三維CAD模型的建立

2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

張唏孟立新來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:三角網(wǎng)格模型三維CAD 模型建立
三角網(wǎng)格模型是求取三維實(shí)體數(shù)據(jù)的一種有效方法,在快速成型技術(shù)應(yīng)用中,基于三角網(wǎng)格模型形成的STL文件格式,是其形成CAD三維數(shù)字模型,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的重要數(shù)字信息來(lái)源。

從快速成型的原理來(lái)看,技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)是如何獲得三維實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)信息(即三維CAD模型)。尤其是對(duì)一些不規(guī)則的自由曲面,其數(shù)據(jù)采集和處理質(zhì)量直接關(guān)系著后續(xù)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量,關(guān)系著三維實(shí)體造型的成敗?；谌切途W(wǎng)格模型的三維實(shí)體數(shù)據(jù)處理,便是一種應(yīng)用廣泛的三維CAD模型建立和轉(zhuǎn)換方法,其文件格式簡(jiǎn)單、實(shí)用,已成為一種快速成型領(lǐng)域的普遍應(yīng)用的一種接口文件。

   1 三角網(wǎng)格模型的建立

   通常三維CAD曲面模型或?qū)嶓w模型,需要先轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格模型,即STL文件格式模型,然后再分層得到加工路徑。STL(stereolithography)文件格式是由美國(guó)3D Systems公司于1988年開(kāi)發(fā)的,目前各類商用CAD軟件均帶有STL文件的輸出功能,STL模型就是CAD模型進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理的結(jié)果。

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三角網(wǎng)格模型就是用一系列的小三角形平面來(lái)逼近原來(lái)的模型,每一個(gè)小三角形用其三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向量來(lái)描述。根據(jù)描述模型精度的需要可以選擇三角形的大小。如圖1所示,用一個(gè)三角平面V1、V2、V3近某一曲面時(shí),可以看到三角形逼近曲面的精度,通常由曲面到三角形平面的距離誤差,或曲面到三角形邊的弦高差來(lái)描述和控制。當(dāng)誤差要求越小,曲面越不規(guī)則時(shí),所需的三角形平面片數(shù)就越多,STL文件就越大。因此,誤差的設(shè)定應(yīng)根據(jù)零件加工的需要來(lái)確定。

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STL文件是由若干空間小三角形平面組成的集合,每個(gè)三角形平面用三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和指向模型外部的三角形平面的法向量組成,如圖2所示。STL文件有兩種數(shù)據(jù)格式,一種為ASCⅡ格式,另一種為二進(jìn)制格式。二進(jìn)制格式文件尺寸小、易于傳輸,所以應(yīng)用較為廣泛。它的前84字節(jié)為頭記錄,其中80字節(jié)用來(lái)描述零件名、作者姓名和一些有關(guān)文件的評(píng)述;4個(gè)字節(jié)說(shuō)明三角形平面的片數(shù)。接下來(lái)對(duì)每個(gè)三角形平面用50個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)三角形的法向量的石x、y、z值和三個(gè)頂點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)值,每個(gè)坐標(biāo)值占用4個(gè)字節(jié),共48字節(jié),最后2個(gè)字節(jié)沒(méi)有使用,以備特殊用途。二進(jìn)制格式雖然小,僅占ASCⅡ格式的l/6,但ASCⅡ格式的文件可讀,便于測(cè)試,其組成格式如表l。

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   2 STL文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

STL文件作為快速成型系統(tǒng)的輸人格式已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可,但由于STL文件僅包含三角面片的頂點(diǎn)和其法向量的坐標(biāo),而缺少三角面片之間的拓?fù)湫畔?因而會(huì)給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難。因而sTL文件必須有合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),使其不但能反映三角形面片的幾何結(jié)構(gòu),而且能反映出相鄰關(guān)系,以利于STL文件的檢測(cè)和修復(fù)。STL文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),使用Visual C++在Windows NT環(huán)境下設(shè)計(jì)了三個(gè)類,即點(diǎn)、邊和三角面,由這三個(gè)類產(chǎn)生三個(gè)對(duì)象,并建立相應(yīng)的對(duì)象鏈表。點(diǎn)類中數(shù)據(jù)成員分別是:頂點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)。

