基于AutoCAD的三維CAD模型直接切片方法

胡浩亮，陳 萍，張爭艷，陶孟侖，陳定方，陳 瓊

（1武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063；2南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西 九江332020）

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)采用材料逐層堆積的方法來制造實體，可以直接、快速地將三維CAD模型制造出來，大大縮短制造周期，降低成本，具有良好的發(fā)展前景。雖然可以用不同的方法建立三維CAD模型，但制造實體的過程必須要依據(jù)這些模型的切片數(shù)據(jù)，因此切片方法將會直接影響加工質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。然而，即使是同一個模型，不同的切片方法也會產(chǎn)生不同的切片數(shù)據(jù)，如何將模型分割成單一的切片層并得到適宜的輪廓數(shù)據(jù)是一項至關(guān)重要的工作［1］?？焖俪尚偷那衅椒ǚ譃榛赟TL模型的切片方法和基于三維CAD模型的直接分層切片方法［2］。前者先用小三角面片近似模擬三維CAD模型，再對近似模型進行切片獲取輪廓數(shù)據(jù)。這種方法具有格式清晰、易于分割等優(yōu)點，在快速成型發(fā)展初期得到了廣泛運用，且被幾乎所有的快速成型設(shè)備和CAD系統(tǒng)所支持。但STL格式僅僅是對三維CAD模型的近似模擬，且不包含拓撲信息，因此會產(chǎn)生一些諸如法向量錯誤、不共頂點、頂點分離、違反取向原則、重疊面片等缺陷。而基于三維CAD模型的直接分層切片方法則直接對原始模型切片獲取輪廓數(shù)據(jù)，具有精度高、速度快等優(yōu)點。基于上述原因，本文提出了一種基于AutoCAD的直接分層切片方法，實現(xiàn)了對三維CAD模型的直接切片。

1 直接切片程序

AutoCAD不僅是提供基本功能的應(yīng)用平臺，更是可以進行二次開發(fā)的軟件平臺。在AutoCAD平臺下對三維CAD模型直接分層切片的二次開發(fā)有兩種方法［3］：一種方法是基于ObjectARX開發(fā)一個切片的動態(tài)鏈接庫（DLL），通過使用AcBr庫（libacbr.dll）查詢?nèi)S實體任意方向上的剖面數(shù)據(jù)從而獲得分層切片，這種方法難度較大，同時容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；另一種方法是借助于AutoCAD內(nèi)嵌的Visual LISP語言，通過調(diào)用剖切命令實現(xiàn)對三維CAD模型的直接切片。該語言易于掌握，便于交互。

1.1 切片程序核心思想

切片程序借助于AutoCAD軟件平臺，利用Visual LISP語言進行二次開發(fā)，得到直接切片的輪廓信息［4］，同時得到快速成型機的驅(qū)動指令掃描路徑。

首先利用command函數(shù)調(diào)用layer命令建立兩個圖層——countor和hatch，分別用于保存各個切片層的邊界輪廓數(shù)據(jù)以及內(nèi)部填充數(shù)據(jù)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的提取以及生成數(shù)控代碼。接下來設(shè)置坐標(biāo)系，將用戶坐標(biāo)系（UCS）設(shè)置在模型底部，Z軸方向指向切片方向。值得注意的是，在運行程序代碼之前，必須關(guān)閉特征點捕捉、正交等自動功能，否則得到的不一定是預(yù)期高度的切片。完成上述工作后，進入切片過程。

1）用DCL語言編寫一個用戶對話框，得到模型的最低點坐標(biāo)值bottom、最高點坐標(biāo)值top、切片方向以及切片厚度delta（圖1）。

圖1 切片程序用戶框界面

2）調(diào)用剖切（section）命令，對模型的指定位置進行剖切操作，得到子類標(biāo)記為AcDbModelerGeometry的面域（Region）形式的切片，并添加至選擇集A，置于圖層0中。

