激光直接制造和再制造中的三维CAD模型直接分层技术.pdf
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1、第1 9 卷第6 期2 0 0 7 年6 月计算机辅助设计与图形学学报J O U R N A LO FC O M P U T E R A I D E DD E S I G N&C O M P U T E RG R A P H I C SV 0 1 1 9 N O 6J u n e,2 0 0 7激光直接制造和再制造中的三维C A D 模型直接分层技术靳晓曙杨洗陈(天津工业大学机械电子学院激光技术研究所天津3 0 0 1 6 0)(j x s 0 1 2 6 1 2 6 C O I T I)摘要在分析S o l i d W o r k s 软件平台下C A D 模型数据的内部表达方法以及拓扑信息
2、和几何信息提取方法的基础上,研究三维C A D 模型直接分层技术对S o l i d W o r k s 进行二次开发,调用S o l i d W o r k s 应用程序接口函数中的曲面一曲面求交函数对C A D 模型衄面与分层平面求交,得到的交线首尾相连形成轮廓轨迹;同时研究了光栅填充扫描算法及程序实现为实现切片数据的通用化,设计了记录切片数据的文件格式,用直线、圆弧或圆描述分层轮廓对上述的直接分层不仅进行了软件模拟,还用于直接制造制作的试件与S T L 间接分层试件比较结果表明,采用直接分层的,试件的精度和表面质量优于S T L 间接分层关键词激光技术;直接分层;三维C A D 模型;直
3、接制造;再制造中图法分类号T N 2 4 9D i r e c tS l i c i n go f3 DC A DM o d e l sf o rL a s e rD i r e c tM a n u f a c t u r i n ga n dR e-m a n u f a c t u r i n gJ i nX i a o s h uY a n gX i c h e n(I n s t i t u t eo fL a s e rT e c h n o l o g y,S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n n
4、 e e r i n g,n 口撕i nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,T i a 撕i n3 0 0 1 6 0)A b s t r a c tAd i r e c ts l i c i n ga p p r o a c hf r o m3 DC A Dm o d e l si sp r o p o s e db ys t u d y i n gt h ed a t as t r u c t u r eo fS o l i d W o r k ss o l i dm o d e l sa n dt h em e t h o do fo b t
5、 a i n i n gg e o m e t r i ca n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o nf r o mS o t i d W o r k sC A Dm o d e l s B a s e do nS o l i d W o r k sp l a t f o r m,ad i r e c ts l i c i n gp r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e d,i nw h i c hs u r f a c e s u r f a c ei n t e r s e c t i o nf u
6、n c t i o no fa p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e(A P I)i sc a l l e dt og e tt h es e c t i o nc o n t o u r s T o o lp a t hi sg e n e r a t e db ys o r t i n gt h es e c t i o nc o n t o u r se n dt oe n d R a s t e rf i l l i n ga l g o r i t h mi ss t u d i e da n di m p
7、 l e m e n t e dt oc o m p u t et h et o o lp a t hf o rf i l l i n g T h es l i c e sd a t aa r es a v e di nas p e c i a lf i l ei nw h i c hl i n e s,a r c sa n dc i r c l e sa r eu s e dt od e s c r i b et h es e c t i o nc o n t o u r s T h ef i l ei si n d e p e n d e n to fS o l i d W o r k s
8、 T h ed i r e c ts l i c i n gr e s u l ti ss i m u l a t e d P a r tf a b r i c a t e dw i t ha p p l i c a t i o no ft h e d i r e c ts l i c i n gs o f t w a r ei sc o m p a r e dw i t ht h a tb a s e do ns t e r e o l i t h o g r a p h y(S T L)f o r m a t I ti ss h o w nt h a tt h ea c c u r a c
