第7章 快速成型技术中的数据处理PPT讲稿.ppt

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1、第第7章章 快速成型技快速成型技术中的数据中的数据处理理第1页，共107页，编辑于2022年，星期二 快速成型的制作需要前端的CAD数字模型来支持，也就是说，所有的快速成型制造方法都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。此外，样件反求以及来源于CT等的医学模型等的数据都需要转换成CAD模型或直接转换成RP系统可以接收的数据。因此，在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快速成

2、型技术的实施过程中，数据的准备是必须的，数据的处理是十分必要和重要的。第七章第七章 快速成型技术中的数据处理快速成型技术中的数据处理第2页，共107页，编辑于2022年，星期二STL数据文件及处理数据文件及处理三维模型的切片处理三维模型的切片处理CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法 123STL数据编辑与处理软件数据编辑与处理软件Magics RP4CT图像数据处理软图像数据处理软Mimics5第七章第七章 快速成型技术中的数据处理快速成型技术中的数据处理第3页，共107页，编辑于2022年，星期二 目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据产品的要求或直接根据二维图纸在C

3、AD软件平台上设计产品三维模型，常被称为概念设计；另一种是在仿制产品时用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，常被称为反求工程。两种常用的产品设计思路如图7-1所示。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法图图7-1 基于数字化产品快速设计基本途基于数字化产品快速设计基本途径径 第4页，共107页，编辑于2022年，星期二v1.1 概念设计概念设计 目前产品设计已经大面积地直接采用计算机辅助设计软件来构造产品三维模型，也就是说，产品的现代设计已基本甩脱传统的图纸描述方式，而直接在三维造型软件平台上进行。目前，几乎尽善尽美的商品化CAD/CAM一体化软件为产品造型提供了强

4、大的空间，使设计者的概念设计能够随心所欲，且特征修改也十分方便。目前，应用较多的具有三维造型功能的CAD/CAM软件主要有Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。随着计算机硬件的迅猛发展，许多原来基于计算机工作站开发的大型CAD/CAM系统已经移植于个人计算机上，也反过来促进了CAD/CAM软件的普及。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第5页，共107页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第6页，共107页，编辑于2022年，星期二 一般来说，从

5、事快速成型研究与服务的机构和部门都已经配备了三维设计手段，一般的设计开发部门也逐渐地由传统的2D设计发展到3D上来。下表给出的是1995年日本几家从事RP服务的公司所服务的客户的设计来源是否采用3D设计的统计。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第7页，共107页，编辑于2022年，星期二v1.2 反求工程反求工程 新产品开发过程中的另一条重要路线就是样件的反求。反求工程技术（Reverse Engineering，RE）又称逆向工程技术，是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件(图纸、程序及技术文件等)或影像(图片、照片等)等作为研究对

6、象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。反求工程主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第8页，共107页，编辑于2022年，星期二 反求工程技术不是传统意义上的“仿制”，而是综合应用现代工业设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统地分折研究，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。反求工程对于难以用CAD设计的零件模型以及

7、活性组织和艺术模型的数据摄取是非常有利的工具，对快速实现产品等的改进和完善或参考设计具有重要的工程应用价值。尤其是该项技术与快速成型技术的结合，可以实现产品的快速三维拷贝，并经过CAD重新建模修改或快速成型工艺参数的调整，还可以实现零件或模型的变异复原，如图7-2所示。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第9页，共107页，编辑于2022年，星期二图图7-2 反求工程技术应用开发流程图反求工程技术应用开发流程图 第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第10页，共107页，编辑于2022年，星期二 反求的主要方法有三坐标测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁

8、共振和CT法以及自动断层扫描法等。常用的扫描机有传统的坐标测量机（Coordinate Measurement MachineCMM）、激光扫描机（Laser Scanner）、零件断层扫描机（Cross Section Scanner）以及CT（Computer Tomography）和MRI（Magnetic Resonance Imaging）等。采用反求工程方法进行产品快速设计，需要对样品进行数据采集和处理，具体内容如图所示。反求工程中较大的工作量就是离散数据的处理。一般来说，反求系统中应携带具有一定功能的数据拟合软件，或借用常规的CAD/CAM软件UGII、Pro/E等，也有独立的曲

