離，使兩個(gè)圖形前后對(duì)齊。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是62頁\一共有105頁\編輯于星期三選擇菜單SaveAs中的AscIIfile將拼接好的文件存為一個(gè)文本格式的文件輸出；或者選擇Binaryfile保存為一個(gè)二進(jìn)制格式的文件輸出。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是63頁\一共有105頁\編輯于星期三（2）分割實(shí)例如前所示，打開一個(gè)STL文件并在屏幕上顯示。

第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是64頁\一共有105頁\編輯于星期三選擇Split菜單將圖形沿垂直于Z軸方向切割。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是65頁\一共有105頁\編輯于星期三選擇菜單SaveFirstAs和SaveSecondAs分別將分割后的文件保存為兩個(gè)文本格式的STL文件。然后利用該軟件的拼接功能，重新調(diào)入已經(jīng)分割后的2個(gè)STL文件，通過平移或旋轉(zhuǎn)的命令調(diào)整其中的某一部分到合適的位置，輸出一個(gè)單一的STL文件進(jìn)行一體加工，然后粘結(jié)復(fù)原。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是66頁\一共有105頁\編輯于星期三對(duì)其進(jìn)行分割與拼接處理的目的是為了節(jié)省原型制作的時(shí)間與成本。對(duì)上述示意的該STL模型，未經(jīng)處理進(jìn)行整體疊層實(shí)體原型制作的時(shí)間約為27h，耗材約21kg。采取STL數(shù)據(jù)模型分割與拼接后進(jìn)行原型制作，不但可以節(jié)省下部圓柱體部分的制作時(shí)間，還可以節(jié)省耗材。圖7-14通過分割處理制作的LOM原型通過對(duì)下部圓柱體部分沿高度38mm分割之后上移至旋輪手柄中間進(jìn)行制作，節(jié)省了7h制作時(shí)間，同時(shí)節(jié)省約25%的原材料。通過分割與拼接處理后進(jìn)行制作的LOM原型如圖7-14所示。第二節(jié)STL數(shù)據(jù)文件及處理現(xiàn)在是67頁\一共有105頁\編輯于星期三STL數(shù)據(jù)文件及處理三維模型的切片處理CAD三維模型的構(gòu)建方法123STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP4CT圖像數(shù)據(jù)處理軟Mimics5第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是68頁\一共有105頁\編輯于星期三

快速成型系統(tǒng)中切片處理極為重要。切片的目的是要將模型以片層方式來描述。通過這種描述，無論零件多么復(fù)雜，對(duì)每一層來說卻是很簡(jiǎn)單的平面。切片處理是將計(jì)算機(jī)中的幾何模型變成輪廓線來表述。這些輪廓線代表了片層的邊界，輪廓線是由一系列的環(huán)路來組成的，由許多點(diǎn)來組成一個(gè)環(huán)路。切片軟件的主要任務(wù)是接受正確的STL文件，并生成指定方向的截面輪廓線和網(wǎng)格掃描線，如圖7-15所示。第三節(jié)三維模型的切片處理圖7-15切片軟件的主要作用及任務(wù)現(xiàn)在是69頁\一共有105頁\編輯于星期三

3.1切片方法

快速成型工藝中的主要切片方式一般有STL切片和直接切片兩種方式。1.STL切片

（1）直接STL切片

1987年，鑒于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)軟硬件技術(shù)相對(duì)落后，3DSystems公司的Albert顧問小組參考FEM（FiniteElementsMethod）單元?jiǎng)澐趾虲AD模型著色的三角化方法對(duì)任意曲面CAD模型作小三角形平面近似，開發(fā)了STL文件格式，并由此建立了從近似模型中進(jìn)行切片獲取截面輪廓信息的統(tǒng)一方法，延用至今。多年以來，STL文件格式受到越來越多的CAD系統(tǒng)和RP設(shè)備的支持，成為快速成型行業(yè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了快速成型技術(shù)的發(fā)展。它實(shí)際上就是三維模型的一種單元表示法，它以小三角形面為基本描述單元來近似模型表面。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是70頁\一共有105頁\編輯于星期三