9、 ya n ds u r f a c ef i n i s ho ft h ed i r e c ts l i c i n gp a r ti sb e t t e rt h a nt h a to fS T Li n d i r e c ts l i c i n g K e yw o r d sl a s e rt e c h n i q u e;d i r e c ts l i c i n g;3 DC A Dm o d e l;d i r e c tm a n u f a c t u r i n g;r e m a n u f a c t u r i n g激光直接制造和再制造技术是近几
10、年兴起的先进制造技术u 卫J,其实质是利用同轴送粉激光熔覆按照快速原型(r a p i dp r o t o t y p i n g,R P)的理念进行添加式层叠直接制造和再制造的方法;其中对三维C A D 模型的分层切片是其数据处理非常重要的一个环节目前,大多数的快速原型制造系统将零件的C A D 模型生成S T L 格式文件进行切片,S T L 文件由于其格式简单、实现方便,已成为R P 领域的工业标准但它还存在许多缺点,如数据冗长、文件庞大、缺乏拓扑信息、使用小三角形平面来近似三维曲面存在曲面误差,降低了成型零件的精度,而且对S T L 文件中诸如间隙、裂缝、丢失三角形、冗余三角收稿日期
11、:2 0 0 6 1 0 3 0;修回日期:2 0 0 7 0 1 0 9 基金项目:天津市科委重点攻关项目(0 3 3 1 8 8 0 1 1)靳晓曙,女,1 9 6 8 年生,博士研究生,讲师,主要研究方向为数控、C A D C A M、激光加工杨洗陈,男,1 9 4 1 年生,教授,博士生导师,主要研究方向为激光材料相互作用、激光加工理论及应用 万方数据7 5 8计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 7 正形、微小特征遗漏等缺陷的检查或修改需要很长时间直接分层利用一系列平行平面与零件的原始C A D 模型直接求交而得到层片的精确轮廓,不仅避免了S T L 文件的种种缺点,而且能直接地采用
12、R P数控系统的曲线插补功能,从而提高制件的精度和表面质量,近年来得到了人们的广泛重视与研究直接分层的关键是模型曲面与分层平面的求交S t a r l y 等J 研究了基于S T E P 文件的N U R B S 曲面的直接分层算法;文献 4 5 提出一种基于S T E P 的C A D 模型直接分层方法,基于S T E P 中性文件,采用一种离散跟踪的求交方法求参数曲面与平面的交线,用V i s u a lC+6 0 开发了基于S T E P 的C A D 模型直接分层软件;文献 6 研究了基于S T E P 的自适应直接分层方法,并给出了分层实例;文献 7 讨论了基于S T E P,D X
13、 F 中性数据文件的直接分层处理方法,并在A u t o C A D 软件环境中实现了对C A D 模型的直接分层:上述方法通过读取C A D 模型的中性数据文件(D x F,S T E P,I G E S 等)提取C A D 模型的几何信息,然后单独开发求交算法这种直接分层技术不依赖于特定的C A D 系统,可自主开发软件,但须重新构建几何数据模型,用于存储S T E P 模型的几何实体属性和拓扑实体属性,开发难度和工作量都大目前还有研究者利用C A D 软件本身强大的剖切功能或求交函数,依托C A D 平台进行二次开发,以实现C A D 模型的直接分层C a o 等旧J 提出了利用A u
14、t o C A D 的剖切命令进行直接分层的方法,分层结果存入A S C I ID X F 文件;Z h a o 等旧J 基于直接分层提出根据分层区域面积偏差而改变分层厚度的自适应分层的方法,利用A u t o C A D 的o b j e c t A R X开发环境实现了自适应分层,可以读人D W G,S A I和D X F 格式文件,将结果存入D X F 文件;C h e n等【10 J 利用P o w e r S H A P E 中的宏命令实现直接分层,结果存入P I C 文件,使用直线、圆弧和B f i z i e r 曲线描述分层轮廓;文献 1 1 1 2 基于P o w e r S
15、 H A P E开发了直接分层宏程序,应用于选择性激光烧结(s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g,S L S)制作了塑料制件并与基于S T L 分层的制件进行了比较;C h a n g 1 3J 基于P o w e r S H A P E 和P o w e r M i l l 对直接分层和原型制造G 代码生成的方法进行了研究此外,文献 1 4 基于G E M S 5 0 平台研究并实现了直接分层,S u s i l a等H 5J 基于C A D D SV 研究了直接分层的方法,Z h u等【1 6 提出了基于D e x e l 模型对零件和装配
16、体进行直接分层的方法上述研究成功地实现了直接分层,但其中大部分仍集中在求交算法和直接分层方法的研究上,并没有广泛地应用于R P 制造,文献 1 1 1 2 应用于S L S 系统制作了塑料制件本文在分析研究S o l i d W o r k s 软件平台下C A D 模型数据的内部表达方法以及拓扑信息和几何信息提取方法的基础上,研究三维C A D 模型直接分层技术,对S o l i d W o r k s进行二次开发,实现对三维C A D 模型的直接分层本文开发的软件能够根据用户输入信息提取零件截面轮廓、生成光栅填充扫描路径、对轮廓和填充扫描轨迹进行模拟等最后用于零件的直接制造,制作了金属试件
17、,并与基于S T L 间接分层的制件进行比较1 直接分层原理S o l i d W o r k s 的三维实体模型采用B r e p 表示,它是几何造型中最成熟、无二义的表示方法该方法详细记录了构成型体的所有几何元素的几何信息及其相互连接关系的拓扑信息,根据这些信息对C A D 模型直接分层,就可以得到精确的截面轮廓,为提高成型制件的精度打下基础图1 所示为S o l i d W o r k s 的模型实体(E n t i t i e s)的拓扑、几何和相关数据之间的关系B-r e p 表示的实体数据结构用体、壳、面、环、边、顶点6 个层次描述,其中,面、边和顶点通常有几何实体,分别对应曲面(
