第3讲RP系统的数据准备课件.ppt

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nCAD三维模型的构建方法n常用的CAD/CAM软件介绍nSTL数据文件n三维模型的切片处理n切片处理软件介绍一、CAD建模技术基础nRP特征：CAD数字模型直接驱动n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n几何模型描述产品对象两方面信息：几何尺寸n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)n反映形体的空

2、间结构，包括点、边、环、面、实体等形成的层次结构点边环面实体典型三维模型的表达方法n构造型立体几何法n边界表达法n参数形体调用法&参量表达法n单元表达法典型三维模型的表达方法n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：n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：n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n几何建模的基本运算方法典型三维模型的表达方法n边界表达法（Boundar

3、y 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：n能快速绘制立体或线框模型缺点：n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n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：n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素变换典型三维模型的表达方法n单元表

4、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n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n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n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模型概念概念2D图样图样3D CAD软件软件3D CAD模型模型样品样品扫描机扫描机数据处理软件数据处理软件CAD/CAM软件功能n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n强大的CAD系统实体建模、特征建模、自由曲面建模、

5、用户自定义特征、装配、标准件库等n强大的CAM系统自动生成NC代码、动态仿真、刀库等常用的CAD/CAM软件nPro/EngineernUniGraphics IInAutoCADnI-DEASnCATIAnCADKEYnSolidWorksnCimatron常用的CAD/CAM软件-Pro/En美国Parametric Technology Crop(PTC)公司开发n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

6、户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。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。n主要功能：参数化特征造型n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n客户Ferrari,Nike,Airbus,Mattel,Motorola,NASA,Microsoft,Rolex.Boing,Toyota,HermanMiller 等常用的CAD/CAM软件-UG IIn美国Unigraphics Solutions公司，起源于航空、汽车业nUG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Unigr

7、aphics基于Windows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ParasolidnUG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-DEASn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n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

8、分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。nI-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。n客户：波音、索尼、三星、现代、福特等公司常用的CAD/CAM软件-CATIAn法国达索（Dassault System）公司开发n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）协同解决方案的一个重要

9、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n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n机械系统基础n控制系统关键n软件系统灵魂数据处理软件n对CAD模型进行分层、填充产生片层加工工艺信息控制软件n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nRP中的数据流nRP中常用的数据格式三维实体模型描述：STL（准工业标准格式）、IGES、STEP

10、二维片层信息描述：SLC、CLI、SLI、HPGLCAD模型建模CAD模型转换切片处理CAD模型效验扫描路径生成NC代码生成1.STL文件格式n文件格式ASCII文件格式二进制文件格式n占用存储空间较小n参考教材P129-132n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n文件过大，切片处理时间增加n超出成型机精度n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nSTL 的ASCII文件格式1.STL文件格式nSTL的二进制文件格式2.STL文件的基本规则n取向规则右手法则-相邻三角形法向量指向同一侧n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n取值

11、规则所有的顶点坐标为正n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n违反取向规则相邻三角面片法向量指向相反n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n违反充满规则模型出现遗漏n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n多面体的顶点数（Vertix）-V；棱边数（Edge）-E；面数（Face）-

12、F；n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nV-E+F=2（简单多面体）图形VEFV-E+F（a）4642（b）5852（c）6952（d）81262（e）81372（f）1632162（g）71283（h）81031正确的STL模型满足欧拉公式：F-E+V=2-2H4.基于STL文件格式的原理性误差n逼近处理引起的近似误差n分层方向尺寸误差n“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”1cos)/(sin2RtRsin222tRRRt实体的体积误差与实体的表面粗糙度相对应 成型方向

13、对“阶梯效应”的影响自适应直接切片（1）STL模型均匀切片模型均匀切片（2）CAD模型自适应直接切片模型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nIGES或STEP文件格式作为接口，直接分层美国Dayton大学，开发了RPTL程序n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n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

14、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n缺点通用性差n仅适合某一类CAD系统，与其他CAD系统不兼容，其他RP数据交换接口nSLC3DSystem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nCLI欧洲RP活动支持的Brite-EvRgam计划产生，通用层数据接口格式nRPIRock和Wozny提出，包含有面的拓扑信息和连接信息，减少数据冗余nCFL以色列Cubital公司开发nLMI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nSTL预处理功能n切片处理功能切片支撑设

15、计功能扫描路径生成功能四、快速原型数据处理软件nSTL预处理功能3D模型显示模型校验和修复模型几何变换n平移、旋转、缩放模型编辑n复制、镜像、分割、合并以及修改等1.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n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n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

16、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 模型几何变换几何变换对话框n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n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n开发环境具有继续进行后续数据处理软件开发的能力；n运行环境具有硬件无关性；n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（

17、如分层处理）的数据结构STL模型专用软件nMagicsMaterialise N.V.(Belgium)公司nRapid Prototyping MoudleImageware Corp.(USA)公司nRapid EditorDeskArtes Oy(Finland)公司n3D ViewActify公司nAurora清华大学殷华公司nRP-Programm西安交通大学恒通公司四、快速原型数据处理软件nSTL预处理功能n切片功能n扫描路径生成功能n支撑设计功能2.切片处理功能n切片目的离散化n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n交点的计算与

18、输入的几何形状（拓扑结构）有关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nSTL模型切片简单易行STL数据冗余、缺乏拓扑信息、多种缺陷等n容错切片n定层厚切片n自适应切片n3D模型直接切片等层厚切片处理自适应切片处理切片处理过程切片处理过程模型高度方向的截面形状模型水平方向的截面形状切片算法AA3.扫描路径规划功能n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n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n优点算法简单，可靠速度快n缺点有空腔结构的零

19、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n主要扫描方式外轮廓环向内偏置内轮廓环向外偏置n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“干干涉现象涉现象”，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n不需要频繁跨转，减少了“拉丝”现象n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n内外轮廓邻近区域采用偏置扫描，其余部分采用分区扫描n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n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nA.多面体欧拉公式的证明及应用nB.自适应直接切片的算法n作业形式：（1）A、B任选；（2）PPTn发送至邮箱：n交作业时间：下次课前