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1、控制与检测组合机床与自动化加工技术文章编号：lOOl一2265(2010)03006203全软件数控立体雕刻系统的设计黄林林，张国贤，林海斌，张维磊(上海大学机 学院，上海200072)摘要：文章以Windows+RTX 展 开 平台，分析了利用RTX 全 件数控技 的可行性，并在此基 上采用前后台型 构，构建了基于RTX的 件数控立体雕刻系 的原型系 。以快速成形技 中的切片分 制造 思想，采用STL文件作 三 模型数据来源，运用自适 切片，采用柱面坐 系 行分 雕刻、累 成形， 了三 立体雕刻的基本功能， 复 曲面的雕刻奠定了基 。关 ：全 件数控；RTX：STL；自适 切片中图分类号：T
2、Hl6；TG65文献 ：ADesign of Three-dimensional Carving System on Soft CNCHUANG Linlin，ZHANG Guo-xian，LIN Haibin，ZHANG Weilei(Shanghai University，Shanghai 200072，China)Abstract：The paper analyze the possibility of developing soft CNC system based on Windows+RTX，and a prototype soft CNC system is developed
3、by using fore-and-after structural models on Windows operating system，which embedded with RTXAnd the STL is used as data sources of three-dimensional model，the a-daptive slicing is applied to layered sculpturing and accumulated forming,achieving the basic functions of the three-dimensional sculpture
4、，laying the foundation for complex surface carvingKey words：softCNC；RTX；STL；adaptive slicingO引言当前大多数数控雕刻机采用PC+运 控制卡 构，即一台用于CADCAM的PC机、一台 用控制箱以及一套机械本体。全 件数控系 是一种新型的数控系 ，它用一台PC 包括插 、伺服等功能在内的所有数控功能，使数控系 的 构大大 化。 ，一台Pc机既可用于CADCAM ，又可用于控制雕刻机的运作，大大降低了整套 的成本。 了 全 件数控，要解决的关 技 是Windows系列通用操作系 的 性。目前 用最广的 法是
5、Windows 展 特性，其中比 有代表性的是美国Ardenee公司开 的RTXt2j。从工 上，雕刻可分 全自由度空 雕刻、三 立体雕刻和二 平面雕刻。其中，全自由度空 雕刻主要用于一些形状复 的工 品或大型 作品的雕刻工作，此 制品往往注重 作性，制品的构成形状复 、随意性 、加工工 性差。因此 工 迄今 止雕刻机尚无能 力，只能采用手工雕刻。相比之下，在三 立体雕刻和二 平面雕刻T 中雕刻机 大有可 。但是目前在 些雕刻机中，三 立体雕刻只是收稿日期：20090918；修回13期：20090925 似于三 削加工，用以完成精密模具、 浮雕曲面等雕刻加工， 格来 ， 依然属于平面雕刻的范畴
6、。 于那些 有斜面或复 曲面的立体 形， 些雕刻系 就无能 力了。本文以Windows+RTX实时扩展为开发平台，首先分析了系 的 性能，在此基 上构建了全 件数控的原型系 ，以快速成形技 中的切片分 制造 思想， 了三 立体雕刻的基本功能。1全软件数控原型系统的构建11RTX简介美国Ardence公司的RTX(RealtimeExtension forWindows)。是内置于Windows的 操作系 。RTX不 Windows系 行任何封装或修改，其通 在HAL (物理抽象 )增加 HAL 展来 基于 先 的 占式的 任 的管理和 度。RTX 子系 RTSS的 程 先于所有Windows
7、程，提供了 IRQ、IO、内存的精确直接控制，以确保 任 的100可靠性。通 高速的IPC通 和同步机制，RTX方便地 与Windows之 的数据交 。RTX的定 作者简介：黄林林(1985一)，男，浙江人，上海大学机自学院硕士研究生，研究方向机械设计及全软件数控。(Email)dlin85126corn。62万方数据2010年第3期控制与检测器 分辨率 lOOns，最低定 器周期 100斗s1。vertex：角形面片第一个 点的坐 RTX同 支持 以太网和 USB通 。由于vertex三角形面片第二个 点的坐 RTX是基于Windows的 子系 ，因此最适合 用vertexj角形面片第i个
8、点的坐 endloop在既要求 形等Windows高 任 ，又需要 任 endfacet第一个三角形面片定 束的 合H1。目前通用数控系 的插 周期一般 1ms或1msendsolidfilenamestLi整个文件 束以下，因此RTX保 了Windows 用于数控系 的 STL文件的点(V)、面(F)之 的关系如 2所 特性。示。 于正确的STL文件，各三角形必 足一个 12原型系 的 构模 ：相 两个三角形之 只有一条公共 ，即相 三角全 件数控雕刻系 的 构如 l所示。从 中形必 共享两个 点。因此，只要找出每 具有公共可 ，数控功能是由Win32 程和RTX 程合作完成 的 接三角形，