9、面拟合与修补软件如Surfacer等。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第11页，共107页，编辑于2022年，星期二图图7-3 反求工程中的数据采集与处理技术反求工程中的数据采集与处理技术 第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第12页，共107页，编辑于2022年，星期二 Imageware Surfacer 软件是SDRC(Structural Dynamics Research Corporation)公司推出的逆向工程软件，是对产品开发过程前后阶段的补充，是专用于将扫描数据转换成曲面模型的软件。Imageware Surfacer提供了在逆向工

10、程、曲面设计和曲面评估方面最好的功能，它能接收各种不同的数据来源，通过3D点数据能够生成高质量曲线和曲面几何形状。该软件能够进行曲面检定，分析曲面与实际点的距离，可以进行着色、反射或曲率分析及横截面功能。曲线和曲面可以进行即时交换式形状修改。Imageware Surfacer软件具有扫描点处理、曲面制造工具、曲面分析工具、曲线处理以及曲面处理等功能和模块。图7-4给出的是Imageware Surfacer软件的界面及其正在进行的曲线处理。逆向工程对于企业制造过程来说是非常重要的。如何从企业仅有的样件、油泥模型、模具等“物理世界”快速地过渡到计算机可以随心所欲处理的“数字世界”，这是制造业普

11、遍面临的实际问题。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第13页，共107页，编辑于2022年，星期二图图7-4 Imageware Surfacer软件界面及其曲线处理软件界面及其曲线处理 第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第14页，共107页，编辑于2022年，星期二 Imageware Surfacer 特别适用于以下情况：企业只能拿到真实零件而没有图纸，又要求对此零件进行分析、复制及改型；在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意结果后将此模型的外型在计算机中建立数字模型；对现有的零件工装等建立数字化图库；在模具行业，往往需要

12、用手工修模，修改后的模具型腔数据必须要及时地反映到相应的CAD设计之中，这样才能最终制造出符合要求的模具。此外，Imageware Verdict软件的快速成型模块能够快速利用数字化数据或利用其它系统的曲面几何形状生成原型，从而缩短了进行数字化、生成CAD模型直至最后生成原型这一过程的周期，而且该软件模块可以直接根据产品的STL文件自动制作出该产品的模具模型。第一节第一节 CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法第15页，共107页，编辑于2022年，星期二STL数据文件及处理数据文件及处理三维模型的切片处理三维模型的切片处理CAD三维模型的构建方法三维模型的构建方法 123STL数据编辑与

13、处理软件数据编辑与处理软件Magics RP4CT图像数据处理软图像数据处理软Mimics5第七章第七章 快速成型技术中的数据处理快速成型技术中的数据处理第16页，共107页，编辑于2022年，星期二 快速成型制造设备目前能够接受诸如STL，SLC，CLI，RPI，LEAF，SIF等多种数据格式。其中由美国3D Systems公司开发的STL文件格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型制造系统都采用STL数据格式。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第17页，共107页，编辑于2022年，星期二v2.1 STL文件的格式文

14、件的格式 STL文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法矢。STL数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分，如图7-5所示。STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。STL文件记载了组成STL实体模型的所有三角形面，它有二进制（BINARY）和文本文件（ASCII）两种形式。图图7-5 采用采用STL数据格式数据格式 描述的描述的CAD模型模型第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第18页，共107页，编辑于2022年，星期二 1.STL的A

15、SCII文件格式 ASCII起初主要是为了检验CAD界面而设计开发的。但是由于其自身格式太大，使它在实际中没有太大的应用，主要用来调试程序。右边就是ASCII STL文件的语法格式。ASCII文件格式的特点：（1）能被人工识别并被修改；（2）文件占用空间大（一般6倍于BINARY形式存储的STL文件）。solid name_of_objectfacet normal x y zouter loopvertex x y zvertex x y zvertex x y zendloopendfacetfacet normal x y zouter loopvertex x y zvertex x

16、y zvertex x y zendloopendfacet.endsolid name_of_object第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第19页，共107页，编辑于2022年，星期二 2.STL的二进制文件格式 二进制文件采用IEEE类型整数和浮动型小数。文件用84字节的头文件和50字节的后述文件来描述一个三角形。注意到每个面目录都是50个字节，如果是所生成的STL文件是由10000个小三角形构成的，再加上84字节的头文件，该二进制STL文件的大小便是845010000500084B0.5MB。若同样的精度下，采用ASCII形式输出该STL文件，则此时的STL文件的大小约为

