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1、快速原型制造技术 -第3讲 RP系统的数据准备,四川大学制造学院 梅筱琴,本讲内容,CAD三维模型的构建方法 常用的CAD/CAM软件介绍 STL数据文件 三维模型的切片处理 切片处理软件介绍,一、CAD建模技术基础,RP特征：CAD数字模型直接驱动 建模 将现实物体的各种信息用一定的数据方式在计算机中表示出来的过程，即几何模型描述 CAD（Computer Aided Design） CAM（Computer Aided Manufacturing）,几何模型描述,几何模型描述产品对象两方面信息： 几何尺寸 具有几何意义的点、线、面等，有确定的位置坐标、长度和面积等度量值 拓扑结构(数据结构
2、) 反映形体的空间结构，包括点、边、环、面、实体等形成的层次结构,典型三维模型的表达方法,构造型立体几何法 边界表达法 参数形体调用法&参量表达法 单元表达法,典型三维模型的表达方法,构造型立体几何法（Constructive Solid Geometry，CSG法） 利用一些简单的三维几何元素（如立方体、圆柱体、球体、环、锥体等）进行布尔运算（并、交、差）从而获得复杂的三维实体模型 优点： 易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并能方便地修改 缺点： 可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量大,实体的布尔（Bool）运算,几何建模的基本运算方法,典型三维模型的表达方法,边界表达
3、法（Boundary Representation，即B-rep表达法） 利用有序、有向的点、边和面构成的表面来精确地描述三维实体模型 优点： 能快速绘制立体或线框模型 缺点： 数据占用存储空间大（以表格形式表示数据），模型修改操作较复杂,实体的B-rep表达法,典型三维模型的表达方法,参数形体调用法&参量表达法（Parametric Representation） 把构成形体的各种尺寸参数作为变量，通过在调用这些形体的过程中指定相应参数，从而产生用户需要的产品形体 或用几何约束、数学方程与关系来描述三维实体模型的形状特征 优点： 可以实现模型局部修改，较好地表达自由曲面,参数形体调用法基本体
4、素变换,典型三维模型的表达方法,单元表达法（Cell Representation） 用离散的单元来近似描述三维实体模型，如三角形、正方形、多边形等 应用：有限元分析、等,线框模型和面型模型,石油钻头模具原型,二、CAD建模的基本过程,概念设计 根据产品要求或直接根据二维图样用CAD软件设计出产品的3D模型 反求工程 对已有的产品样件进行扫描测量，将所得测量数据进行处理后得到产品的3D模型,CAD/CAM软件功能,强大的三维设计功能 能有效进行概念定义、控制及评估 具有实用复杂模具和零件加工模板 强大的CAD系统 实体建模、特征建模、自由曲面建模、用户自定义特征、装配、标准件库等 强大的CAM
5、系统 自动生成NC代码、动态仿真、刀库等,常用的CAD/CAM软件,Pro/Engineer UniGraphics II AutoCAD I-DEAS CATIA CADKEY SolidWorks Cimatron,常用的CAD/CAM软件-Pro/E,美国Parametric Technology Crop(PTC)公司开发 参数化、基于特征建模、全相关等概念闻名 参数化设计，是指无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束。 全相关，即单一数据库。就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪
6、一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。 主要功能： 参数化特征造型 应用领域： 产品的三维实体模型建立、三维实体零件的加工以及设计产品的有限元分析等 客户 Ferrari,Nike,Airbus,Mattel,Motorola,NASA,Microsoft,Rolex.Boing,Toyota, HermanMiller 等,常用的CAD/CAM软件-UG II,美国Unigraphics Solutions公司，起源于航空、汽车业 UG公司的产品主要有： 为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics 基于Win
