快速成型技术的数据处理

4.1 数据处理流程
快速成型数据处理是以三维CAD模型或其他数据模型为 基础，使用分层处理软件将模型离散成截面数据，然后输 送到快速成型系统的过程，其基本流程：
快速成型技术的一般数据处理流 程为：将通过CAD系统或逆向工程获 得的三维模型以快速成型分层软件 能接受的数据格式保存，然后使用 分层软件对模型进行：STL文件的处 理、工艺处理、分层处理等操作， 生成模型的各层面扫描信息，最后 以快速成型设备能接受的数据格式 输出到相应的快速成型机设备中。
2
4.2 待处理数据来源
1.三维模型直接构建
对于直接构建的三维模型，最常用的数据处理方法就是将构建的 CAD实体模型先转换为三角网格模型（STL文件），然后再进行分层， 从而获得加工路径。当前主流的快速成型系统是基于STL文件进行加 工，因此商用CAD软件一般都自带输出STL文件的功能模块。
2. 逆向工程建模
15
6. STL文件的局限
（1）近似性。STL模型只是三维CAD模型的一个近似描述，并不能十分精确 地还原模型的曲面。 （2）信息缺乏。STL文件只能无序的列出构成模型表面的所有三角形面片的 几何信息，其中并不包含面片之间的拓扑邻接信息，而这些信息的缺乏常会 导致信息处理与分层的低效。同时，将三维CAD模型转换为STL模型之后，还 会丢失公差、零件颜色和材料等的信息。 （3）数据的冗余。STL文件含有大量的冗余数据，因为每个三角形面片的顶 点都分属于不同的三角形，所以同一个顶点会在STL文件中重复存储多次。 （4）精度损失。在STL文件中，顶点坐标都是单精度浮点型，而在三维CAD 模型中，顶点坐标一般都是双精度浮点型，会造成一定程度的数据误差。 （5）错误和缺陷。STL文件还易出现很多错误和缺陷，例如重叠面、孔洞、 法向量和交叉面等；
STL格式的文件是对三维CAD模型进行表面三角形网格化而得 到的：
普通三维模型
STL三维面片模型 5
1. STL文件的构成
STL是一种用许多小三角形平面来近似表示源CAD模型曲面的数据模型， 此种文件格式将CAD模型表面离散化为若干个三角形面片，不同精度时有不 同的三角形网格划分方式。
STL文件是多个三角形面片的集合，数据结构非常简单，而且与CAD系 统无关。STL文件中的每个三角形面片都是由三角形的顶点坐标和三角形面 片的外法线矢量来表示。
DXF（Drawing eXchange File，绘图交换文件）是Autodesk公 司制定的一种图形交换文件格式，AutoCAD一直使用DXF格式文 件来进行不同应用程序之间的图形数据交换。DXF文件可读性好、 易于被其他程序处理，但是，DXF格式文件数据量大，结构较复 杂，在描述复杂的产品信息时很容易出现信息丢失问题。
• 误差越小，所需的三角形面片数量越多，形成的三维实体就 越趋近于理想实体的形状。但精度的提高会使STL文件变大， 同时分层处理的时间将显著增加，有时截面的轮廓会产生许 多小直线段，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑且成 型效率降低。
• 所以，从CAD软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参 数应根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进 行综合考虑。
19
4.3.3 二维层片数据格式
1.SLC格式
SLC格式是Materialise公司为获取快速成型三维模型分层 切片后的数据而制定的一种存储格式。是CAD模型的2.5维 的轮廓描述，它由Z方向上的一系列逐步上升的横截面组成， 这些横截面由内、外边界的轮廓线围合成实体。
STEP格式可以完整描述所交换的产品数据，其信息量完 全可以满足从CAD软件到快速成型系统的数据转换需要，但 是，STEP格式也包含了许多快速成型系统并不需要的冗余信 息，要基于STEP格式实现快速成型的数据转换，还需在算法、 文件内容的提取等方面进行大量研究工作。
17
4.3.2 CAD三维数据格式
solid name_of_object (整个STL文件的首行，给出了文件路径及文件名)
facet normal x y z （facet normal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标）
outer loop （outer loop说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标）
vertex x y z （3个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列）
正确
错误
10
2）共顶点规则
相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点，即面片的顶点 不能落在相邻的任何一个三角形面片的边上。
正确
错误
11
