高精度快速模具制造軟件系統(tǒng)分層處理技術(shù)研究

李繼平

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 四川 遂寧 629000）

0 前言

隨著信息化時(shí)代的來(lái)臨以及初具規(guī)模的全球統(tǒng)一市場(chǎng)的逐漸形成，產(chǎn)品及技術(shù)交流日益頻繁，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，產(chǎn)品批量變小，技術(shù)含量增大，需求品種增多，生命周期變得越來(lái)越短。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式已很難適應(yīng)新的變化需求，建立快速的市場(chǎng)響應(yīng)技術(shù)平臺(tái)已成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地的重要法寶。 傳統(tǒng)模具制造過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本高，已成為模具開發(fā)制造的瓶頸，因此，現(xiàn)代快速模具技術(shù)（RT）已成為當(dāng)前模具制造業(yè)的熱點(diǎn)，并被廣泛的研究和應(yīng)用[1]。

RT 技術(shù)是在RP 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型模具制造技術(shù)，它可大大減少模具的生產(chǎn)成本和制造周期。 基于RP 的快速模具制造一般有直接法和間接法兩種。 直接制模法是將模具CAD 的結(jié)果由RP 技術(shù)直接制造成型模具。 這種方法不需要RP 原型作樣件，也不依賴傳統(tǒng)的模具制造工藝，對(duì)金屬模具的制造尤其快捷，是一種有開發(fā)前景的快速模具制造方法，因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視[2]。 由于制造出的模具具有一定的耐高溫和較好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，故用RP技術(shù)直接制造的模具經(jīng)表面處理后可直接用于生產(chǎn)中。 常用的直接制模法主要有選擇性激光燒結(jié)法（SLS）、激光生成法（LG）、等離子電弧熔積法（PDM）和三維打印法（3DP）等方法。

1 RP 技術(shù)及STL 文件

RP 技術(shù)是一種集精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光、新材料于一體的高新技術(shù)， 它通過(guò)材料累加法從零件的三維CAD 幾何模型數(shù)據(jù)來(lái)制造其物理實(shí)體模型， 其制作樣件的方法與傳統(tǒng)的去除加工方法明顯不同[3]。 RP 技術(shù)的原理是先將CAD 生成的三維實(shí)體模型通過(guò)分層軟件分成許多細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制數(shù)控系統(tǒng)，然后對(duì)選擇的成型材料進(jìn)行處理，使其固化，以逐層固化的薄層累積成所設(shè)計(jì)的實(shí)體原型。 它是一種真正意義上的數(shù)字加工， 其最大的特點(diǎn)就是成型過(guò)程基本不受模型復(fù)雜程度的限制。

從上述過(guò)程可以看出，在RP/RT 軟件系統(tǒng)中，分層處理模塊處于核心地位，分層處理的結(jié)果將直接決定后續(xù)成型制造的質(zhì)量。 目前分層處理普遍采用STL 格式的數(shù)據(jù)模型作為CAD 幾何模型與成型機(jī)所需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口[3]。

STL 是三維實(shí)體模型文件經(jīng)過(guò)三角化處理后得到的模型文件。STL 文件中每個(gè)三角形面片有四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角形面片的外法線矢量，STL 文件即為多個(gè)三角形面片的集合。

由于硬件以及算法的原因，STL 數(shù)據(jù)模型存在以下一些不足[4][5]：①用小三角平面片近似實(shí)體表面明顯降低了精度；②STL 數(shù)據(jù)模型包含著一系列單個(gè)的三角平面片信息， 而對(duì)于三角平面片之間的鄰接關(guān)系，則沒(méi)有表達(dá)，從而使得這種表達(dá)具有二義性；③通常為提高逼近精度采用更多的三角平面片近似表面，則會(huì)使STL 數(shù)據(jù)模型的容量變大，并且數(shù)據(jù)冗余量增大；④為提高精度當(dāng)用多個(gè)三角平面片近似時(shí)，由于有限運(yùn)算精度的約束和轉(zhuǎn)換精度的限制， 很有可能出現(xiàn)一個(gè)頂點(diǎn)分離或幾個(gè)頂點(diǎn)的情況；⑤表面模型通常不是封閉的，以此轉(zhuǎn)化成的STL 數(shù)據(jù)模型存在著裂縫、 空洞、 重疊表面等問(wèn)題。 這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)切片時(shí)正確的截面輪廓數(shù)據(jù)，致使快速成型過(guò)程不能正常進(jìn)行。