17、60.5MB=3.0MB。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第20页，共107页，编辑于2022年，星期二v2.2 STL文件的精度文件的精度 STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。但是，就本身面向快速成型制造所要求的CAD模型的STL文件，过高的精度要求也是不必要的。因为过高的精度要求可能会超出快速成型制造系统所能达到的精度指标，而且三角形数量的增多会引起计算机存储容量的加大，同时带来切片处理时间的显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小线段，不利于激光头的扫描运动，导

18、致低的生产效率和表面不光洁。所以，从CAD/CAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据CAD模型的复杂程度以及快速原型精度要求的高低进行综合考虑。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第21页，共107页，编辑于2022年，星期二 不同的CAD/CAM系统输出STL格式文件的精度控制参数是不一致的，但最终反映STL文件逼近CAD模型的精度指标表面上是小三角形的数量，实质上是三角形平面逼近曲面时的弦差的大小。弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。从本质上看，用有限的小三角面的组合来逼近CAD模型表面，是原始模型的一阶近似，它不包含邻接关系信息，不可能完全

19、表达原始设计的意图，离真正的表面有一定的距离，而在边界上有凸凹现象，所以无法避免误差。下面以具有典型形状的圆柱体和球体为例，说明选取不同三角形个数时的近似误差，如下表所示。从弦差、表面积误差以及体积误差的本身对比和两者之间的对比可以看出：随着三角形数目的增多，同一模型采用STL格式逼近的精度会显著地提高；而不同形状特征的CAD模型，在相同的精度要求条件下，最终生成的三角形数目的差异很大。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第22页，共107页，编辑于2022年，星期二 从弦差、表面积误差以及体积误差的本身对比和两者之间的对比可以看出：随着三角形数目的增多，同一模型采用STL格式逼近

20、的精度会显著地提高；而不同形状特征的CAD模型，在相同的精度要求条件下，最终生成的三角形数目的差异很大。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第23页，共107页，编辑于2022年，星期二v2.3 STL文件的纠错处理文件的纠错处理 1.STL文件的基本规则 （1）取向规则）取向规则 STL文件中的每个小三角形面都是由三条边组成的，而且具有方向性。三条边按逆时针顺序由右手定则确定面的法矢指向所描述的实体表面的外侧。相邻的三角形的取向不应出现矛盾，如图7-6所示。a)正确正确 b)错误错误图图7-6 切面的方向性示意图切面的方向性示意图第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第

21、24页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2）点点规则）点点规则 每个三角形必须也只能跟与它相邻的三角形共享两个点，也就是说，不可能有一个点会落在其旁边三角形的边上，图7-7便示意了存在问题的点。图图7-7 错误点示意图错误点示意图 因为每一个合理的实体面至少应有1.5条边，因此下面的三个约束条件在正确的STL文件中应该得到满足：1)面必须是偶数的；2)边必须是3的倍数；3)2边3面。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第25页，共107页，编辑于2022年，星期二（3）取值规则）取值规则 STL文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错的。然而，目前几乎所有的CAD/CA

22、M软件都允许在任意的空间位置生成STL文件，唯有AutoCAD软件还要求必须遵守这个规则。STL文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。很多快速成型前处理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。STL文件中的小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片软件的快速解算。（4）合法实体规则）合法实体规则 STL文件不得违反合法实体规则，即在三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（即不能有裂缝或孔洞），不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第26页，共107页，编辑于2022年，星期二 2.常见的STL文件

23、错误 像其它的CAD/CAM常用的交换数据一样，STL也经常出现数据错误和格式错误，其中最常见的错误如下：（1）遗漏）遗漏 尽管在STL数据文件标准中没有特别指明所有的STL数据文件所包含的面必须构成一个或多个合理的法定实体，但是正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式：F-E+V=2-2H 其中，F（Face）、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点数和实体中穿透的孔洞数。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第27页，共107页，编辑于2022年，星期二 出现遗漏的原因一般有如下2个方面：一是2个小三角形片面在空间的

