快速成型技术-快速成形过程与三维模型的建立.pptx

第三章快速成形过程与三维模型的建立快速成形过程与三维模型的建立 快速成形过程快速成形过程 快速成形的全过程包括三个阶段：前处理、自由成形和后处理 快速成形过程快速成形过程前处理构造三维模型近似处理选择成形方向三维软件扫描机建立STL格式文件多沿着工件高度方向分层处理由分层软件完成快速成形过程快速成形过程自由成形二维截面轮廓的制作二维截面的叠和快速成形过程快速成形过程后处理工件的剥离、去除支撑后固化修补打磨抛光表面强化处理三维模型的构造几何建模：即构造三维CAD模型，也就是将现实物体现实物体或假想物体假想物体的几何信息几何信息用某种数据方式在计算机中表示出来的过程。三维模型的表达方法1.1.构造实体几何法（构造实体几何法（Constructive Solid GeometryConstructive Solid Geometry，简称，简称CSGCSG）构造实体几何法又称积木块几何法，采用布尔构造实体几何法又称积木块几何法，采用布尔运算法则（并、交、减），将一些简单的运算法则（并、交、减），将一些简单的体素体素体素体素（如立方体、圆柱体、环、锥体）组合，变化，（如立方体、圆柱体、环、锥体）组合，变化，得到三维模型实体。得到三维模型实体。优点：数据结构简单，无冗余的几何信息，得优点：数据结构简单，无冗余的几何信息，得到的实体真实有效，并能方便的修改。到的实体真实有效，并能方便的修改。缺点：产生和修改实体的算法有限，构成图形缺点：产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。的计算量很大，比较费时。三维模型的表达方法2.边界表达法（Boundary Representation,简称Brep）根据顶点、边和面组成的表面来精确的描述三维实体。优点：快速绘制立体或线框模型 缺点：数据以表格形式出现，因此空间占用量大；所得到的实体不一定真实有效，可能出现错误的孔洞或是颠倒现象。三维模型的表达方法3.参量表达法（Parametric Representation）采用参量化的线条、贝塞尔曲线和B样条，把每一个X、Y、Z坐标都采用参量化形式表达，用此方式来描述自由曲面。其中非均匀有理B样条（NURBS：Non-Uniform Rational B-Splines）法用的比较广泛。三维模型的表达方法4.单元表达法（Cell Representation）用三角形、正方形或是多边形把表面分成各个独立的小单元。三维模型的构建方式1.用于构造模型的CAD 软件系统要求有较强的三维造型功能，主要是：实体造型（SolidModeling）曲面造型（SurfaceModeling)功能。常用的三维软件有：Pro/E、UG、CATIA、SolidWorks、AutoCAD 等。2.用扫描机构造三维模型第二种方法也称为逆向工程（重点）第二种方法也称为逆向工程（重点）逆向工程与传统方法比较正向设计正向设计逆向设计逆向设计费时费力工作量大风险大省时省力投资小风险小逆向工程逆向工程逆向工程（Reverse Engineering）用扫描机对已有的产品实体进行扫描，可得到一系列离散点的坐标（点云数据），再使用相关的CAD软件对点云进行处理，即可得到被扫描实体的三维模型，这个过程称为RE。常用的扫描机1.传统的坐标测量机（Coordinate Measurement Machine,简称CMM）2.激光扫描机（Laser Scanner）3.零件断层扫描机（Cross Section Scanner）4.CT扫描机（Computer Tomography）5.磁共振扫描机（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）。以激光扫描器为例说明逆向工程原理以激光扫描器为例说明逆向工程原理 1.1.利用激光光刀对物体表面进利用激光光刀对物体表面进行扫描行扫描 ;2.2.由光电耦合摄像机由光电耦合摄像机（Charge-coupled Device,Charge-coupled Device,简简称称CCDCCD）采集被测表面的光刀）采集被测表面的光刀曲线，得到光信号，通过光电曲线，得到光信号，通过光电传感器把采集到的光信号转化传感器把采集到的光信号转化成电位差信号，通过处理电路成电位差信号，通过处理电路将电位差信号转化成类比的影将电位差信号转化成类比的影像信号，最后通过取像卡，把像信号，最后通过取像卡，把类比的影像信号转换成计算机类比的影像信号转换成计算机像素数据，即点云数据；像素数据，即点云数据；CCD被测表面的光刀曲线光信号光电传感器 电位差 信号处理电路 影像 信号取像卡 点云 数据点云数据和实体造型目前最常用的逆向软件1.Imageware Imageware由美国 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。用扫描机构造三维模型用扫描机构造三维模型2.Geomagic Studio：Geomagic Studio是由美国 Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件。可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为 NURBS 曲面。用扫描机构造三维模型用扫描机构造三维模型3.CopyCAD CopyCAD是由英国 DELCAM 公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。用扫描机构造三维模型用扫描机构造三维模型4.RapidForm RapidForm是韩国 INUS 公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，RapidForm 也将使工作效率迅速提升，使 3D 扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。