激光制造的三維實(shí)體模型直接切片方法

周惠群，吳建軍

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

激光制造的三維實(shí)體模型直接切片方法

周惠群，吳建軍

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

基于快速成形中激光制造的三維實(shí)體模型，將其分為滿足誤差要求的一系列層片。采用提取截面輪廓的方法，將輪廓分為線段、圓弧和自由曲線，儲存為特定的數(shù)據(jù)文件格式，輪廓內(nèi)部形成掃描區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)快速成形的分層制造。

實(shí)體模型；切片；輪廓；快速成形

激光制造是利用一定波長的激光照射液態(tài)或固態(tài)粉末固化成制件原型，它是快速成形的典型工藝?？焖俪尚危≧apid Prototyping，RP）技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)制作出零件的CAD模型，并將其進(jìn)行一定的分層處理，再采用材料精確離散/堆積成形原理的新型制造方法。它需要由三維CAD模型切片求出每層的截面輪廓?；谌SCAD模型的切片工作是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是快速成形技術(shù)的核心［1］。

在RP技術(shù)發(fā)展初期，STL文件格式由于格式簡單、模型易分割等原因而被廣泛應(yīng)用，這對RP技術(shù)的推廣普及起了很大的促進(jìn)作用。但STL文件格式是對CAD模型的一種近似表達(dá)，隨著RP技術(shù)的發(fā)展，尤其是面向工程上的直接應(yīng)用，如模具制造等方面，近似的物理原型已不再滿足要求，而是對原型提出了更高的精度要求。此時(shí)，STL文件格式的不足和缺陷就極大地限制了其在分層中的應(yīng)用［2-3］。

STL文件格式的不足主要有以下幾個(gè)方面:①STL文件是近似的CAD模型，造成了模型精度的損失；②STL文件的三角形頂點(diǎn)重復(fù)定義，數(shù)據(jù)冗余量大；③STL文件的數(shù)據(jù)量巨大；④易產(chǎn)生裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面等錯(cuò)誤；⑤由于不含CAD設(shè)計(jì)的拓?fù)湫畔ⅲ诤罄m(xù)處理中相對困難。因此，尋找一種從CAD到RP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法是近年來RP技術(shù)研究的關(guān)鍵之一。

由于STL文件格式的先天缺陷，無論其如何改進(jìn)、如何提高精度，也無法滿足高精度制件的加工質(zhì)量要求。因此，在三維CAD系統(tǒng)內(nèi)直接對CAD模型分層切片便成為目前快速成形技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

在CAD系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行直接分層具有以下優(yōu)點(diǎn):①提高CAD模型的精度；②可直接利用RP成形機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的插值功能，提高零件的表面質(zhì)量；③減少RP成形設(shè)備的前處理時(shí)間，提高加工效率；④無須進(jìn)行拓?fù)湫畔⒌奶崛〖拔募e(cuò)誤的修正；⑤減小數(shù)據(jù)文件大?。?-7］。

本文的基本思想是先將三維實(shí)體模型按照誤差允許的范圍劃分為一系列的截面輪廓，采用提取截面輪廓的方法，將輪廓分為線段、圓弧和自由曲線，儲存為特定的數(shù)據(jù)文件格式，輪廓內(nèi)部形成掃描區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)快速成形的精確分層制造。

1 激光制造的過程

1.1 快速成形的工藝過程

（1）三維CAD模型的建立

建立CAD三維模型可采用現(xiàn)有的CAD軟件直接構(gòu)建，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、UG等；也可將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。

（2）虛擬切片處理

在CAD軟件系統(tǒng)內(nèi)部，依據(jù)制件的特征選擇合適的加工方向，在加工高度方向上用一系列一定間隔的平面切割CAD三維模型，然后提取截面的輪廓信息，通常選取的間隔為0.05～0.5mm，常用的為0.1mm。間隔越小，成形精度越高，但成形時(shí)間也越長，效率就越低；反之，則精度低，但效率高。

（3）掃描路徑規(guī)劃

在切片處理后的截面輪廓內(nèi)部，尋求最優(yōu)的掃描路徑。典型的有:平行掃描路徑、輪廓掃描路徑、分形掃描路徑等。

（4）分層實(shí)體加工

切片后的CAD模型輪廓和劃分好的掃描路徑在計(jì)算機(jī)控制下，相應(yīng)的成形頭（激光頭或噴頭）按各截面的輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng)，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相互粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。

（5）成形零件的后處理

經(jīng)過上述過程后，把成形件從成形系統(tǒng)里取出，進(jìn)行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