24、交差（如图7-8a所示），这种情况主要是由于低质量的实体布尔运算生成STL文件过程中产生的；二是在2个连接表面三角形化时不匹配造成的，如图7-8b所示。a)b)图图7-8 遗漏错误产生原因示意图遗漏错误产生原因示意图第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第28页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2）退化面）退化面 退化的面是STL文件中另一个常见的错误。它不像上面所说的错误一样，它不会造成快速成型加工过程的失败。这种错误主要包括以下2种类型：点共线（如图7-9a）。或者是，不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。点重合（如图7-9b）。或者是，在数据转换运算时造成这种结

25、果。123132a)b)图图7-9 退化面形成示意图退化面形成示意图第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第29页，共107页，编辑于2022年，星期二 尽管，退化面并不是很严重的问题，但这并不是说，它就可以忽略。一方面一方面，该面的数据要占空间；另一方面另一方面，也是更重要的，这些数据有可能使快速成型前处理的分析算法失败，并且使后续的工作量加大和造成困难。图7-10便是由划分三角形面而产生的无穷多的退化面的一个例子。图图7-10 由划分三角形面而产生无穷由划分三角形面而产生无穷 多的退化面多的退化面第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第30页，共107页，编辑于2022

26、年，星期二 （3）模型错误）模型错误 这种错误不是在STL文件转换过程中形成的，而是由于CAD/CAM系统中原始模型的错误引起的，这种错误将在快速成型制造过程中表现出来。（4）错误法矢面）错误法矢面 进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法矢的方向相反。为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法矢方向与相邻的一些三角形的法矢加以比较。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第31页，共107页，编辑于2022年，星期二3.STL文件浏览和编辑 由于STL文件在生成过程中以及原有的CAD模型等原因经常会出现一些错误，因此，为保证有效地进行快速原型的制作

27、，对STL文件进行浏览和编辑处理是十分必要的。目前，已有多种用于观察和编辑（修改）STL格式文件及与RP数据处理直接相关的专用软件，如表7-5所示。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第32页，共107页，编辑于2022年，星期二 在上述众多的STL文件浏览与编辑软件中，Materialise公司开发的Magics软件提供了能完善处理STL文件的功能，该软件提供了3个主要的面向快速成型的软件包，其功能如表7-6和表7-7所示。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第33页，共107页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第34页，共10

28、7页，编辑于2022年，星期二v2.4 STL文件的输出文件的输出 当CAD模型在一个CAD/CAM系统中完成之后，在进行快速原型制作之前，需要进行STL文件的输出。目前，几乎所有的商业化CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件输出过程中，根据模型的复杂程度和所要求的精度指标，可以选择STL文件的输出精度。下面以Pro/E、UG以及AutoCAD软件为例示意STL文件的输出过程及精度指标的控制。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第35页，共107页，编辑于2022年，星期二1.Pro/E2000i中STL文件的输出(1)首先选择菜单栏

29、中的File菜单，然后选择Export中的Model选项。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第36页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2）从菜单中选STL，可以看到菜单中有两种控制格式Chord Height、Angle Control，根据需要选择适当的类型。系统默认的是STL Binary，但是，如果需要ASCII格式可选择STL ASCII命令。确定之后，选Output执行。Chorde Height指标为真实面和拼接面之间的最大差额。Angle Control为0到1之间的一个小数。系统将用Chord Height来拼接模型而忽略实体的具体特征。如果输入1，则系统

30、将用Chord Height乘以目标半径和实体最大尺寸值的十分之一之间的一个值。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第37页，共107页，编辑于2022年，星期二 (3)Pro/E此时会要求选择一个坐标系。选Default系统默认的坐标系，或者，自建一个。如果零件不是位于第一象限，系统将会出现错误提示信息问是否继续，输入YES，继续。因为，现在很多软件能自动把它转换到适当的位置。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第38页，共107页，编辑于2022年，星期二2.UG中STL文件的输出 (1)选择File菜单中的Export命令下拉菜单中的Rapid-Prototypi

31、ng操作。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第39页，共107页，编辑于2022年，星期二 (2)出现下面的对话框后，可以选择输出格式（Binary，ASCII）及角度公差，拼接公差。也可以选择系统默认值，点击OK完成。这时系统会提示输入STL头文件信息，头文件信息可以不添加，直接点击OK完成。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第40页，共107页，编辑于2022年，星期二 (3)然后，用鼠标左键选择要输出的实体，这时被选择的实体会改变颜色以示选中，点击OK完成。图7-11为某CAD模型采用UG进行STL输出最终形成的三角形化的结果。图图7-11 某某CAD模型的模