邊類中的數(shù)據(jù)成員分別是:邊的第一個(gè)頂點(diǎn)號(hào),該頂點(diǎn)號(hào)取其該點(diǎn)在點(diǎn)對(duì)象鏈表中的序號(hào);第二端點(diǎn)號(hào);擁有該邊的三角形面片號(hào),此面片號(hào)取擁有該邊的三角形面片在三角形面對(duì)象鏈表中的序號(hào);擁有該邊的另一三角形面片號(hào);標(biāo)志項(xiàng)。

面類中的數(shù)據(jù)成員分別是:三角形三條邊的邊號(hào),邊號(hào)取該邊在邊對(duì)象鏈表中的序號(hào);三角形面片的法向量的三個(gè)坐標(biāo)值。

這樣用面類的成員函數(shù)可直接根據(jù)面鏈表提供的邊號(hào)在邊鏈表中找到相應(yīng)的邊,同樣用邊類的成員函數(shù)可直接根據(jù)邊鏈表中提供的面號(hào)和端點(diǎn)號(hào)直接找到相應(yīng)的面和邊的端點(diǎn)。這樣就構(gòu)成了以點(diǎn)對(duì)象鏈表、邊對(duì)象鏈表、面對(duì)象鏈表為主線的網(wǎng)格型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式,為數(shù)據(jù)的檢測(cè)與修復(fù)提供了有序可靠的數(shù)據(jù)信息。

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3 三角網(wǎng)格模型(STL)的優(yōu)點(diǎn)

快速成型領(lǐng)域中三角網(wǎng)格模型所形成的STL文件有著廣泛的應(yīng)用,主要因?yàn)樗幸韵聨追矫鎯?yōu)點(diǎn)。

   (1)STL文件生成簡(jiǎn)單,目前使用的大多數(shù)CAD軟件均具有輸出STL文件的功能,同時(shí)還具有可以控制輸出STL文件格式模型精度的功能。

   (2)STL文件格式應(yīng)用廣泛,幾乎所有三維幾何模型都可以通過(guò)表面的三角網(wǎng)格化生成STL文件。

   (3)STL文件數(shù)據(jù)較簡(jiǎn)單,因而分層算法相對(duì)要簡(jiǎn)單的多。

   (4)當(dāng)成型的零件較大很難在成型機(jī)上一次成型時(shí),由于STL文件數(shù)據(jù)較簡(jiǎn)單,模型易于分割,這時(shí)可以將模型很容易地分割為多個(gè)部分分別制造,再組裝成型。

   4 三角網(wǎng)格模型(STL)的缺點(diǎn)

雖然STL文件格式具有這些有利于造型的因素,但使用三角形網(wǎng)格來(lái)描述三維幾何形體簡(jiǎn)單易行的同時(shí),也帶來(lái)了很多的缺點(diǎn)。

(1)模型的近似性STL模型只是三維曲面的一個(gè)近似描述,與原型之間會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,造成成型精度損失。

   (2)數(shù)據(jù)產(chǎn)生冗余由于三角網(wǎng)格模型的每個(gè)三角形的每個(gè)頂點(diǎn)都分屬于不同的三角形,所以同樣的一個(gè)頂點(diǎn)在STL文件中重復(fù)存儲(chǔ)多次,如圖3所示。同時(shí),由于三角形平面的法向量可以通過(guò)頂點(diǎn)坐標(biāo)得到,也是一個(gè)不必要的信息,因此造成了吼文件產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。

   (3)三角平面之間的信息缺乏由于STL文件缺乏三角平面之間的拓?fù)湫畔?這經(jīng)常造成信息處理和分層的低效。同時(shí),經(jīng)過(guò)cAD模型到STL模型的轉(zhuǎn)換之后,容易丟失公差、零件顏色和材料等信息。

