基于快速成型的CAD模型數據轉換之對比

蔡冬根，周天瑞，吳海燕

（1.南昌大學 機電工程學院，南昌 330031；2.江西制造職業技術學院，南昌 330095；3.南昌搪瓷廠，南昌 330029）

0 引言

快速成型技術是采用離散切片、分層累積成型的一種先進制造方式，其中每一層的加工都是根據三維CAD模型切片得到的截面輪廓數據來形成加工軌跡[1]。也就是說，快速成型的制作需要前端CAD數字模型的支持，CAD模型要處理成RP系統能接受的數據格式，并且要在原型制作之前或過程中進行堆積方向的分層切片處理。因此，在RP技術中需要進行大量的數據處理等準備工作，其中最關鍵的是從三維CAD模型至快速成型接口的數據轉換和處理。數據的充分準備和有效處理決定著原型制作的效率、質量和精度[2]。

由于不同的CAD系統采用不同的數據格式描述幾何形體，給數據交換、信息共享造成障礙，導致快速原型制造設備與不同CAD系統間存在兼容性問題。如圖1所示，在快速成型的數據處理與轉換過程中，往往要將前期的CAD數字模型、點云或圖像數據轉換為RP系統所能接受或兼容的中間格式文件。其中，數據格式的選擇是一個很重要的問題。它既要滿足RP制造的要求，便于RP系統接受和處理，又要便于不同CAD系統生成，可使不同的CAD模型數據進行有效快速的交換。

1 CAD/RP系統間的常用數據接口類型

圖1 快速成型制造的數據處理過程

目前應用于RP技術的CAD模型數據轉換格式主要有三種：RP三維面片模型格式（如STL、CLI等）、CAD三維數據格式（如IGES、STEP、DXF、VDA-FS等）和二維層片數據格式（如SLC、CLI、HPGL 等）。

現行的快速成型設備，尤其是商品化的RP設備，普遍是利用STL格式文件表示的CAD模型進行離散分層處理。也就是說，采用Pro/E、AutoCAD、UG等系統建立CAD模型后，應進行表面網格化處理，將其轉換為三角形面片表示的多面體模型，即STL文件。STL（Standard Template Library）是一種用三角形面片近似表達CAD實體模型的文件格式。它是若干空間小三角形面片的集合，包含點、線、面的幾何信息，能夠完整表達實體表面信息[3]。目前，很多主流商用CAD軟件，如I-DEAS、Unigraphics、Solidworks、

Pro/E、AutoCAD等都支持STL文件的輸入、輸出。相對于其他數據格式而言，STL文件主要的優勢在于數據格式簡單和良好的通用性，其后續切片算法易于實現，在快速成形領域得到了廣泛應用，成為該領域事實上的接口標準和最常用的數據交換文件[2]。但由于STL模型是對CAD模型的表面近似，無論STL文件格式及基于STL的軟件如何改進，也很難滿足高精度零件的加工。

為了不斷提高模型的離散精度，必須采用其它文件格式以及開發高效、精確的數據處理軟件。國內外眾多的學者和研究人員對此進行了大量的研究，其中繞過STL文件，由三維實體直接獲取分層信息，或建立CAD系統與快速成型機之間高度兼容的標準數據接口文件，已成為快速成型技術提高精度的一個重要發展方向[2,4]。如文獻[5]和文獻[6]分別基于Unigraphics和I-DEAS軟件系統進行二次開發，利用其內部強大的自動求截面功能對CAD模型進行直接分層。但是，它們只能依賴于某種特定的CAD系統或者只是針對某一類CAD模型進行分層處理。相比而言，利用中間的標準數據交換文件，開發獨立于CAD系統和快速成型機的直接分層方法是一種更為理想的選擇。如文獻[7]和文獻[8]利用IGES文件開發了直接分層軟件，文獻[9]、[10]研究了基于STEP模型的直接分層方法，在CAD系統外進行模型的直接分層，不依賴于任何特定的CAD系統，通用性和靈活性好。與STL文件相比，基于IGES、STEP格式的CAD模型直接分層避免了STL模型三角化帶來的零件表面誤差，克服了STL文件的種種缺點，提高了制作零件的表面質量。

2 STL、IGES和STEP的數據轉換大小分析

基于Pro/E軟件平臺，建立支撐座、對講機鏡片、手機面板、茶壺等10個零件的CAD模型，然后將其分別轉換為STL、IGES和STEP模型文件（進行ASCII碼STL格式轉換時，弦高誤差設為0.05mm、角度控制誤差設為0.5），并對模型轉換中的數據量變化、誤差等進行對比分析。

根據零件CAD模型轉換得到的STL、IGES和STEP等格式文件，分別比較其數據量大小。從中可以看出，STL文件的大小取決于轉換中三角面片的數量，而三角面片的數量取決于模型的尺寸大小和弦高誤差、角度控制誤差的設定。一般而言，相同尺寸的零件模型，包含的自由曲面數目越多、曲面曲率變化越復雜，其STL文件的數據量越大。STL文件的大小與模型三角面片的數量成正比，一般100個面片數約占25.3KB。