7、dows的设计与制图产品Solid Edge 集团级产品数据管理系统iMAN 产品可视化技术Product Vision 高精度边界表示的实体建模核心Parasolid UG广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化领域 客户：如Pratt & Whitney和GE 喷气发动机公司、美国通用汽车、日本著名汽车零部件制造商DENSO公司,常用的CAD/CAM软件- I-DEAS,由美国UGS子公司SDRC公司开发，国际上著名的机械CAD/ CAE/ CAM软件 综合能力极强 可帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计仿真分
8、析测试数控加工的产品研发全过程。 在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，含结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。 I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。 I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。 客户：波音、索尼、三星、现代、福特等公司,常用的CAD/CAM软件- CATIA,法国达索（Dassault System）公司开发 源于航空航天业，是欧洲汽车业事实上的标准。 PLM（产品生命周期管理）协同解决方案的
9、一个重要组成部分，便于实现并行工程设计。 混合建模技术，具有强大的曲面造型功能 模块化+全相关 客户：Dassault Aviation、波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等，其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。 波音777是唯一进行100%数字化设计和装配的大型喷气式客机,同学们的作品,快速原型制造系统,机械系统基础 控制系统关键 软件系统灵魂 数据处理软件 对CAD模型进行分层、填充产生片层加工工艺信息 控制软件 分层信息输入、加工参数设定、NC代码生成、实时加工控制等,三、RP数据处理与转换,三、RP数据处理与转换,RP中的数据流 RP中常用的数据格式 三维实体模型描述：STL（准工业标
10、准格式）、IGES、STEP 二维片层信息描述：SLC、CLI、SLI、HPGL,1.STL文件格式,文件格式 ASCII文件格式 二进制文件格式 占用存储空间较小 参考教材P129-132 文件精度 三角面片越小，逼近精度越高 过高的逼近精度导致 文件过大，切片处理时间增加 超出成型机精度 截面轮廓线段过小，不利于激光头的扫描运动,1.STL文件格式,STL 的ASCII文件格式,1.STL文件格式,STL的二进制文件格式,2.STL文件的基本规则,取向规则 右手法则-相邻三角形法向量指向同一侧 点点规则 共顶点规则-每个三角形必须且只能与相邻的三角形共享两个点 取值规则 所有的顶点坐标为正
11、 充满规则 三维模型表面必须布满小三角形面片，不得有任何遗漏，不能有厚度为0的区域，外表面不能从其本身穿过,取向规则,正确,错误,点点规则,正确的STL文件应满足： 1) 面必须是偶数 2) 边必须是3的倍数 3) 2X边=3X面,3.STL文件中常见错误,违反取向规则 相邻三角面片法向量指向相反 违反共顶点规则 相邻三角面片多于2个以上的顶点重合，造成退化面等 违反充满规则 模型出现遗漏 转换精度选择不当 细微特征遗漏或出错 数据量过大,遗漏产生原因,两个三角面片空间相交 两个相邻表面三角形化时不匹配,错误的STL模型,多面体的欧拉公式,多面体的顶点数（Vertix）- V；棱边数（Edge
12、）- E；面数（Face）- F ； 讨论：上面各图形的顶点数、棱边数和面数的关系,多面体的欧拉公式,V-E+F=2（简单多面体）,正确的STL模型,满足欧拉公式：F-E+V=2-2H,4.基于STL文件格式的原理性误差,逼近处理引起的近似误差 分层方向尺寸误差 “阶梯效应”引起的误差,（1）逼近处理引起的近似误差,ch=2，ch=0.5时球体的STL文件,（2）分层方向尺寸误差,（3）“阶梯效应”,实体的体积误差 与实体的表面粗糙度相对应,成型方向对“阶梯效应”的影响,自适应直接切片,核心问题：分层厚度的计算 尺寸计算法 曲率计算法 面积计算法 法线计算法,CAD模型直接切片,IGES或ST
13、EP文件格式作为接口，直接分层 美国Dayton大学，开发了RPTL程序 不采用中间文件，以CAD软件为核心，直接分层 美国Texas大学 清华以自主开发的3D造型系统GEMS610为平台，实现了RP系统与GEMS610的无缝集成 华中科大实现了在POWERSHAPE中的直接分层处理,CAD模型直接切片,优点 降低了数据冗余，减少预处理的时间 避免STL格式文件的检查和纠错过程 在一定程度上克服了STL模型分层处理的一些缺陷，提高了分层处理的效率和精度 能直接采用数控系统的曲线插补功能，从而可提高制件的表面质量和精度 缺点 通用性差 仅适合某一类CAD系统，与其他CAD系统不兼容，,其他RP数
