第2 章 快速成型关键技术—数据处理与扫描控制软件

机械,快速成形技术

数据处理与扫描控制软件邵金友 Email: jyshao@http://www.77cn.com.cn Tel: 13609182384、83399529 先进制造技术研究所 机械制造系统工程国家重点实验室西五楼B305

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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 前处理

构造 三维模型 三维软件 扫描机

近似处理

选择 成形方向减少层数， 提高效率

分层处理

建立STL 格式文件

由分层软件 完成

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快速成形过程自由成形 二维截面的 填充制作 二维截面轮廓 的制作

二维截面的叠加

后处理 工件的 剥离、去除支撑

后固化

打磨、抛光 表面强化处理

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三维模型的表达方法

几何建模：即构造三维CAD模型，也就是将现实物体或 假想物体的几何信息用某种数据方式在计算机中表示出来 的过程。 目前的多种CAD软件，Pro/ENGINEER,AutoCAD,IDEAS,Unigraphics,CATIA,SolidWorks

几何建模方法： 1. 构造实体几何法(Constructive Solid Geometry,简称 CSG) 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),将一些简单的体素(如立方体、圆柱 体、环、锥体)组合，变化，得到三维模型实体。

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三维模型的表达方法CSG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。 CSG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。

2. 边界表达法(Boundary Representation,简称B-rep) 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。

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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。 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。

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三维模型数据来源三维模型数据来源 1. 第一种方法，也称正向设计，采用Pro/E、UG、CATIA、 SolidWorks、AutoCAD 等软件直接造型，主要方法是： 实体造型(SolidModeling) 曲面造型(SurfaceModeling)功能。 2. 用扫描机和反求软件构造三维模型 第二种方法也称为逆向设计

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逆向工程与传统设计方法比较正向设计 产品构思→三维造型设计→CNC或RP →成品 费时、费力、缺陷多、风险大 逆向设计 样品→表面扫描、测量→三维重构→ CNC或RP →成品 省时、省力、精益求精、风险小

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逆向工程及数据测量逆

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。 1. 三坐标测量机(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)

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以激光扫描为例说明逆向工程原理1. 利用激光光刀对物体表面 进行扫描 ; 2. 由 光 电 耦 合 摄 像 机 ( Charge-Coupled Device , 简称CCD)采集被测表面的 光刀曲线，得到光信号，通 过光电传感器把采集到的光 信号转化成电位差信号，通 过处理电路将电位差信号 (与基准电压的差)转化成 类比的影像信号，最后通过 取像卡，把类比的影像信号 转换成计算机像素数据，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 取像卡 影像 信号 处理电路

点云 数据

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光刀式激光扫描激光扫描头

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点云数据和实体造型

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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 。 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。

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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。 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。

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RP中的分层处理所有的快速成型都需要对CAD数据进行分层，得到每层的 轮廓数据。 三维模型的分层处理 基于STL模型的分层 按使用数据格式 CAD模型的直接分层 RP分层算法 等层厚切片 按分层方法 适应性切片

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三维模型的近似处理及STL文件CAD模型在分层时，由于CAD模型上往往有一些不规则的自 由曲面，切片处理时，计算工作及轮廓的提取非常复杂，这就要 求加工前必须对其进行近似处理。 STL 数据格式是当前所有商用RP 系统广泛采用的CAD/RP 的数据接口STL(Stereolithography)是美国3D 系统公司1989 年提 出的一种数据格式，它由大量相连接的三角面片网格组成，每个 面片由

其顶点和由里指向外的单位法矢定义，面片的顶点有序排 列(以右手规则),此外，STL文件中两个相邻的三角形只能有一 条公共边。STL文件中的数据是无量纲的，各三角形的顶点坐标 必须是正数，零和负数是不合法的。 STL 文件格式是零件外形的逼近，面片使用的越多逼近的程 度越高，然而过多的面片增加了处理时间和文件长度.作为 CAD/RP 的接口STL 已经很好地服务于RP工业。它的优点在于 其结构简单和应用广泛，其简单的数据格式可由CAD 系统方便地 产生，而且易于RP 系统的操作，如提取层轮廓。

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三维模型的近似处理及STL文件STL文件目前已经成为CAD系统与RP系统之间的事实数 据交换标准。这种文件格式是将CAD模型表面离散化为三角 面片，目前许多CAD软件系统都提供STL接口。

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三维模型的近似处理及STL文件由于STL文件结构简单，没有几何拓扑连接上的要求， 缺少几何拓扑上的稳健性，使得STL文件出错的可能性加大。 在快速成型制造实践中时常出现以下问题或错误。 (1)间隙(或称裂纹，gap, drack),这种情况会导致轮廓 不封闭，不能产生填充扫描数据，造成原型制作的失败。 (2)孤立面(orphan suface)

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三维模型的近似处理及STL文件(3)顶点错误，即某三角形的顶点在另一个三角形的某条边上。(4)法向量错误，即三角形的顶点次序与三角形面片的法向量不 满足右手规则。

(5)零件内外表示矛盾，即相邻三角形面片的法向量所确定的零 件内外部不一致。(6)重叠面，如果存在一个内部重叠面，扫描时会在重叠位置间 断，会引起原型制作的质量问题。

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