以手機套、電話機面板、茶壺為例，如圖2所示，其三角面片數量分別為52940、48706和64976個，STL文件大小為13385KB、12240KB和16385KB。而減速器箱蓋雖然具有更大的模型尺寸，但由于模型中幾何元素簡單、自由曲面數目很少，所以轉換生成的三角面片數僅為9280個，對應STL文件僅2369KB。從STL、IGES和STEP三者的對比來看，一般而言，CAD模型的STEP文件數據量最小，STL文件數據量最大，而IGES文件次之。從格式文件大小的平均情況來看，同一CAD模型的IGES文件約為相應STL文件的2/3；STEP文件約為相應STL文件的1/3，為相應IGES文件的1/3。

圖2 數據轉換實驗的三維模型

3 STL、IGES和STEP的數據轉換誤差分析

在RP技術的模型轉換過程中，不可避免地會產生精度損失。本文將CAD模型經數據轉換后得到的STL、IGES和STEP等模型對原實體模型的逼近精度，稱為模型的轉換精度。這里采用易于測量的表面積誤差和體積誤差來予以分析，即表面積誤差為δs=（SSTL/IGES/STEP-SCAD）/ SCAD,體積誤差為 δv=（VSTL/IGES/STEP-VCAD）/ SCAD。

為減少由于CAD應用軟件內部架構的不同而導致的數據丟失或數據錯誤，這里在數據導出和導入時采用同一個軟件平臺，即Pro/E野火4.0版。如圖3所示為基于Pro/E系統進行數據轉換對比檢測的流程。從不同格式文件的模型轉換誤差來看，IGES和STEP模型的轉換誤差很小，而STL模型的轉換誤差相對較大。其中，STL模型的表面積誤差一般介于0.01～0.17%，平均誤差為0.06%，體積誤差一般介于0.02～0.4%，平均誤差為0.11%；IGES模型的表面積誤差均低于0.003%，平均誤差為0.0007%，體積誤差均低于0.01%，平均誤差為0.005%；STEP模型的表面積誤差均低于0.001%，平均誤差為0.0004%，體積誤差均低于0.008%，平均誤差為0.004%。可見，IGES、STEP模型的表面積誤差約為STL模型誤差的1/100，體積誤差約為STL模型誤差的1/25；在相同格式文件的轉換中，模型的表面積誤差小于體積誤差，其中STL模型的表面積誤差約為體積誤差的1/7，IGES和STEP模型的表面積誤差約為體積誤差的1/10。同時，利用Pro/E的分析功能對其STL、IGES和STEP模型進行曲面的高斯曲率著色檢驗和幾何檢查等，如圖4所示，也可以發現STEP模型的轉換效果最優。

圖3 基于Pro/E的CAD模型數據轉換對比流程

圖4 茶壺的曲面高斯曲率檢測分析

4 結束語

數據處理技術一直是RP研究的重點和熱點問題。STL文件格式作為分層制造的工業標準，因存在前述的諸多缺點，已不能適應RP技術的進一步

發展。STEP格式提供了產品整個生命周期的數據表達和交換機制，作為CAD與RP系統之間的數據接口，具有通用性、可擴展性和可集成性好的優點，比目前任何其他數據交換標準更能全面描述CAD模型，相比STL和IGES提供了更好的轉換機制。隨著快速成型直接分層技術的不斷推廣和應用，將RP工藝結合到STEP中是將來的發展方向，STEP文件最有可能替代STL文件成為RP的標準數據文件。

[1] 趙吉賓, 劉偉軍.快速成型技術中分層算法的研究與進展[J].計算機集成制造系統, 2009, 15(2): 209-221.

[2] 郭九生, 梁正和, 洪軍, 盧秉恒.快速成型制造中幾何模型和數據模型的處理技術[J].機械科學與技術, 1998,17(1): 88-93.

[3] 朱虎, 楊忠鳳, 張偉.STL文件的應用與研究進展[J].機床與液壓, 2009, 37(6): 186-189.

[4] 馮偉, 段廣洪, 王萬飛.快速成形制造中的數據處理與轉換技術[J].中國機械工程, 1996,7(3): 41-43.

[5] JAMIESON R, HACKER H.Direct slicing of CAD models for rapid prototyping[J].Rapid Prototyping Journal, 1995,1(2): 4-12.

[6] VUYURU P, KIRSCHMAN C F, FADEL G, et al.A NURBS-based approach for rapid product realization[C] //Proceedings of the 5th International Conference on Rapid Prototyping.Dayton, Ohio, USA: University of Dayton,1994: 12-15, 229-240.

[7] HOPE R L, JACOBS P A, ROTH R N.Adaptive slicing with sloping layer surfaces[J].Rapid Prototyping Journal,1997, 3(3): 89-98.

[8] HOPE R L, JACOBS P A, ROTH R N.Rapid prototyping with sloping surfaces[J].Rapid Prototyping Journal, 1997,3(1): 12-19.

[9] 周滿元, 習俊通, 李君.一種基于STEP的CAD模型直接分層方法[J].計算機集成制造系統, 2005, 11(9): 1243-1247

[10] STARLY B, LAU A, SUN W, et al.Direct slicing of STEP based NURBS models for layered manufacturing[J].Computer-Aided Design, 2005, 37(4): 387-397.