三维CAD模型的建立

2013-05-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

张唏孟立新来源:万方数据
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三角网格模型是求取三维实体数据的一种有效方法,在快速成型技术应用中,基于三角网格模型形成的STL文件格式,是其形成CAD三维数字模型,进行数据处理的重要数字信息来源。

从快速成型的原理来看,技术实施的基础是如何获得三维实体模型的计算机信息(即三维CAD模型)。尤其是对一些不规则的自由曲面,其数据采集和处理质量直接关系着后续数据处理的质量,关系着三维实体造型的成败。基于三角型网格模型的三维实体数据处理,便是一种应用广泛的三维CAD模型建立和转换方法,其文件格式简单、实用,已成为一种快速成型领域的普遍应用的一种接口文件。

   1 三角网格模型的建立

   通常三维CAD曲面模型或实体模型,需要先转化为三角网格模型,即STL文件格式模型,然后再分层得到加工路径。STL(stereolithography)文件格式是由美国3D Systems公司于1988年开发的,目前各类商用CAD软件均带有STL文件的输出功能,STL模型就是CAD模型进行三角网格化处理的结果。

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三角网格模型就是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型,每一个小三角形用其三个顶点坐标和一个法向量来描述。根据描述模型精度的需要可以选择三角形的大小。如图1所示,用一个三角平面V1、V2、V3近某一曲面时,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离误差,或曲面到三角形边的弦高差来描述和控制。当误差要求越小,曲面越不规则时,所需的三角形平面片数就越多,STL文件就越大。因此,误差的设定应根据零件加工的需要来确定。

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STL文件是由若干空间小三角形平面组成的集合,每个三角形平面用三角形的三个顶点坐标和指向模型外部的三角形平面的法向量组成,如图2所示。STL文件有两种数据格式,一种为ASCⅡ格式,另一种为二进制格式。二进制格式文件尺寸小、易于传输,所以应用较为广泛。它的前84字节为头记录,其中80字节用来描述零件名、作者姓名和一些有关文件的评述;4个字节说明三角形平面的片数。接下来对每个三角形平面用50个字节来存储三角形的法向量的石x、y、z值和三个顶点的x、y、z坐标值,每个坐标值占用4个字节,共48字节,最后2个字节没有使用,以备特殊用途。二进制格式虽然小,仅占ASCⅡ格式的l/6,但ASCⅡ格式的文件可读,便于测试,其组成格式如表l。

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   2 STL文件的数据结构

STL文件作为快速成型系统的输人格式已经得到了广泛的认可,但由于STL文件仅包含三角面片的顶点和其法向量的坐标,而缺少三角面片之间的拓扑信息,因而会给后续数据处理带来困难。因而sTL文件必须有合适的数据结构,使其不但能反映三角形面片的几何结构,而且能反映出相邻关系,以利于STL文件的检测和修复。STL文件的数据结构可以采用面向对象的程序设计方法进行设计,使用Visual C++在Windows NT环境下设计了三个类,即点、边和三角面,由这三个类产生三个对象,并建立相应的对象链表。点类中数据成员分别是:顶点的X坐标、Y坐标、Z坐标。

边类中的数据成员分别是:边的第一个顶点号,该顶点号取其该点在点对象链表中的序号;第二端点号;拥有该边的三角形面片号,此面片号取拥有该边的三角形面片在三角形面对象链表中的序号;拥有该边的另一三角形面片号;标志项。

面类中的数据成员分别是:三角形三条边的边号,边号取该边在边对象链表中的序号;三角形面片的法向量的三个坐标值。

这样用面类的成员函数可直接根据面链表提供的边号在边链表中找到相应的边,同样用边类的成员函数可直接根据边链表中提供的面号和端点号直接找到相应的面和边的端点。这样就构成了以点对象链表、边对象链表、面对象链表为主线的网格型的数据结构形式,为数据的检测与修复提供了有序可靠的数据信息。