切片是幾何體與一系列平行平面求交的過程，切片的結(jié)果將產(chǎn)生一系列曲線邊界表示的實(shí)體截面輪廓，組成一個(gè)截面的邊界輪廓環(huán)之間只存在2種位置關(guān)系：包容或相離。切片算法與輸入幾何體的表示格式密切相關(guān)。STL格式采用小三角形平面近似實(shí)體表面，這種表示法最大的優(yōu)點(diǎn)就是切片算法簡(jiǎn)單易行，只需要依次與每個(gè)三角形求交即可。STL文件因其特定的數(shù)據(jù)格式存在數(shù)據(jù)冗余、文件龐大及缺乏拓?fù)湫畔⒌?，也因?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和前期的CAD模型的錯(cuò)誤，有時(shí)出現(xiàn)懸面、懸邊、點(diǎn)擴(kuò)散、面重疊、孔洞等錯(cuò)誤，診斷與修復(fù)困難。同時(shí)，使用小三角形平面來近似三維曲面，還同時(shí)存在下列問題：存在曲面誤差；大型STL文件的后續(xù)切片將占用大量的機(jī)時(shí)；當(dāng)CAD模型不能轉(zhuǎn)化成STL模型或者轉(zhuǎn)化后存在復(fù)雜錯(cuò)誤時(shí)，重新造型將使快速原型的加工時(shí)間與制造成本增加。正是由于這些原因，不少學(xué)者發(fā)展了其它切片方法。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是71頁\一共有105頁\編輯于星期三

（2）容錯(cuò)切片

容錯(cuò)切片（TolerateErrorsSlicing）基本上避開STL文件三維層次上的糾錯(cuò)問題，直接對(duì)STL文件切片，并在二維層次上進(jìn)行修復(fù)。由于二維輪廓信息十分簡(jiǎn)單，并具有閉合性、不相交等簡(jiǎn)單的約束條件，特別是對(duì)于一般機(jī)械零件實(shí)體模型而言，其切片輪廓多為簡(jiǎn)單的直線、圓弧、低次曲線組合而成，因而能容易地在輪廓信息層次上發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，依照以上多種條件與信息，進(jìn)行多余輪廓去除、輪廓斷點(diǎn)插補(bǔ)等操作，可以切出正確的輪廓。對(duì)于不封閉輪廓，采用評(píng)價(jià)函數(shù)和裂紋跟蹤處理，在一般三維實(shí)體模型隨機(jī)丟失10%三角形的情況下，都可以切出有效的邊界輪廓。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是72頁\一共有105頁\編輯于星期三

（3）定層厚切片

快速成型制造技術(shù)實(shí)質(zhì)上是分層制造、層層疊加的過程，分層切片是指對(duì)已知的三維CAD實(shí)體數(shù)據(jù)模型求某方向的連續(xù)截面的過程。切片模塊在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，其結(jié)果直接影響加工零件的規(guī)模、精度和復(fù)雜程度，它的效率也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率。切片處理的數(shù)據(jù)對(duì)象只是大量的小三角形平面片，因此切片的問題實(shí)質(zhì)上是平面與平面的求交問題。由于STL三角形面化模型代表的是一個(gè)有序的、正確的、且唯一的CAD實(shí)體數(shù)據(jù)模型，因此對(duì)其進(jìn)行切片處理后，其每一個(gè)切片截面應(yīng)該由一組封閉的輪廓線組成。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是73頁\一共有105頁\編輯于星期三

定層厚分層算法過程如下：排除奇異點(diǎn)。分層處理時(shí)，若有三角形頂點(diǎn)落在切平面上，則稱該頂點(diǎn)為奇異點(diǎn)。切片過程中出現(xiàn)的奇異點(diǎn)若帶入后續(xù)處理過程，會(huì)使得后續(xù)處理算法復(fù)雜，因此要設(shè)法排除奇異點(diǎn)。切片的第一個(gè)階段是根據(jù)當(dāng)前切片面高度，搜索所有的三角形頂點(diǎn)，判斷是否存在奇異點(diǎn)。若存在奇異點(diǎn)，則可以用微動(dòng)法調(diào)整切平面高度，使之避開奇異點(diǎn)。搜索求交。搜索求交的主要工作是依次取出組成實(shí)體表面的每一個(gè)三角形面片，判斷它是否與切平面相交。若相交，則計(jì)算出兩交點(diǎn)坐標(biāo)。整序保存。搜索求交計(jì)算出的是一條條雜亂無序的交線，為便于后續(xù)處理，必須將這些雜亂無章的交線依次連接起來，組成首尾相連的閉合輪廓。重復(fù)上述三個(gè)過程，即可得到CAD實(shí)體零件分層后的每個(gè)截面數(shù)據(jù)，可以根據(jù)相應(yīng)的文件格式將所有信息寫入層面文件，待下一步軟件處理生成加工掃描文件。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是74頁\一共有105頁\編輯于星期三