1.2 基于AutoCAD的模型直接切片

三維CAD模型的構(gòu)建依賴于功能強(qiáng)大的CAD系統(tǒng)。UG、Pro/E、CATIA等大型CAD造型軟件的功能非常強(qiáng)大，但由于功能復(fù)雜，導(dǎo)致開發(fā)難度很大，且價(jià)格昂貴，需要大型軟件環(huán)境和硬件條件。而AutoCAD軟件應(yīng)用范圍廣泛，具有開放的體系結(jié)構(gòu)和功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，同時(shí)對軟硬件要求較低。且隨著CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（如STEP、DXF、IGES等）逐漸完善，AutoCAD系統(tǒng)和其他CAD系統(tǒng)之間已完全能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

在AutoCAD平臺下，CAD實(shí)體模型直接切片的二次開發(fā)有多種方法:①可采用AutoCAD內(nèi)嵌Autolisp語言調(diào)用剖切命令來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切片。該語言簡單、易掌握，應(yīng)用時(shí)間長，有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，現(xiàn)在仍是開發(fā)者所熱衷的開發(fā)工具；但Autolisp是解釋性語言，其原代碼是公開的；②可采用基于ObjectARX開發(fā)的一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，利用AcBr庫查詢?nèi)S實(shí)體任意方向剖切面數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)模型切片。但該方法難度較大，對程序開發(fā)者要求較高，編程的錯(cuò)誤可能會導(dǎo)致AutoCAD崩潰；③Visual Basic是內(nèi)嵌在AutoCAD內(nèi)部的一種優(yōu)秀的二次開發(fā)語言，在軟件行業(yè)應(yīng)用極廣。本文將采用Visual Basic語言進(jìn)行模型切片程序的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

2 三維實(shí)體模型直接切片過程

2.1 直接適應(yīng)性切片算法

本算法直接調(diào)用AutoCAD軟件系統(tǒng)的剖切命令，將實(shí)體模型與剖切平面截交，進(jìn)而得到層片實(shí)體；然后，將層片的截面輪廓做相應(yīng)的處理，通過實(shí)體名利用AutoCAD查詢面積的命令，進(jìn)行相鄰層的截面面積的對比來控制切片的厚度。

直接適應(yīng)性切片算法可表示為以下過程:

Procedure

Begin｛

step1:調(diào)用AutoCAD命令構(gòu)建CAD模型；

step2:確定切片方向；

step3:確定切片厚度h；

step4:IF（Z＜h）調(diào)用AutoCAD命令（Section）開始切片；

Else（Z=h）獲取層片輪廓信息；

End；

step5:獲取層片輪廓信息；

step6:調(diào)用AutoCAD命令（Area）查詢輪廓面積；

step7:IF（Area（i）-Area（i+1）＜e（允差））

輸出輪廓數(shù)據(jù)文件；

Else step3；

step8:將輪廓分為線段、圓弧、自由曲線，儲存成特定的數(shù)據(jù)文件格式。

｝

End。

2.2 切片與面積查詢命令

AutoCAD軟件中的Section命令和Slice命令皆可對CAD模型進(jìn)行切片；但Section命令得到的是實(shí)體輪廓（面域），而Slice命令得到的是模型實(shí)體。為了得到截面輪廓，本文利用AutoCAD軟件中的Section命令，采取3點(diǎn)定義剖切平面的方式（3點(diǎn)決定一個(gè)平面）進(jìn)行切片。新參考點(diǎn)的定義是通過變動(dòng)Z坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的，點(diǎn)的Z坐標(biāo)就是切片位置高度。切片完成后，再利用Area命令查詢得到精確的截面面積。

2.3 面積變化的判別

若當(dāng)前位置的切片得到的層片實(shí)體面面積為A1（對應(yīng)切片位置記為Z1），下一位置切片得到的層片實(shí)體面面積為An（對應(yīng)切片位置記為Zn），則有:

式中:E為預(yù)先設(shè)置的面積變化系數(shù)。當(dāng)滿足式（1）時(shí)，比較Z與Z0來調(diào)整切片位置（Z0為CAD模型的初始切片Z坐標(biāo)）；當(dāng)不滿足式（1）時(shí)，則需比較An與Z0來調(diào)整切片位置（參見2.1算法過程），繼續(xù)判別是否滿足式（1），調(diào)整切片位置進(jìn)行切片；重復(fù)該過程直到結(jié)束。

2.4 層片實(shí)體數(shù)據(jù)格式

為使切片數(shù)據(jù)能獨(dú)立于AutoCAD軟件系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種全新的模型輪廓數(shù)據(jù)文件格式，用來記錄每一層切片詳細(xì)的輪廓數(shù)據(jù)，以便更好地和其他CAD系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。切片輪廓的數(shù)據(jù)文件格式如下:

總層數(shù)（N）

第一層（1）

層厚（H）

I環(huán)的類型（外環(huán)或內(nèi)環(huán)）

線段

起點(diǎn)坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)

圓弧

圓心坐標(biāo)，半徑，起始弧，終止弧

自由曲線

點(diǎn)坐標(biāo)列表

……

n環(huán)的類型

……

第n層

……

最后一層

……

結(jié)束

3 CAD模型分層實(shí)例

圖1是在AutoCAD環(huán)境里實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體分層的對話框。零件在AutoCAD系統(tǒng)里完成三維建模，然后選擇螺釘?shù)妮S向作為切片方向進(jìn)行切片。

圖2是零件的CAD模型及切片后的對比圖。通過對比圖2可知，對模型進(jìn)行適應(yīng)性切片時(shí)，可采取的最小切片厚度為0.1 mm，最大切片厚度為0.5 mm。圖2b是將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL模型時(shí)進(jìn)行適應(yīng)性切片時(shí)的效果圖。圖2c、圖2d分別是對CAD模型直接進(jìn)行等層厚和適應(yīng)性切片時(shí)的切片效果圖。

圖1 在AutoCAD環(huán)境里實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體分層的對話框

圖2 CAD模型及不同分層方式的效果圖

切片結(jié)果分析見表1。表中的“尖頂高度”是指零件成形后的臺階尖頂與原始CAD曲面輪廓的高度差，即成形制件的精度。

表1 CAD模型的分層結(jié)果分析

通過對比STL模型（適應(yīng)性）分層、直接等層厚分層、直接適應(yīng)性分層可看出，直接適應(yīng)性分層方法的分層數(shù)目最少，尖頂高度最小。換言之，該方法的成形精度最高，成形加工時(shí)間也最短，效率最高。直接適應(yīng)性分層方法比STL模型分層的成形時(shí)間節(jié)省約14.3%，比等層厚分層的成形時(shí)間節(jié)省約33.3%；直接適應(yīng)性分層方法比STL模型分層的成形精度提高約75%，比等層厚分層的成形精度提高約80%。因此，本文采用的直接適應(yīng)性切片算法是一種高效率、高精度的切片算法，具有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文利用AutoCAD系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，提出了一種基于CAD模型的直接適應(yīng)性切片的實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用Visual Basic語言進(jìn)行編程，完成三維CAD模型的自動(dòng)切片，通過比較相鄰層片面積來確定分層厚度。與傳統(tǒng)的切片方法相比，直接適應(yīng)性切片算法能提高切片的精度和效率，在模型的制作精度等方面具有明顯的優(yōu)勢。

總之，本文避免了將三維CAD模型轉(zhuǎn)化成STL文件再進(jìn)行分層的種種不足，且對于模型的直接分層，也不采用等層厚的分層方法，而是采用在CAD軟件系統(tǒng)內(nèi)部，利用該系統(tǒng)強(qiáng)大的自動(dòng)求交截面命令來對CAD模型進(jìn)行分層處理，可生成精確的截面輪廓，同時(shí)避免了復(fù)雜的實(shí)體與平面求交程序設(shè)計(jì)，簡化了模型的求截面過程，開發(fā)時(shí)間大大減少。經(jīng)過對層片輪廓數(shù)據(jù)的有效處理，可得到在不同軟件系統(tǒng)之間廣泛適用的層片數(shù)據(jù)。

［1］朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型與快速制造技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.的電壓為80 V，進(jìn)給量為每次0.02 mm，主軸轉(zhuǎn)速為2500 r/min。修整的磨頭精度高，加工表面較光整，磨削效果好，且磨頭去除量小。

（3）用已修整磨頭進(jìn)行電解磨削，宏觀上和微觀上分別觀察到加工表面質(zhì)量好，加工均勻，表面粗糙度值小，在線磨削效果好。

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The Direct Slice M ethod of Three Dimension Object M odeling by Laser M anufacturing

Zhou Huiqun，Wu Jianjun
（Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

The Paper presented a method which divide 3D modeling into a series of layer that meeting deviation demand based on lasermanufacturing of rapid prototyping.Taking advantage of the method about draw contour，the contour have been separated into line and circle and free curve，and then，data file have been store up with given format.Scanning region has been formed in profile for layermanufacturing of rapid prototyping.

objectmodel；slice；contour；rapid prototyping

TG669

A

1009－279X（2015）01－0047-03

2014-09-28

周惠群，男，1966年生，副教授，博士研究生。