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3 三角网格模型(STL)的优点

快速成型领域中三角网格模型所形成的STL文件有着广泛的应用,主要因为它有以下几方面优点。

   (1)STL文件生成简单,目前使用的大多数CAD软件均具有输出STL文件的功能,同时还具有可以控制输出STL文件格式模型精度的功能。

   (2)STL文件格式应用广泛,几乎所有三维几何模型都可以通过表面的三角网格化生成STL文件。

   (3)STL文件数据较简单,因而分层算法相对要简单的多。

   (4)当成型的零件较大很难在成型机上一次成型时,由于STL文件数据较简单,模型易于分割,这时可以将模型很容易地分割为多个部分分别制造,再组装成型。

   4 三角网格模型(STL)的缺点

虽然STL文件格式具有这些有利于造型的因素,但使用三角形网格来描述三维几何形体简单易行的同时,也带来了很多的缺点。

(1)模型的近似性STL模型只是三维曲面的一个近似描述,与原型之间会产生一定的误差,造成成型精度损失。

   (2)数据产生冗余由于三角网格模型的每个三角形的每个顶点都分属于不同的三角形,所以同样的一个顶点在STL文件中重复存储多次,如图3所示。同时,由于三角形平面的法向量可以通过顶点坐标得到,也是一个不必要的信息,因此造成了吼文件产生大量的冗余数据。

   (3)三角平面之间的信息缺乏由于STL文件缺乏三角平面之间的拓扑信息,这经常造成信息处理和分层的低效。同时,经过cAD模型到STL模型的转换之后,容易丢失公差、零件颜色和材料等信息。

   (4)坐标精度的损失在STL文件中,顶点坐标都是单精度浮点型。而在CAD模型中,顶点坐标一般都是双精度浮点型。同时汛文件中的顶点坐标必须为正值,这样,当坐标值较大时,可能会造成较大的误差。

   (5)STL文件信息的错误和缺陷在吼文件中还经常会出现诸如重叠面、孔洞、法向量等这些信息转换和传递中造成的错误。

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   5 建立STL文件的规范要求

STL文件在建立过程中,必须遵守一定的规范才能达到正确描述三维模型的目的。

   (1)共顶点原则每相邻的两个三角形只能共享两个顶点,如图4所示,即一个三角形的顶点不能落在相邻的任何一个三角形的边上

   (2)取向原则每个网格中三角形平面的法向量,必须由内部指向外部,三角形三个顶点排列的顺序同法向量符合右手法则。每相邻的两个三角形所共有的两个顶点,服从于它们各自三角形顶点的排列顺序。

   (3)充满原则吼文件格式的三维模型中,其所有表面上都必须布满小三角形面片。

   (4)取值原则在STL文件中,每个三角形顶点的坐标值必须是非负值,即其坐标值必须落在坐标系的第一象限内。

   6 在快速成型中的应用

快速成型技术就是利用分层技术直接从三维CAD实体数据生成实体零件,因而分层算法是快速成型制造中的一个关键环节。CAD造型软件生成CAD模型后,必须经过分层处理才能将数据输入到RP设备中。因此分层处理的效率、速度以及所得到的截面轮廓的精度对于快速成型制造来说是相当重要的。快速成型技术中的分层算法按照使用的数据格式可分为CAD模型的直接分层和基于STL模型的分层。

CAD模型的直接分层具有文件数据量较小、精度高、数据处理时间少,以及模型没有错误等优点。但在分层中其难以对模型自动加支撑,同时需要复杂的CAD软件环境,因而对其应用带来了许多不利。基于三角网格模型建立的三维CAD模型的分层,尽管形成的sTL文件有很多缺陷,但在众多的分层方法中,基于STL模型的分层方法仍是研究和应用的主流。

在实际应用三角网格模型对三维CAD模型进行分层计算时,形成的sTL文件是三角形面片信息的集合。对于这些信息集合可以通过基于拓扑信息的分层算法、基于三角面片的位置信息的分层算法或三角面片求交点算法等形式,将离散的三角面片信息组织成有序的形式,得到分层面上一条封闭的轮廓,从而得到三维CAD实体的分层切片信息。将此信息传输给RP设备中,就可实现三维实体的快速成型加工。

   7 结语

基于三角网格模型建立的三维CAD模型,在具有较多的优越性以外,虽然会产生上述的一些信息缺陷,但可以通过一些较易实现的修复算法,进行数据的修复,使其形成正确的数据链接,确保建立的三维CAD模型数据处理的准确性和正确性。