32、型的STL输出时的三输出时的三 角形化结果角形化结果第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第41页，共107页，编辑于2022年，星期二3.AUTOCAD中STL文件的输出 在AUTOCAD中物体的光滑程度和误差大小是可以设定的。系统默认的是0.5，用户可以自定义0.01到10之间的任何值。值越大，物体的表面质量越好。当然，文件大小也随着增大。(1)在示例中输入10，按ENTER键确定。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第42页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2）当命令行出现stlout时再按一下ENTER，这时系统会提示选择输出的实体。第二节第二节 STL数

33、据文件及处理数据文件及处理第43页，共107页，编辑于2022年，星期二 (3)实体选择之后，系统会提示选择要输出的格式，选择完毕后按ENTER确定。系统一般默认的是Binary格式。(4)这时会出现“创建STL文件”对话框。在此对话框中可以选择自己文件名和存放路径。选择完后，点击“Save”按钮确定。在一般情况下，当实体有一部分或者是整体不在第一象限时，AUTOCAD拒绝生成STL文件。这时，需要用移动命令来挪动它，使它处在第一象限，然后重复上面的操作。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第44页，共107页，编辑于2022年，星期二 (5)OUT和AMSTLOUT的比较介绍 S

34、TLOUT和AMSTLOUT是在AUTOCAD中生成STL文件的两个主要命令。AMSTLOUT转换时物体可以是装配零件，但是，STLOUT只能是没有相互关系的实体。下表给出了两者的比较。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第45页，共107页，编辑于2022年，星期二v2.5 分割与拼接处理分割与拼接处理 STL文件分割与拼接的意义：在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸相对于快速成型系统台面尺寸过大或过小，就必须对STL模型进行剖切处理或者有必要进行拼接处理。拼接可以将多个尺寸相对偏小的STL模型合并成一个STL模型，并在同一工作台上同时成型。目的是节省快速成型机的机时

35、，降低成型费用，提高成型效率。如果一个STL模型的尺寸超过了成型机工作台尺寸而无法一次成型，可采用分割STL模型的方法将一个STL模型分成多个STL模型，而后在成型机上依次加工，再将加工好的各个部分粘合还原成整体原型，这样解决了快速成型机加工尺寸范围有限的问题。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第46页，共107页，编辑于2022年，星期二1.STL文件的分割原理和算法 （1）分割基本原理）分割基本原理 STL文件分割的基本原理是将一个STL文件分成两个新STL文件，即用多个面将一个STL模型分成若干个部分，每部分重新构成一个STL模型，每个新STL文件对应一个新生成的STL模型

36、。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第47页，共107页，编辑于2022年，星期二 具体地说，分割就是用1个平面将一个空间物体分成两部分，实际上是平面与空间物体的求交问题。分割后的每部分必须要有构成完整的三维实体模型几何信息。由于快速成型系统中的处理三维实体模型是由许多个空间三角形逼近的表面模型，因此分割实质上就是如何将若干个空间三角形以1个平面为界，分成若干个空间三角形集合。位于平面不同侧面的三角形集合构成不同的小实体。但是，每个小实体均缺少一个封闭面，存在一个“空间”，就像一个桶缺少一个盖子一样，因此，必须要生成一个封闭面，将每一个实体完全封闭。三维实体表面与切割平面相交的交

37、线是截面轮廓线，显然，截面轮廓线不可能直接构成一个面，必须将截面轮廓的内环和外环之间的区域、单个外环内的区域用三角形网格填充封闭，形成轮廓截面，这个轮廓截面就是实体的封闭面。加入该封闭面，每个实体就可以形成一个完整独立的三维CAD实体模型。至此，一个实体被分割成两个实体。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第48页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2）分割基本算法）分割基本算法 分割过程有以下四个基本模块：1)1)分割过程前置处理分割过程前置处理 对于任意一个空间三角形来说，它与切割平面的位置关系不外乎三种情况：位位于平面之上于平面之上、位于平面之下位于平面之下、与平面相交