18、S u r f a c e s)、曲线(C u r v e s)和点(P o i n t s)S o l i d W o r k s提供了几百个A P I 函数,几乎涵盖S o l i d W o r k s 的所有功能,可供二次开发使用S o l i d W o r k s 的部分A P I对象结构如图2 所示S o l i d W o r k sA P I 的对象分为若干层,S l d W o r k s 对象是S o l i d W o r k s 中最高层的对象,通过它可直接或间接地访问S o l i d W o r k sA P I 中所有其他对象,进而访问对象各自的属性、方法和事件
19、几何拓扑相关数据图1S o l i d W o r k s 的实体模型 万方数据6 期靳晓曙等:激光直接制造和再制造中的三维C A D 模型直接分层技术7 5 9图2S o l i d W o r k s 中实体模型的A P I 对象结构针对S o l i d W o r k s 数据结构和A P I 对象结构,本文采用一种访问实体模型的拓扑结构的机制,即遍历算法,自上而下,由C A D 模型得到体对象,对每一体对象可访问组成体的面,得到面的几何实体一曲面;对曲面与分层平面求交,得到交线,提取轮廓信息2 直接分层方法S o l i d W o r k s 提供了9 种曲面类型,分别为平面、圆柱
20、、圆锥、圆环、球、精确过渡面、扫描面、旋转面和N U R B S 面,平面与这些曲面求交算法非常复杂本文采用S o l i d W o r k sA P I 提供的曲面一曲面求交函数对模型曲面与分层平面求交,实现对三维C A D 模型的直接分层切片,具体算法步骤如下:S t e p l C A D 造型或读入C A D 模型S t e p 2 变化坐标系统,使Z 轴方向与分层方向重合S t e p 3 求出模型包围盒,获得零件6 个坐标极值:X。i。,X。,y 商。,y。a x,Z。抽,Z。S t e p 4 根据用户输入的分层厚度确定分层数,K=(Z。一Z 1 1 1 i。)T h i c
21、k S t e p 5 遍历模型,获得面片数t 和每个面片的极值Z F。和Z F。廿n。S t e p 6 i=1 S t e p 7 构造分层平面Z=z I l l i n+T h i c k S t e p 8 j=0 S t e p 9 提取第j 个面片极值Z F a 一和z F。嘶。,如果z F 缸。a x z z 乳。跏n,转S t e p l 0;否则,转S t e p l l。S t e p l 0 分层平面Z 与面片j 曲面求交,提取交线S t e p l l j=j+1,如果j t,转S t e p 9;否则,转S t e p l 2 S t e p l 2 i 亏i+1,如
22、果i K,转S t e p l 3;否则,转S t e p l 4,S t e p l 3 构造分层平面Z=Z+T h i c k,转S t e p 8 S t e p l 4 对提取的交线排序,首尾相连形成轮廓曲线,然后离散轮廓曲线S t e p l 5 扫描填充线的计算S t e p l 6 按一定格式输出轮廓线及扫描线S t e p l 7 结束3 直接分层关键算法3 1 轮廓交线的提取利用S o l i d W o r k sA P I 提供的曲面一曲面求交函数实现分层平面与曲面求交,获得交线对象,再调用A P I 中曲线对象的方法和属性获得交线线型并提取曲线的几何信息S o l i
23、d W o r k s 中的曲线类型包括直线、圆、椭圆、N U R B S 曲线1)S o l i d W o r k s 中的直线是一条无穷线,调用A P I 函数可获得直线经过的一点的坐标和直线的方向矢量,因此不能通过求交获得的直线直接提取到端点坐标值,还需另外开发程序计算求解。2)S o l i d W o r k s 中有圆没有圆弧,提取的圆的几何信息包括圆心坐标值、半径和中心轴线的方向矢量如图3a 所示的C A D 模型,直接分层模拟的结果如图3b 所示,因此需对圆进行修剪才能得到圆弧对上述2 个问题采用A P I 曲线一曲线求交函数,用面片的边对直线或圆进行修剪,以得到直线段或圆弧
24、段的端点坐标值,如图3C 所示aC A D 模型b 修剪前c 修剪后图3 冗余线段修剪3)椭圆的几何信息包括中心坐标值、长轴半径、长轴方向矢量、短轴半径和短轴方向矢量4)N U R B S 曲线的几何信息包括样条曲线的控制点3 2交线排序经过上述处理,可提取轮廓交线的几何信息,对于非封闭线段得到线段的端点,即起始点和终止点这样提取的轮廓线是无序的,因此需对非封闭线段首尾相连,形成封闭的轮廓轨迹,才能用于直接制造或再制造 万方数据7 6 0计算机辅助设计与图形学学报2 0 0 7 薤排序采用“生长”法进行,即先提取一条线段,按加工方向把它的一个端点作为起始点,另一个端点为终止点,再在余下的线段中
25、找端点与第一线段终止点重合的线段为第二线段,重合的端点为第二线段的起始点,这样排好序的线不断“生长”,直到处理完所有的线段,生成封闭的轮廓轨迹3 3 轮廓交线的离散一般直接制造和再制造数控系统只有直线和圆弧插补指令,因此如果交线是直线或圆弧可直接插补制造;否则,需将获得的交线离散成一系列的折线段本文采用容差离散法,容差定义如图4 所示图4 容差定义离散容差S 由用户指定,算法如下:S t e p l 读入一条曲线S t e p 2 判断线型,若为直线或圆弧,转S t e p 4;否则,执行下一步S t e p 3 调用A P I 函数,根据容差S 离散曲线S t e p 4 输出曲线到数据文件
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- 激光 直接 制造 中的 三维 CAD 模型 分层 技术
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