   (4)坐標(biāo)精度的損失在STL文件中,頂點(diǎn)坐標(biāo)都是單精度浮點(diǎn)型。而在CAD模型中,頂點(diǎn)坐標(biāo)一般都是雙精度浮點(diǎn)型。同時(shí)汛文件中的頂點(diǎn)坐標(biāo)必須為正值,這樣,當(dāng)坐標(biāo)值較大時(shí),可能會(huì)造成較大的誤差。

   (5)STL文件信息的錯(cuò)誤和缺陷在吼文件中還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)諸如重疊面、孔洞、法向量等這些信息轉(zhuǎn)換和傳遞中造成的錯(cuò)誤。

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   5 建立STL文件的規(guī)范要求

STL文件在建立過(guò)程中,必須遵守一定的規(guī)范才能達(dá)到正確描述三維模型的目的。

   (1)共頂點(diǎn)原則每相鄰的兩個(gè)三角形只能共享兩個(gè)頂點(diǎn),如圖4所示,即一個(gè)三角形的頂點(diǎn)不能落在相鄰的任何一個(gè)三角形的邊上

   (2)取向原則每個(gè)網(wǎng)格中三角形平面的法向量,必須由內(nèi)部指向外部,三角形三個(gè)頂點(diǎn)排列的順序同法向量符合右手法則。每相鄰的兩個(gè)三角形所共有的兩個(gè)頂點(diǎn),服從于它們各自三角形頂點(diǎn)的排列順序。

   (3)充滿原則吼文件格式的三維模型中,其所有表面上都必須布滿小三角形面片。

   (4)取值原則在STL文件中,每個(gè)三角形頂點(diǎn)的坐標(biāo)值必須是非負(fù)值,即其坐標(biāo)值必須落在坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)。

   6 在快速成型中的應(yīng)用

快速成型技術(shù)就是利用分層技術(shù)直接從三維CAD實(shí)體數(shù)據(jù)生成實(shí)體零件,因而分層算法是快速成型制造中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。CAD造型軟件生成CAD模型后,必須經(jīng)過(guò)分層處理才能將數(shù)據(jù)輸入到RP設(shè)備中。因此分層處理的效率、速度以及所得到的截面輪廓的精度對(duì)于快速成型制造來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的?？焖俪尚图夹g(shù)中的分層算法按照使用的數(shù)據(jù)格式可分為CAD模型的直接分層和基于STL模型的分層。

CAD模型的直接分層具有文件數(shù)據(jù)量較小、精度高、數(shù)據(jù)處理時(shí)間少,以及模型沒(méi)有錯(cuò)誤等優(yōu)點(diǎn)。但在分層中其難以對(duì)模型自動(dòng)加支撐,同時(shí)需要復(fù)雜的CAD軟件環(huán)境,因而對(duì)其應(yīng)用帶來(lái)了許多不利?；谌蔷W(wǎng)格模型建立的三維CAD模型的分層,盡管形成的sTL文件有很多缺陷,但在眾多的分層方法中,基于STL模型的分層方法仍是研究和應(yīng)用的主流。

在實(shí)際應(yīng)用三角網(wǎng)格模型對(duì)三維CAD模型進(jìn)行分層計(jì)算時(shí),形成的sTL文件是三角形面片信息的集合。對(duì)于這些信息集合可以通過(guò)基于拓?fù)湫畔⒌姆謱铀惴ā⒒谌敲嫫奈恢眯畔⒌姆謱铀惴ɑ蛉敲嫫蠼稽c(diǎn)算法等形式,將離散的三角面片信息組織成有序的形式,得到分層面上一條封閉的輪廓,從而得到三維CAD實(shí)體的分層切片信息。將此信息傳輸給RP設(shè)備中,就可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的快速成型加工。

   7 結(jié)語(yǔ)

基于三角網(wǎng)格模型建立的三維CAD模型,在具有較多的優(yōu)越性以外,雖然會(huì)產(chǎn)生上述的一些信息缺陷,但可以通過(guò)一些較易實(shí)現(xiàn)的修復(fù)算法,進(jìn)行數(shù)據(jù)的修復(fù),使其形成正確的數(shù)據(jù)鏈接,確保建立的三維CAD模型數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和正確性。