基于上述原因，在進(jìn)行分層處理之前實(shí)現(xiàn)STL 文件的缺陷檢查并修復(fù)就顯得相當(dāng)重要。

2 RT 軟件系統(tǒng)的總體處理流程

為了保證分層處理的正確性，在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí)，采用了數(shù)據(jù)文件兩級(jí)糾錯(cuò)處理技術(shù)，即STL 文件3 維層次上的糾錯(cuò)和2 維切片輪廓層次上的修復(fù)，整個(gè)軟件系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，處理流程如下：

a.從磁盤上讀取STL 文件進(jìn)入內(nèi)存；

b.對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)中的STL 文件數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；

c.將每個(gè)三角形片面的三個(gè)法相分量和三個(gè)頂點(diǎn)的九個(gè)分量存入預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)中；

d.啟動(dòng)顯示STL 實(shí)體的例程。 并等待用戶觸發(fā)數(shù)據(jù)處理消息；

e.一旦觸發(fā)數(shù)據(jù)處理消息，就建立數(shù)據(jù)處理線程；

f.在上步發(fā)回結(jié)束消息后，等待用戶觸發(fā)缺陷檢查或者分層消息；

g.缺陷檢查后顯示實(shí)體的一些具體信息，進(jìn)行3 維層次修復(fù)，等待用戶觸發(fā)分層消息；

h.用戶觸發(fā)分層處理后，進(jìn)入分層參數(shù)設(shè)置，然后啟動(dòng)分層線程；存儲(chǔ)分層數(shù)據(jù)；

i.層片堆積仿真，修復(fù)2 維切片輪廓存在的錯(cuò)誤；

j.掃描線計(jì)算，生成CLI 文件。

在分層處理之前進(jìn)行的STL 文件缺陷檢查和修復(fù)主要包括兩部分工作：

1）冗余點(diǎn)去除；冗余點(diǎn)去除是將STL 模型中所有相同的頂點(diǎn)和由于計(jì)算誤差而造成的距離很近的分離點(diǎn)，合并成一個(gè)無(wú)重復(fù)點(diǎn)的點(diǎn)表。 這樣可明顯地減少STL 模型中的數(shù)據(jù)冗余量，并將小于圓整誤差的三角形面片去掉。 對(duì)冗余點(diǎn)去除過(guò)程中出現(xiàn)的畸變需根據(jù)STL 模型的法則進(jìn)行處理，使之符合STL 模型的規(guī)則。 為便于對(duì)頂點(diǎn)的操作，采用在頂點(diǎn)合并的同時(shí)，對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行排序的方法。 為了提高檢索效率，排序采用快速排序。

2）鄰邊三角形拓?fù)潢P(guān)系建立；STL 模型本身并不包含三角形面片排序之間的拓?fù)潢P(guān)系，這給后續(xù)的分層處理帶來(lái)極大的困難。 在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，存儲(chǔ)的三角形面片不僅包含定義它的三個(gè)頂點(diǎn)和法相矢量信息，而且還包含相應(yīng)的三個(gè)相鄰面和三條公共邊的信息。 這些相鄰面和公共邊的信息可以確定三角形之間的拓?fù)潢P(guān)系。 由于每個(gè)三角形面片包括三條邊，每條邊被兩個(gè)三角形面片所共有。 如果某個(gè)三角形面片的鄰邊三角形不足三個(gè)，則認(rèn)定此處存在缺陷，讀取有關(guān)輪廓線，進(jìn)行三角形劃分，修復(fù)缺陷。

3 RT 軟件系統(tǒng)的分層處理

在分層處理過(guò)程中， 首先根據(jù)分層方向?qū)⑷切闻判?，然后獲取與分層平面相交的三角形映射集合，當(dāng)集合中三角形都與分層平面作過(guò)求交運(yùn)算后， 即認(rèn)為該次分層結(jié)束，具體流程圖如圖1 所示。