9、就可以知道各三角面片的相互关系，的，并由RTSS子系 建的共享内存来交 数据。在 从而建立整个模型的拓扑关系。 构上采用前后台型。后台程序是数据 理 件部分，完成外部三 模型的加 、三 模型的分 理、插 初始化弱 性的任 ；前台程序是控制 件部分，主要完成插 算、脉冲 出、位置控制 性很 的任 。后台程序由Win32 程完成，前台程序由RTX 程完成。共享内存是两个 程的通 枢 ， 2三角面片的 接关系 插 算提供初始化的数据”-。利用Visual C+描述点数据 构如下： 1全 件数控雕刻系 的 构2切片分层制造的实现系 采用分 雕刻、累 成形的原理。通 三 CAD模型离散分 切片，根据切片
10、 廓信息 行雕刻路径 划，通 装置在主 机上的小直径雕刻刀具在基材表面 行 性雕刻，形成 的平面 形，然后主 机上升，并开始新一 的雕刻，不断累 ，最后在基材上形成模型的三 形。 的三 数控雕刻机采用笛卡 坐 系，只有毛坯的上表面才是加工表面， 于 面 无能 力， 此我 的机械系 部分采用柱面坐 系。21STL模型拓扑关系的建立采用STL文件作 三 模型数据来源。STL文件格式是一种用三角面片表达 体表面数据的数据文件。其中，一个三角面片包含三角面片的外法向矢量和按右手螺旋 排列的三个 点4】。其ASC II格式的 构如下：solid fllenamestl文件路径及文件名facet norm
11、al三角形面片法向量的3个分量 outerloopstructvertexdouble x； 点的x坐 doubleY； 点的Y坐 double z； 点的Z坐 intIDV； 点 号structvertex$next；指向z坐 比它大的下一个 点；面数据 构如下：structfacetdouble 1；面片法向量的X坐 doubleY；面片法向量的Y坐 double z；面片法向量的Z坐 intflag；面片 志doublek32；面片三 的斜率structvertexvertex3；指向 面片的i个 点double zmin。zmax； 面片z坐 的最小 、最大 im IDF3；相 三角形
12、的索引号；用向量vectorFaeetVector保存面数据 构。下面 建立STL模型三角形面片拓扑 构的算法描述：Stepl：打开STL文件， 取点数据，同 除去冗余点并按z坐 行排序，建立面数据 构向量；Step2：逐个搜索面数据 构向量中的三角面片，如果两个三角面片之 有两个 点 相同的，那么 两63万方数据控制与检测 合机床与自 化加工技 譬璺了婴三萎譬型薹霎要耋霎罢篓等二兰要量。L-Eo 件数点体蓊篙詈： 践中取得，J 墨曼曼警州2坌呈所薹考要i嚣黧譬犁警纛矍差验性成功兹蒜茗瓮荔Z蒜菡薹磊磊了苫5雾竺慧掣2堡磊曼=味竺氅!裴，雾竺竺三苎霎譬鲁柔；芸篆荔设芸茗舅去若：磊恭毳二搿篥纛：翌
13、竺烹蒙!毓曼鉴黧型苎憋警是 小宿i门6一Omm不,矶美茹二：嚣篆茹烈菘赢窆苎霎苎煮耋慧产舶鼬熊蝴始撤藏增在同体基材芸茹芏茹：I苫置南瓣挂：。“”箍。：”蔷加表面光 度。“”。”一”：“”一“”“第“1层可!虫第 3台 的最大差 艿t由于吖历曩_；职=l，可得6；=(：7；)，因此6。是一个关于z。的 增函数。切片 厚确定的具体方法 ： 先 定6、 厚最大 h、 厚最小 h幽，取h。=。N(N 固定正整数)， 定每 厚Ah=h。i。+nh。(n 正整数)。搜索h一h，厚度内所有小乏角片的法向量， 取法向量在z 投影 最大的作 适 性切片在h一h。厚度内的参考平面片Si。然后逐一增加n ，以增加
14、厚Ah，保 在6。艿的前提下，取Ah的最大 ；如果在6i6。， ，Ahh， 取Ah=h；如果Ah=hmln ，6i已 大于6， 取Ah=h晌。 4 球体STL文件与蜡笔小新STL文件采用 方法 行的适 性切片的 例。3 束 用全 件数控立体雕刻系 方案能 有效的 成本，而且有很 的开放性，通用性、灵活性、 展64图5蜡笔小新立体雕刻模型参考文献1徐志明， 金成，等Windows平台上三 数控雕刻机的开 J制造技 与机床，2002(4)：16一182王普， 蕾，郝立 基于RTX的全 件数控系 的研究J燕山大学学 2007(11)：5135163刘 川I，樊子明Windows 2000(XP)+R
15、TX的实时性分析与 J 船 子T程。2007(6)：1351384RTX一8OUsersGuideVenturCom，lnc20075李宏科一种基于RTX的 系 的 J装 制造技术2006(3)：55566 ，周来水， 海量STL文件的快速 取与 示J机械科学与技 ，2006(8)：9359397 吉 ，刘 ，手越超基于STL文件的 体分割算法研究J机械科学与技 ，2005(2)：13l1348王成，曾 雁激光三 雕刻中 切片算法研究J工程图学学报，2008(1)：13189 吉 。刘 快速成形技 巾基于STI模型的分 算法研究J 用基 与工程科学学 ，2008(4)：22423310 嘉易，刘 ，王天然i 模型的适 性切片方法研究J中国机械工程，2003(5)：750753( 李秀敏)万方数据