（4）適應(yīng)性切片適應(yīng)性切片(AdaptiveSlicing)根據(jù)零件的幾何特征來決定切片的層厚，在輪廓變化頻繁的地方采用小厚度切片，在輪廓變化平緩的地方采用大厚度切片。與統(tǒng)一層厚切片方法比較，可以減小Z軸誤差、階梯效應(yīng)與數(shù)據(jù)文件的長(zhǎng)度。適應(yīng)性切片和統(tǒng)一厚度切片的示意如圖7-16所示。a)等層厚切片

b)適應(yīng)性切片圖7-16適應(yīng)性切片與等層厚切片比較

第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是75頁\一共有105頁\編輯于星期三2.直接切片

在工業(yè)應(yīng)用中，保持從概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的模型一致性是非常重要的。在很多例子中，原始CAD模型本來已經(jīng)精確表示了設(shè)計(jì)意圖，STL文件反而降低了模型的精度。而且，使用STL格式表示方形物體精度較高，表示圓柱形、球形物體精度較差。對(duì)于特定的用戶，生產(chǎn)大量高次曲面物體，使用STL格式會(huì)導(dǎo)致文件巨大，切片費(fèi)時(shí)，迫切需要拋開STL文件，直接從CAD模型中獲取截面描述信息。在加工高次曲面時(shí)，直接切片(DirectSlicing)明顯優(yōu)于STL方法。相比較而言，采用原始CAD模型進(jìn)行直接切片具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少快速成型的前處理時(shí)間；（2）避免STL格式文件的檢查和糾錯(cuò)過程；（3）降低模型文件的規(guī)模；（4）直接采用RP數(shù)控系統(tǒng)的曲線插補(bǔ)功能，從而可提高工件的表面質(zhì)量；（5）提高原型件的精度。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是76頁\一共有105頁\編輯于星期三

直接切片的方法有多種，如基于ACIS的直接切片法和基于ARXSDK的直接切片法等。基于ACIS直接切片法的流程圖如圖7-17所示。ACIS是一種現(xiàn)代幾何造型系統(tǒng)，它以開放面向目標(biāo)的結(jié)構(gòu)（OpenObject－orientedArchitecture），提供曲線、表面和實(shí)體造型功能。從圖7-17可見，ACIS用作幾何信息轉(zhuǎn)換的媒介?；贏RXSDK（AutoCADRuntimeeXtensionSoftwareDevelopmentKit）的直接切片法可以針對(duì)AutoCAD模型直接進(jìn)行切片。這兩種切片方法的共同點(diǎn)是，經(jīng)過一個(gè)未作近似處理的中間文件—ACIS或ARXSDK，對(duì)CAD模型進(jìn)行直接切片。圖7-17基于ACIS的直接切片

第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是77頁\一共有105頁\編輯于星期三

3.2切片算法

切片算法必須能夠滿足切片的速度要求，這是加工工藝所要求的，因?yàn)橄乱磺衅瑢拥母叨仁窃谇耙粚颖患庸ね戤吅蟛艡z測(cè)計(jì)算出來的，而且，由于整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)要求是全自動(dòng)的，因此，每個(gè)加工環(huán)節(jié)都必須具有高的可靠性，同時(shí)也必須要有一個(gè)速度快、可靠性高的切片軟件。圖7-18所示為一種切片程序框圖。首先讀入STL格式文件，并將所有三角形面的頂點(diǎn)坐標(biāo)乘以一個(gè)較大的數(shù)（如5000），使其變?yōu)檎麛?shù)，以利于提高運(yùn)算速度。然后，將所有平行于X-Y平面的三角形面選作表層（如工件的底面或頂面），剩下的三角形面都用來計(jì)算是否與Z0+n△Z相交。其中，Z0為模型的最底層的Z面，△Z為切片層厚度，n為層數(shù)。如果相交，則交線為輪廓線，使交線彼此順序頭、尾相接，組成環(huán)。最后，確定義X、Y方向的網(wǎng)格線。第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是78頁\一共有105頁\編輯于星期三第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是79頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-18切片程序框圖

第三節(jié)三維模型的切片處理現(xiàn)在是80頁\一共有105頁\編輯于星期三STL數(shù)據(jù)文件及處理三維模型的切片處理CAD三維模型的構(gòu)建方法123STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP4CT圖像數(shù)據(jù)處理軟Mimics5第七章快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在是81頁\一共有105頁\編輯于星期三

MagicsRP軟件是比利時(shí)Materialise公司推出的面向快速成型技術(shù)數(shù)據(jù)處理的大型STL數(shù)據(jù)編輯處理平臺(tái)。4.1Magics軟件編輯功能Magics是一個(gè)十分理想和完整的處理STL格式文件的軟件，該軟件處理片面數(shù)據(jù)簡(jiǎn)捷高效，提供了豐富且自動(dòng)化程度很高的STL文件操作工具。第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是82頁\一共有105頁\編輯于星期三