38、与平面相交，如图7-12a、b、c所示。位于平面之上的三角形构成一个集合，位于平面之下的三角形构成另一个三角形的集合。若三角形与平面相交，其交点可能是一条线段也可能为一个点。若三角形中的任意顶点与平面相交，在以后的处理过程中会遇到很多麻烦，为此需采用切片高度摄动法，即将三角形沿平面法向方向向上或向下移动一个极小的位移量，以保证三角形中的任意顶点不落在平面上，确保三角形与该平面相交为一条线段或根本不相交，这是在切片过程中必须要解决的问题。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第49页，共107页，编辑于2022年，星期二图图7-12 三角形与切割平面的位置关系三角形与切割平面的位置关系

39、 所有与平面相交的三角形构成一个三角形集合，其中的每一个三角形必须变成三个三角形。因为与平面相交的空间三角形被平面分成两部分：一部分为三角形，另一部分为平面四边形。在STL文件中不能出现四边形，必须将四边形变成两个三角形，如图7-12d所示。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第50页，共107页，编辑于2022年，星期二 2)2)轮廓截面的形成轮廓截面的形成 切片以STL文件格式为基础，首先读入STL文件，将STL模型与平面求交，得出平面内的交线再经过数据处理生成截面轮廓线。由于STL模型是由大量的小三角形平面片组成，切片问题实质上是平面与平面求交问题。在对其进行切片处理后，其每

40、一个切片界面都是由一组封闭的轮廓线组成。如果切片界面上的某条封闭轮廓线变成一条线段，则切片平面切到一条边上；如果界面上的某条封闭轮廓变成一点，则切片平面切到一个顶点上。这些情况将影响后续工作的进行，需采用切片高度摄动法（即将三角形沿平面发向方向向上或向下移动一个极小的位移量），以避免这种影响。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第51页，共107页，编辑于2022年，星期二 3)3)轮廓三角形网格化轮廓三角形网格化 切片后的轮廓封闭线由若干个封闭的有向内外环构成。为保证轮廓界面是新STL模型的一部分，必须将其进行三角形面化处理，使内外环之间区域或单独外环里的区域用三角形网格填充，这

41、样才能使分割成的两部分都是完整的立体图形。平面网格化的形成算法有很多，采用平面上的有界区域的任意多边形Delaunary三角划分法可以实现轮廓截面的三角形网格化。这种方法能对凸域内的三角形进行划分，具有三角剖分结果唯一、程序简单、运行稳定可靠的优点，能有效的对给定的有界区域进行三角形划分，形成三角形网格。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第52页，共107页，编辑于2022年，星期二设内外环总边数为N，外环按逆时针方向，内环按顺时针方向，第M条边的起点序号Lm1，终点序号为Lm2。若N=3，则该多边形为一个三角形，划分结束，退出；否则令M=1，转入；令M=M+1，若Lm2在有向线

42、段L11、L12之左，转入，否则转入；判断当前多边形的其余各边是否与线段L11Lm2或L12Lm2相交。若是转入，否则转入；保存节点Lm2到候选节点链表中，若M=N，转入，否则转入；从候选节点链表中找到节点L0与节点L11、L12组成L11L0L12角度最大，则节点L0、L11、L12可以构成一个Delaunay三角形，同时对多边形修正如下：a)若线段L11L0与L12L0都不是当前多边形的边界线段，则令N=N+1，L0=L12，Ln1=L12，转入；b)若线段L11L0（或L12L0）是当前三角形的第K条边，而线段L12L0（或L11L0）不是当前多边形的边，则令N=N-1，L11=L0（或

43、L12=L0），Lk1=Ln1，Lk2=Ln2，转入；c)若线段L11L0与L12L0分别是当前多边形的第K条边和第J条边，则将线段L11L12、第K条边和第J条边从当前多边形中去掉，N=N-3，转入。任意多边形任意多边形Delaunary三角划算法三角划算法第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第53页，共107页，编辑于2022年，星期二 4）一个三角形转化为多个三角形一个三角形转化为多个三角形 切片时，STL模型与切片平面相交，许多三角形被切片平面分成两部分：一部分为三角形，另一部分可能为三角形也可能为四边形。图7-13a为四边形位于切片平面之下；图7-13b为平面四边形位于切

