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

RP 系 统 的 数 据 准 备

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 ) 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 点 边 环 面 实 体

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 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 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 RP 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 概 念 2D 图 样 3D CAD 软 件 3D CAD 模 型 样 品 扫 描 机 数 据 处 理 软

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 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 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,Toyot 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 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 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 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 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 CAD 模 型 建 模 CAD 模 型 转 换 CAD 模 型 效 验 NC 代 码 生 成 扫 描 路 径 生 成 切 片 处 理 RP 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 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 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)- 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 图 形 V E F V-E+F (a) 4 6 4 2 (b) 5 8 5 2 (c) 6 9 5 2 (d) 8 12 6 2 (e) 8 13 7 2 (f) 16 32 16 2 (g) 7 12 8 3 (h) 8 10 3 1 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 ε 实 体 的 体 积 误 差 Δ 与 实 体 的 表 面 粗 糙 度 相 对 应 [cos 1 (sin / R ) R t 2 t 2 R R 2tR sin 2

成 型 方 向 对 阶 梯 效 应 的 影 响

自 适 应 直 接 切 片 (1)STL 模 型 均 匀 切 片 (2)CAD 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 IGES 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 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 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.STL 预 处 理 功 能 三 维 模 型 显 示 线 框 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 视 图 旋 转 后 原 视 图

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 自 动 修 复 后 仍 有 错 误 大 空 洞 和 法 向 错 误 的 STL 模 型 绕 Z 轴 旋 转 90 度 后 修 复,

自 动 修 复 后 仍 有 错 误 ( 红 色 部 分 ) 的 STL 模 模 型 修 复 含 错 误 的 STL 模 型

模 型 修 复 拾 取 错 误 表 面 上 的 面 片 交 互 修 复 结 果

1.STL 预 处 理 功 能 模 型 几 何 变 换 改 变 模 型 的 尺 寸 或 成 型 方 向 平 移 旋 转 缩 放 镜 像 几 何 变 换 对 话 框

模 型 几 何 变 换 应 用 平 移 后 初 始 状 态

模 型 几 何 变 换 应 用 镜 像 后 初 始 状 态

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 自 动 排 样 分 解 合 并 切 割 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 的 数 据 处 理 专 用 软 件 Magics 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 规 划 扫 描 路 径

切 片 处 理 的 过 程 1.STL 模 型 转 换 2. 求 交

3. 提 取 轮 廓 信 息 4. 扫 描 路 径 规 划

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

模 型 高 度 方 向 的 截 面 形 状 模 型 水 平 方 向 的 截 面 形 状 切 片 处 理 过 程 自 适 应 切 片 处 理 等 层 厚 切 片 处 理

A A 切 片 基 本 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 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 切 片 算 法 作 业 形 式 :(1)WORD;(2)PPT 发 送 至 邮 箱 :meixiaoqin71@yahoo.com.c 交 作 业 时 间 : 下 次 课 前