三维模型的近似处理 原因：由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，这就要求加工前必须对其进行近似处理。三维模型的近似处理格式（1 1）IGESIGES（International Graphics Exchange StandardInternational Graphics Exchange Standard）美国标准，用处广泛，可支持不同文件格式之间的转美国标准，用处广泛，可支持不同文件格式之间的转换。换。（2 2）HPGLHPGL（HP Graphics LanguageHP Graphics Language）用矢量来描述图形。用矢量来描述图形。（3 3）STEPSTEP（Standard for Exchange ProductStandard for Exchange Product）（4 4）DXFDXF（5 5）STLSTL（Stereo LithographyStereo Lithography）是目前在快速成形系统中使用的主流数据格式。是目前在快速成形系统中使用的主流数据格式。STL格式文件 起源：1987 年，3Dsystems 公司对任意曲面CAD 模型作小三角形平面小三角形平面近似，开发了STL（Stereo Lithography interface specification）文件格式，并由此建立从近似模型中进行切片获取截面轮廓信息的统一方法。STL格式文件 用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，每一个小三角形的由三个顶点坐标（X，Y，Z）和一个法向矢量（N）来表示。三角形的大小可以选则，从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件，就称为STL格式文件。STL格式文件STL格式文件近似处理的意思：用无数个三角形去等效一个三维几何实体，毕竟要有一定的偏差，所以只能是无限接近，近似得到实体。STL文件格式的规则 1.共顶点规则 任何一个三角形的顶点不能落在其它三角形的边上。表达正确表达错误STL文件格式的规则2.取向规则 三角形平面的法向量必须向外，三个顶点连成的矢量方向按右手法则确定，而且，相邻的三角形平面不能出现取向矛盾。STL文件格式的规则3.取值规则 每个小三角形的顶点坐标时必须是正数，零和负数都是错误的。4.充满规则 在一维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏。STL格式的缺陷 1.出现违反共顶点规则的三角形 解决方法：补线2.出现错误的裂缝或孔洞 解决方法：补面 STL格式的缺陷3.3.三角形过多或者过少三角形过多或者过少 过多：文件空间量太大，超出成形系统的范围，过多：文件空间量太大，超出成形系统的范围，出现莫名其妙错误；出现莫名其妙错误；过少：精度不够，会因为无法表达细小的特征过少：精度不够，会因为无法表达细小的特征结构而出错结构而出错 解决方法：调整解决方法：调整4.4.微小特征遗漏或者出错微小特征遗漏或者出错 对于对于CADCAD模型上的微小特征，往往不能布置足模型上的微小特征，往往不能布置足够的三角形够的三角形 解决方法：用成形系统来自动修补或者是手动解决方法：用成形系统来自动修补或者是手动修补修补STL格式的输出方式1.ASCII码，也称文本格式，所占空间大，但可以阅读并能直观检查；2.二进制码，所占空间小；三维模型的切片处理 由于快速成型是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此，加工前必须在三维模型上，用切片软件，沿成形的高度方向，每隔一一定的间隔定的间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的选定 间隔的大小根据被成形件的精度和生产率的要求来选定。间隔越小，精度越高，但成型时间越长；否则，间隔越大，精度越小，成型时间越短。间隔的范围一般为0.05-0.5mm，常用的间隔在0.lmm左右，在此取值下，能得到相当光滑的成形曲面。切片间隔选定之后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。切片的定义及方法切片是几何体与一系列平行平面求交的过程。几何体指的是经过STL格式化的模型。平面：垂直于成形方向的一组相互平行的平面。切片的过程1.将三维模型转化成的STL格式文件输入到快速成型机切片的过程2.2.沿成形高度方向（一般为沿成形高度方向（一般为Z Z方向），自上而下，方向），自上而下，每间隔一定高度（如每间隔一定高度（如0.1mm 0.1mm），逐一用与），逐一用与Z Z轴正轴正方向垂直的平面与方向垂直的平面与STLSTL格式化的模型相交，求取格式化的模型相交，求取它们的交点。它们的交点。分层切片的过程 切片的过程3.在获得交点后，可以根据一定的规则一定的规则，选取有效顶点组成边界轮廓环。4.获得边界轮廓后，按照外轮廓逆时针、内轮廓顺时针的方向标记，为后续扫描路径生成中的算法处理做准备。RP中的切片 在RP中，切片的整个过程一般由快速成快速成型系统型系统所附带的切片处理软件来完成，切片处理软件能按照设计的程序自动提取模型的截面轮廓，并对内外边界进行标定。RP中的文件的转化 利用快速成形机中的软件将切片后得到的二维截面信息转化成通用分层界面形式CLI(Common Layer Interface)，即可将命令传给成形系统进行成形。CLI试图用一种简单、高效和准确的格式将基于二维分层描述数据输入各种分层制造系统。