44、片平面之上；图图7-13c为原三角形恰好被分成两个三角形。将上述平面四边形的对角线相连可形成两个新的三角形。这些生成的三角形构成了新STL模型不可缺少的一部分。图图7-13 一个三角形被切片平面分成多个三角形一个三角形被切片平面分成多个三角形第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第54页，共107页，编辑于2022年，星期二2.STL文件的拼接原理和算法 （1）拼接基本原理）拼接基本原理 拼接的基本原理是，在两个原STL模型不发生干涉的情况下，按一定的要求对某一个STL模型进行平移或旋转变换，然后把两个STL模型数据都保存在一个STL文件中，从而两个STL模型变成了一个新STL模型，

45、两个STL文件合并成为一个新的STL文件。从文件格式分析可知，STL文件包含许多空间小三角形的数据。其中每个三角形平面都用一个法向向量、三个顶点的坐标来描述。许许多多小三角形平面构成了三维STL模型的所有表面。因此，拼接的基本任务就是将某一个原STL模型包含的空间三角形进行平移、旋转的几何位置变换，获得具有最佳相对位置的新STL文件。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第55页，共107页，编辑于2022年，星期二 （2 2）拼接算法）拼接算法 拼接包括以下五个步骤：读入多个STL文件，在计算机中显示出多个要拼接的原STL模型；建立一个数据文件File，用于保存原STL模型被拼接后

46、形成的新STL模型的数据；平移变换。若对一个原STL模型平移，在三个坐标方向的平移量为X、Y、Z，相应的平移变换矩阵为：第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第56页，共107页，编辑于2022年，星期二旋转变换。绕X轴转角，变换矩阵为：绕Y轴转，变换矩阵为：绕Z轴转，变换矩阵为：通过以上矩阵对模型进行变换处理后，将变换后模型的数据存入File中。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第57页，共107页，编辑于2022年，星期二同理，按（3）、（4）步骤可对其它的STL模型进行变换。最后把没有实施几何变换的模型的数据也存入File中，将文件File转化为标准的STL文件。

47、在实际拼过程中，可以按需要对单个模型进行平移或旋转变换，也可以对多个模型进行平移和旋转变换。如果要将某个模型放大或缩小，只需将该模型乘以一个比例因子k即可。拼接后的新STL模型包含了拼接前所有的原STL模型的几何信息，快速成型机加工一个新STL模型，实质上同时加工多个原STL模型。这样，大大地提高了快速成型机的生产效率，同时也节省了时间和材料。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第58页，共107页，编辑于2022年，星期二 3.STL文件的拼接和分割示例 目前，国际上部分STL浏览和编辑软件具有STL文件的分割功能，如SolidView/Pro RP、Magics等。国内部分从事

48、快速成型技术研究的高校也在开发专用的STL文件的分割与拼接软件。下面以山东大学模具工程技术研究中心开发的软件示例STL文件分割与拼接的实现。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第59页，共107页，编辑于2022年，星期二（1）拼接实例）拼接实例v选择菜单中Open AscII file中的first AscII file，打开第一个STL文件。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第60页，共107页，编辑于2022年，星期二选择菜单Open AscII file 中的second AscII file打开第二个STL文件。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处

49、理第61页，共107页，编辑于2022年，星期二选择菜单Unite中的front back align并给出间隔的距离，使两个图形前后对齐。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第62页，共107页，编辑于2022年，星期二选择菜单Save As中的AscII file将拼接好的文件存为一个文本格式的文件输出；或者选择Binary file保存为一个二进制格式的文件输出。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第63页，共107页，编辑于2022年，星期二（2）分割实例）分割实例v如前所示，打开一个STL文件并在屏幕上显示。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第6

50、4页，共107页，编辑于2022年，星期二选择Split菜单将图形沿垂直于Z轴方向切割。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第65页，共107页，编辑于2022年，星期二选择菜单Save First As和Save Second As分别将分割后的文件保存为两个文本格式的STL文件。然后利用该软件的拼接功能，重新调入已经分割后的2个STL文件，通过平移或旋转的命令调整其中的某一部分到合适的位置，输出一个单一的STL文件进行一体加工，然后粘结复原。第二节第二节 STL数据文件及处理数据文件及处理第66页，共107页，编辑于2022年，星期二 对其进行分割与拼接处理的目的是为了节省原型