14、据交换接口,SLC 3DSystem公司开发，用二维半的几何轮廓数据表达CAD模型，由CT等产生 CLI 欧洲RP活动支持的Brite-EvRgam计划产生，通用层数据接口格式 RPI Rock和Wozny提出，包含有面的拓扑信息和连接信息，减少数据冗余 CFL 以色列Cubital公司开发 LMI 南洋理工大学的Gan G.k.Jacob等人提出,四、快速原型数据处理软件,STL预处理功能 切片处理功能 切片 支撑设计功能 扫描路径生成功能,四、快速原型数据处理软件,STL预处理功能 3D模型显示 模型校验和修复 模型几何变换 平移、旋转、缩放 模型编辑 复制、镜像、分割、合并以及修改等,1
15、.STL预处理功能 三维模型显示,线框模式,面型（渲染）模式,各种标准视图,各种标准视图,1.STL预处理功能 视图变换,让用户更详细的观察和了解模型的细节和整体结构 旋转模型 缩放模型,视图变换,原视图,“视图旋转”后,“视图缩放”后,1.STL预处理功能 模型校验和修复,模型校验 欧拉公式 F-E+V=2-2H,模型校验和修复,大空洞和法向错误的STL模型,自动修复后仍有错误,绕Z轴旋转90度后修复， 法向无错误（红色为空洞处）,模型修复,含错误的STL模型,自动修复后仍有错误（红色部分）的STL模型,模型修复,拾取错误表面上的面片,交互修复,交互修复结果,1.STL预处理功能 模型几何变
16、换,几何变换对话框,改变模型的尺寸或成型方向 平移 旋转 缩放 镜像,模型几何变换,初始状态,应用“平移”后,应用“旋转”后,模型几何变换,初始状态,应用“镜像”后,应用“放大”后,1.STL预处理功能 模型编辑,为提高快速成形系统的成型效率而进行的几何操作 分解 合并 切割 自动排样,多零件自动排样,合并与分解,模型分割,预览分割效果,模型分割后与分割后移动,STL预处理软件功能的实现,开发环境 具有继续进行后续数据处理软件开发的能力； 运行环境 具有硬件无关性； 设计与实现 具有可扩充性； 有利于提取、存储和对模型进行后续的数据处理（如分层处理）的数据结构,STL模型专用软件,Magics
17、 Materialise N.V. (Belgium)公司 Rapid Prototyping Moudle Imageware Corp. (USA)公司 Rapid Editor DeskArtes Oy (Finland)公司 3D View Actify公司 Aurora 清华大学殷华公司 RP-Programm 西安交通大学恒通公司,四、快速原型数据处理软件,STL预处理功能 切片功能 扫描路径生成功能 支撑设计功能,2.切片处理功能,切片目的 离散化 将计算机中的几何模型变成轮廓线来描述。轮廓线由一系列的环路组成；每一条环路由若干个点组成 交点的计算与输入的几何形状（拓扑结构）有关
18、 规划扫描路径,切片处理的过程,1.STL模型转换,2.求交,4.扫描路径规划,3.提取轮廓信息,切片方法,STL模型切片 简单易行 STL数据冗余、缺乏拓扑信息、多种缺陷等 容错切片 定层厚切片 自适应切片 3D模型直接切片,切片算法,3.扫描路径规划功能,目的： 保证片层间的结合强度 提高单个片层的扫描速度，提高生产率 防止局部区域温度过高,3.扫描路径规划功能,常见的扫描路径规划方法 往返直线扫描法 轮廓偏置扫描法 分形扫描法 分区扫描法,往返直线扫描法,优点 算法简单，可靠 速度快 缺点 有空腔结构的零件，扫描时需频繁跨越内轮廓，对伺服系统和控制系统的要求高，有损运动系统寿命 频繁的跳
19、转，易引起“拉丝”现象 同一片层内扫描线的收缩应力方向一致，易导致片层变形大,轮廓偏置扫描法,主要扫描方式 外轮廓环向内偏置 内轮廓环向外偏置 特点 每一片层扫描线不断变换方向，有利于减少翘曲变形 空行程少，壁厚均匀或内腔少的零件，截面外形精度高 壁厚不均，型腔较多的复杂零件，偏置环易出现“干涉现象” ，甚至出现一些小的区域无法偏置 算法复杂，处理速度慢,分区扫描法,不需要频繁跨转，减少了“拉丝”现象 减少了扫描激光的加减速变换和平面扫描运动机构在高低速间的切换次数,复合扫描法,内外轮廓邻近区域采用偏置扫描，其余部分采用分区扫描 可以充分利用轮廓偏置扫描的高精确度，和分区扫描的高稳定性,复合扫描的片层填充效果,支撑与实体分开切片、扫描,4.支撑设计功能,基础支撑设置,4.支撑设计功能,人工支撑编辑,CPS-350紫外光快速成形系统的数据处理软件介绍,作业,A. 多面体欧拉公式的证明及应用 B. 自适应直接切片的算法 作业形式：（1）A、B任选；（2）PPT 发送至邮箱： 交作业时间：下次课前,