1.常規(guī)處理工具

在常規(guī)處理工具中，Magics軟件可以對(duì)STL文件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、變換、復(fù)制、鏡像、調(diào)整尺寸和裝配等；可以對(duì)平面、圓柱體、軸及球體等特征進(jìn)行2D和3D的距離、半徑、角度等的測(cè)量，如圖7-19所示；其剖切功能能夠使操作者更好地理解STL文件；用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)能夠使操作者定義并在多坐標(biāo)系統(tǒng)下工作；同時(shí)Magics軟件還具有對(duì)STL文件進(jìn)行壓縮和解壓操作功能。圖7-19Magics軟件的可視化和測(cè)量功能

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是83頁\一共有105頁\編輯于星期三2.高級(jí)處理工具在高級(jí)處理工具中，Magics軟件提供了功能強(qiáng)大的STL文件的設(shè)計(jì)修改功能。其標(biāo)定工具可以將字符雕刻或者浮凸在模型的任意復(fù)雜的曲面上，可以定義字體和字號(hào)，圖7-20示意了在某STL文件模型表面上標(biāo)定了所使用軟件的版本號(hào)；Magics軟件提供了STL文件的剖切和沖孔功能，方便地實(shí)現(xiàn)了大尺寸模型的原型制作問題；在分解STL文件時(shí)，可生成便于對(duì)接的結(jié)構(gòu)，如圖7-21所示；Magics軟件可以對(duì)STL文件進(jìn)行并、交、差等布爾運(yùn)算，如圖7-22所示；此外，Magics軟還具有對(duì)復(fù)雜零件的精確抽殼功能以及光順去除噪音點(diǎn)的功能，如圖7-23所示。

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是84頁\一共有105頁\編輯于星期三圖7-21Magics軟件的剖切功能

圖7-22復(fù)雜形體的布爾減運(yùn)算

圖7-23Magics軟件的光順功能

圖7-20Magics軟件的標(biāo)定功能圖

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是85頁\一共有105頁\編輯于星期三4.2Magics軟件修復(fù)功能

許多STL文件常存在壞的邊、孔洞或其它一些缺陷，在進(jìn)行快速成型制作之前需要進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)。1.清晰的可視化和信息提供功能

Magics軟件具有非常突出的可視化工具，可以強(qiáng)化STL文件中的問題，如錯(cuò)誤的法矢、壞的邊、裂縫等都可以非常清晰地指示出來。采用閃動(dòng)的辦法顯示STL文件具有錯(cuò)誤的部位并且能夠精確地定位缺陷的位置，如圖7-24所示。Magics的STL分析功能可以對(duì)STL文件進(jìn)行性能測(cè)試，可以給出模型的尺寸信息、三角形數(shù)量、壞邊的數(shù)量、體積、表面數(shù)量等等。

圖7-24Magics的可視化功能

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是86頁\一共有105頁\編輯于星期三2.自動(dòng)修復(fù)功能

Magics使用智能算法可以對(duì)有缺陷的STL文件進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，這樣可以大大加快修復(fù)的速度。Magics可以判斷出零件的內(nèi)外表面并且隨后檢測(cè)每一個(gè)小三角形的方位是否適合正確的描述，如果存在問題，具有錯(cuò)誤法矢點(diǎn)的單一三角形或整個(gè)面，將被自動(dòng)地反轉(zhuǎn)過來，如圖7-25所示。圖7-25Magics的法矢錯(cuò)誤修復(fù)功能

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是87頁\一共有105頁\編輯于星期三

由2個(gè)小三角形之間縫隙產(chǎn)生的壞的邊可以在Magics軟件中自動(dòng)縫合，僅需要給出預(yù)期的誤差和迭代的次數(shù)即可，其縫隙縫合功能示意如圖7-26所示。Magics軟件的自動(dòng)三角形化功能可以迅速地實(shí)現(xiàn)孔洞和縫隙的三角形化填充，即便具有復(fù)雜幾何形狀或者輪廓的孔洞也可以使用高級(jí)的自由孔洞填充功能迅速地自動(dòng)完成修復(fù)，幾秒鐘之內(nèi)，復(fù)雜的孔洞就被實(shí)現(xiàn)相當(dāng)光順地填充，如圖7-27所示。當(dāng)Magics軟件在STL文件輸入后，也可以發(fā)現(xiàn)重復(fù)的表面并及時(shí)去除掉。

圖7-27自動(dòng)三角形化功能

圖7-26縫隙縫合功能

第四節(jié)STL數(shù)據(jù)編輯與處理軟件MagicsRP現(xiàn)在是88頁\一共有105頁\編輯于星期三3．高級(jí)操作功能

任何時(shí)候在Magics軟件中都可以手工進(jìn)行有缺陷的或缺少的三角形的修復(fù)。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊，即可實(shí)現(xiàn)三角形的刪除、法矢的反轉(zhuǎn)以及新三角形的生成，如圖7-28所示。Magics軟件可以在不同的面之