圖1 分層處理流程圖

分層處理的關(guān)鍵在于如何獲得切點(diǎn)順序相連的封閉輪廓線，其實(shí)質(zhì)是鄰接三角形的查找。 在分層平面與三角形作求交運(yùn)算的過(guò)程中，主要有如圖2 所示的三種情況，其中H為分層平面，A 為幾個(gè)三角形的公共頂點(diǎn)，對(duì)于情況（a），三角形1、2、3 進(jìn)入映射集合，直接通過(guò)鄰邊三角形拓?fù)潢P(guān)系依次計(jì)算三角形3、2、1 與H 平面的交點(diǎn)；對(duì)于情況（b），分層平面H 通過(guò)三角形3、4 的公共邊以及三角形2、5 的公共點(diǎn)，這種情況下，根據(jù)約定，只有三角形3、1 進(jìn)入映射集合，作求交運(yùn)算時(shí)，根據(jù)“共頂點(diǎn)A”這一原則找到三角形1，繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算；對(duì)于情況（c），分層平面H 通過(guò)三角形3、1 的公共點(diǎn)A，此時(shí)仍舊按照“共頂點(diǎn)A”這一原則找到三角形1，繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算。

圖2 分層平面與三角形相交示意圖

4 STEP 文件直接切片分層

由于STL 文件是三維實(shí)體模型文件經(jīng)過(guò)三角化處理后得到的模型文件，其本身不可避免的存在著精度誤差，因此能否實(shí)現(xiàn)直接切片分層已經(jīng)成為RP/RT 領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。

STEP （產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）協(xié)議是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 確定的一套關(guān)于產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)和交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。 STEP 通用性強(qiáng)，獨(dú)立于軟硬件環(huán)境之外，文件大小也比較適宜，因此實(shí)現(xiàn)STEP 文件直接切片分層無(wú)疑具有最廣泛的適用性。

在STEP 中產(chǎn)品模型信息分為應(yīng)用層、 邏輯層和物理層三層結(jié)構(gòu)，按照其功能和作用被分為集成資源、描述方法、應(yīng)用協(xié)議、實(shí)現(xiàn)方法和一致性測(cè)試這五個(gè)部分。 產(chǎn)品數(shù)據(jù)的這種描述，本質(zhì)上不僅適合于中性文件交換，而且是實(shí)現(xiàn)和共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存檔的基礎(chǔ)。 正因STEP 標(biāo)準(zhǔn)的普適性，對(duì)于RP 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就顯得過(guò)于求全，必然存在著冗余信息，需要開發(fā)必要的算法和解釋器才能將有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到RP 系統(tǒng)中。

通過(guò)對(duì)STEP 標(biāo)準(zhǔn)的仔細(xì)分析， 我們認(rèn)為基于STEP 標(biāo)準(zhǔn)的CAD 模型直接分層處理技術(shù)的關(guān)鍵是：對(duì)STEP 中性物理文件的讀入和分析并正確獲取STEP 標(biāo)準(zhǔn)的CAD 模型的幾何拓?fù)湫畔ⅲ?利用形成的幾何數(shù)據(jù)模型完成對(duì)CAD 模型的分層處理即各幾何元素與分層面的求交處理， 生成RP 的二維層片加工數(shù)據(jù)。 其中，正確獲取STEP 標(biāo)準(zhǔn)的CAD 模型的幾何拓?fù)湫畔⑹枪ぷ鞯闹饕y點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文作者采用Visual C++6.0 和OpenGL 進(jìn)行程序開發(fā)，在Windows 9X/NT/2000 系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了上述算法，程序運(yùn)行結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 零件三維實(shí)體顯示圖

圖4 一條分層輪廓線顯示圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，由于采用了面向?qū)ο蠛蚈penGL 混合編程，并使用了多線程等技術(shù)，因此提供了良好的可視化環(huán)境， 對(duì)STL 文件獲得了優(yōu)質(zhì)的三維顯示效果。 采用數(shù)據(jù)文件兩級(jí)糾錯(cuò)處理技術(shù)， STL 文件處理速度大大增加，界面使用更加友好，同時(shí)生成的CLI 文件錯(cuò)誤率低，這對(duì)于開發(fā)高精度的、通用快速模具制造軟件系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。

［1］谷諍巍，袁達(dá)，張人佶，顏永年.基于RP 原型的電弧噴涂快速模具制造技術(shù)研究[J].電加工與模具，2003（1）：50－52.

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［3］黃樹槐.快速原型制造技術(shù)的進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程，1997，8（5）：8－12.

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［5］田宗軍.快速成形系統(tǒng)中STL 文件的缺陷與修復(fù)[J].電加工，1999，2：15－18.