3）取值规则 STL文件的所有顶点坐标都必须是正的，即STL模型必须落
在第一象限。虽然目前几乎所有的CAD/CAM软件都已允许在任 意的空间位置生成STL文件，但使用AutoCAD时还需要遵守这个 规则。 4）充满规则
5. STL文件的优势
（1）文件生成简单。几乎所有的CAD软件皆具有输出STL文件的功能， 同时还可以控制输出的精度。 （2）适用对象广泛。几乎所有三维模型都可以通过表面三角网格化生 成STL文件。 （3）分层算法简单。STL文件数据结构简单，分层算法也相对简单得多。 （4）模型易于分割。当零件很大，难以在成型机上一次成型时，就需 要将零件模型分割成多个较小的部分，进行分别制造，而分割STL模型 相对简单得多。 （5）接口通用性好。能被几乎所有的快速成型设备所接受，已成为行 业公认的快速成型数据接口标准。
4
小三角形平面的数目
facet 1
4
float normal x
4
float normal y
4
float normal z （以上3个4字节的浮点数表示角面片法矢量）
4
float vertex1 x
4
float vertex1 y
4
float vertex1 z （以上3个4字节浮点数表示顶点1的坐标）
8
STL文件格式比较简单，只能描述物体的几何信息，而不能描 述颜色材质等信息。
三维模型进行表面三角形网格化之后会呈现多面体状，因此 需要合理设置输出STL格式时的参数值，以改善成型的质量，一 般而言，从CAD软件输出STL文件时，建议将弦高（chord height）、误差（deviation）、角度公差（angle tolerance）等参 数的值设置为0.01或是0.02。
STL模型的所有表面都必须布满三角形面片，不得有任何遗 漏，即不能有裂纹或孔。
12
4、STL文件的精度
自由曲面的三角形面片逼近
• STL文件是三维实体模型经过三角网络化处理之后得到的数据 文件，它将实体表面离散化成大量的三角形面片，依靠这些 三角形面片来逼近理想的三维实体模型。逼近的精度通常由 曲面到三角形平面的距离误差或是曲面到三角形边的弦高差 控制。
4
float vertex2 x
4
float vertex2 y
4
float vertex2 z （以上3个4字节浮点数表示顶点2的坐标）
4
float vertex3 x
4
float vertex3 y
4
float vertex3 z （以上3个4字节浮点数表示顶点3的坐标）
2
未用（构成50个字节, 用来描述三角面片的属性信息）
9
3.STL文件的规范
为保证三角形面片所表示的模型实体的唯一性 ，STL文件 必须遵循一定的规范，否则这个STL文件就是错误的，具体规 范如下：
1）取向原则 STL 文件中的每个三角形面片都是由三条边组成的，且具 有方向性：三条边按逆时针顺序由右手定则可以确定面的法 向量，且该法向量应指向所描述实体表面的外侧 ，相邻的三 角形的取向不应出现矛盾。
16
4.3.2 CAD三维数据格式
与三维面片模型格式相比，CAD三维数据格式可以精确的 描述CAD模型。目前，常用CAD三维数据格式主要有三种，分 别为STEP标准接口、实体模型格式IGES和表面模型格式DXF。
1. STEP标准接口
STEP(Standard for The Exchange of Product,产品数据交换 标准)是一种产品模型数据交换标准格式，该标准已经成为国 际公认的CAD数据文件交换全球统一标准。
7
（2）二进制（BINARY）格式
BINARY格式用固定的字节数记录三角面片的几何信息，文件起始的84个字节 是头文件，用于记录文件名；后面逐个记录每个三角面片的几何信息，每个三角 形面片占用固定的50字节。
BINARY格式的语法如下所示：
# of bytes description
80
有关文件、作者姓名和注释信息
是对已有的实物数字化，即使用逆向工程测量设备采集实物表面 信息，形成物体表面的点云数据，并且在这些数据的基础上，构建实 物的三维模型。
对于逆向工程建模的数据处理方法主要有两种：一种是对数据点 进行三角化，生成STL文件，然后进行分层处理；另一种是对数据点 进行直接分层处理。
3
4.3 数据接口格式
快速成型系统本身并不具备三维建模功能，为得到物体的三维 数据，快速成型系统一般都会借助于商用CAD软件，但是，不同的 CAD软件用来描述几何模型的数据格式并不相同，快速成型系统无 法一一适应，导致数据交换和信息共享出现障碍。因此，必须要有 一种中间数据格式，作为CAD软件与快速成型系统之间的标准接口， 该格式应该既能被快速成型系统接受和处理，也能由市面上的大多 数CAD软件生成。
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet（在一个STL文件中，每一个facet由以上7行数据组成）
facet normal x y z
outer loop
vertex x y z
vertex x y z
vertex x y z
endloop
endfacet