3）調(diào)用提取邊（xedges）命令。由于AutoDesk公司尚未公布DXF文件中關(guān)于保存面域的私有數(shù)據(jù)的格式細節(jié)，因此關(guān)于面域這一特殊圖元的數(shù)據(jù)提取少有報道?？紤]到AutoCAD 2008已經(jīng)增加提取邊命令，可以調(diào)用該命令對面域切片提取邊得到一個由二維圖元組成的輪廓線框。若提取得到的輪廓線框包含樣條曲線（spline），可以調(diào)用編輯多段線（pedit）命令轉(zhuǎn)化為指定擬合精度（一般20）的多段線，并調(diào)用炸開（explode）命令得到一系列符合工藝參數(shù)的內(nèi)部填充直線。

4）調(diào)用填充（hatch）命令對面域切片進行平行線填充，并調(diào)用炸開（explode）命令炸開填充圖案，得到一系列相互平行的直線，并添加至選擇集C，置于hatch圖層中。上述得到的直線可以作為后續(xù)驅(qū)動指令的掃描路徑。若設(shè)置填充原點為左上角，則上述得到的直線按由上到下、由左到右的順序記錄，提取時可以不考慮順序。

5）刪除選擇集B中的面域形式的切片，高度z增加一個切層厚度，將UCS置于當(dāng)前位置，當(dāng)z≤模型最大高度值top時，重復(fù)上述步驟2）～5）。

該過程的流程如圖2所示。

1.2 切片程序核心代碼

（setvar"osmode"0）；關(guān)閉目標(biāo)對象捕捉

（setvar"blipmode"0）；不顯示光標(biāo)痕跡

（setvar"hporiginmode"1）；填充對象設(shè)置填充原點為左上角

（setvar"hpname""＿user"）；設(shè)置填充的默認圖案名稱為用戶自定義

（while（＜＝z top）；變量控制為切片方向z

（command"section"A"""XY"（list 0 0z））；對選擇集A剖切，方向平行于XY平面

（command"ucs"（list 0 0z）""）；設(shè)置用戶坐標(biāo)系

（command"xedges"B""）；提取邊，即輪廓線框

（command"change"C"""p""la""countor"""）；置于countor圖層中

（if（or（＜ n 3）（＞ n layer））（setq filldelta 0.4）（setq filldelta 2））；前后三層驅(qū)動指令掃描線間距較小，增加模型強度，中間層間距適當(dāng)疏些，以節(jié)省材料

（setq ang（＋ang（／pi 2）））；相鄰層的填充角度相差90°，增加打印時材料粘合度

（setvar"hpspace"filldelta）；指定填充方案的間距

（setvar"hpang"ang）；指定填充方案的角度

（command"hatch""""""""n"B""）；填充

（command"explode""last"""）；炸開，獲得直線

（command"change"D"""p""la""hatch"""）；置于hatch圖層中）

以上只是最為核心的幾個代碼，并不能直接運行。

圖2 技術(shù)流程圖

2 程序驗證

建立圖3所示的三維CAD模型，其中整體邊界框為44mm×60mm×50mm。為了演示切片程序，將切片厚度定為3（實際應(yīng)該為0.15～0.2），得到圖4所示的切片數(shù)據(jù)。

圖3 三維CAD模型

圖4 模型切片

圖5 為該模型高度分別為5mm、15mm、30 mm處的切片輪廓。其中直線為驅(qū)動指令的填充直線，線框為實體的切片輪廓。證明本程序可以實現(xiàn)對三維CAD模型的直接切片。

圖5 模型指定層切片

［1］ Cao W，Miyamoto Y.Direct slicng from AutoCAD solid models for rapid prototying［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2003，21（10－11）：739－742.

［2］ 馬靜靜，胥光申.基于AutoCAD的CAD模型直接切層方法研究［J］.計算機光盤軟件與應(yīng)用，2012（13）：120－130.

［3］ 馬錦華，盧章平.AutoCAD環(huán)境下直接適應(yīng)性切片方法及實現(xiàn)［J］機械設(shè)計與制造，2007（07）：100－102.

［4］ 李占利，胡德州.三維模型的直接分層軟件研究與開發(fā)［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報，2002，22（02）：189－193.