高精度快速模具制造軟件系統分層處理技術研究

李繼平

（四川職業技術學院機械工程系 四川 遂寧 629000）

0 前言

隨著信息化時代的來臨以及初具規模的全球統一市場的逐漸形成，產品及技術交流日益頻繁，市場競爭日趨激烈，產品批量變小，技術含量增大，需求品種增多，生命周期變得越來越短。 傳統的產品開發模式已很難適應新的變化需求，建立快速的市場響應技術平臺已成為企業在市場競爭中立于不敗之地的重要法寶。 傳統模具制造過程復雜、周期長、成本高，已成為模具開發制造的瓶頸，因此，現代快速模具技術（RT）已成為當前模具制造業的熱點，并被廣泛的研究和應用[1]。

RT 技術是在RP 技術基礎上發展起來的一種新型模具制造技術，它可大大減少模具的生產成本和制造周期。 基于RP 的快速模具制造一般有直接法和間接法兩種。 直接制模法是將模具CAD 的結果由RP 技術直接制造成型模具。 這種方法不需要RP 原型作樣件，也不依賴傳統的模具制造工藝，對金屬模具的制造尤其快捷，是一種有開發前景的快速模具制造方法，因此受到國內外學者的高度重視[2]。 由于制造出的模具具有一定的耐高溫和較好的機械強度和穩定性，故用RP技術直接制造的模具經表面處理后可直接用于生產中。 常用的直接制模法主要有選擇性激光燒結法（SLS）、激光生成法（LG）、等離子電弧熔積法（PDM）和三維打印法（3DP）等方法。

1 RP 技術及STL 文件

RP 技術是一種集精密機械、計算機、數控、激光、新材料于一體的高新技術， 它通過材料累加法從零件的三維CAD 幾何模型數據來制造其物理實體模型， 其制作樣件的方法與傳統的去除加工方法明顯不同[3]。 RP 技術的原理是先將CAD 生成的三維實體模型通過分層軟件分成許多細小薄層，每個薄層斷面的二維數據用于驅動控制數控系統，然后對選擇的成型材料進行處理，使其固化，以逐層固化的薄層累積成所設計的實體原型。 它是一種真正意義上的數字加工， 其最大的特點就是成型過程基本不受模型復雜程度的限制。

從上述過程可以看出，在RP/RT 軟件系統中，分層處理模塊處于核心地位，分層處理的結果將直接決定后續成型制造的質量。 目前分層處理普遍采用STL 格式的數據模型作為CAD 幾何模型與成型機所需數據轉換的接口[3]。

STL 是三維實體模型文件經過三角化處理后得到的模型文件。STL 文件中每個三角形面片有四個數據項表示，即三角形的三個頂點坐標和三角形面片的外法線矢量，STL 文件即為多個三角形面片的集合。

由于硬件以及算法的原因，STL 數據模型存在以下一些不足[4][5]：①用小三角平面片近似實體表面明顯降低了精度；②STL 數據模型包含著一系列單個的三角平面片信息， 而對于三角平面片之間的鄰接關系，則沒有表達，從而使得這種表達具有二義性；③通常為提高逼近精度采用更多的三角平面片近似表面，則會使STL 數據模型的容量變大，并且數據冗余量增大；④為提高精度當用多個三角平面片近似時，由于有限運算精度的約束和轉換精度的限制， 很有可能出現一個頂點分離或幾個頂點的情況；⑤表面模型通常不是封閉的，以此轉化成的STL 數據模型存在著裂縫、 空洞、 重疊表面等問題。 這些缺陷會嚴重影響后續切片時正確的截面輪廓數據，致使快速成型過程不能正常進行。

基于上述原因，在進行分層處理之前實現STL 文件的缺陷檢查并修復就顯得相當重要。

2 RT 軟件系統的總體處理流程

為了保證分層處理的正確性，在設計軟件系統時，采用了數據文件兩級糾錯處理技術，即STL 文件3 維層次上的糾錯和2 維切片輪廓層次上的修復，整個軟件系統采用多線程技術，處理流程如下：

a.從磁盤上讀取STL 文件進入內存；

b.對內存緩沖區中的STL 文件數據進行整理；

c.將每個三角形片面的三個法相分量和三個頂點的九個分量存入預設結構中；

d.啟動顯示STL 實體的例程。 并等待用戶觸發數據處理消息；

e.一旦觸發數據處理消息，就建立數據處理線程；

f.在上步發回結束消息后，等待用戶觸發缺陷檢查或者分層消息；

g.缺陷檢查后顯示實體的一些具體信息，進行3 維層次修復，等待用戶觸發分層消息；

h.用戶觸發分層處理后，進入分層參數設置，然后啟動分層線程；存儲分層數據；

i.層片堆積仿真，修復2 維切片輪廓存在的錯誤；

j.掃描線計算，生成CLI 文件。

在分層處理之前進行的STL 文件缺陷檢查和修復主要包括兩部分工作：

1）冗余點去除；冗余點去除是將STL 模型中所有相同的頂點和由于計算誤差而造成的距離很近的分離點，合并成一個無重復點的點表。 這樣可明顯地減少STL 模型中的數據冗余量，并將小于圓整誤差的三角形面片去掉。 對冗余點去除過程中出現的畸變需根據STL 模型的法則進行處理，使之符合STL 模型的規則。 為便于對頂點的操作，采用在頂點合并的同時，對頂點進行排序的方法。 為了提高檢索效率，排序采用快速排序。

2）鄰邊三角形拓撲關系建立；STL 模型本身并不包含三角形面片排序之間的拓撲關系，這給后續的分層處理帶來極大的困難。 在數據處理過程中，存儲的三角形面片不僅包含定義它的三個頂點和法相矢量信息，而且還包含相應的三個相鄰面和三條公共邊的信息。 這些相鄰面和公共邊的信息可以確定三角形之間的拓撲關系。 由于每個三角形面片包括三條邊，每條邊被兩個三角形面片所共有。 如果某個三角形面片的鄰邊三角形不足三個，則認定此處存在缺陷，讀取有關輪廓線，進行三角形劃分，修復缺陷。

3 RT 軟件系統的分層處理

在分層處理過程中， 首先根據分層方向將三角形排序，然后獲取與分層平面相交的三角形映射集合，當集合中三角形都與分層平面作過求交運算后， 即認為該次分層結束，具體流程圖如圖1 所示。

圖1 分層處理流程圖

分層處理的關鍵在于如何獲得切點順序相連的封閉輪廓線，其實質是鄰接三角形的查找。 在分層平面與三角形作求交運算的過程中，主要有如圖2 所示的三種情況，其中H為分層平面，A 為幾個三角形的公共頂點，對于情況（a），三角形1、2、3 進入映射集合，直接通過鄰邊三角形拓撲關系依次計算三角形3、2、1 與H 平面的交點；對于情況（b），分層平面H 通過三角形3、4 的公共邊以及三角形2、5 的公共點，這種情況下，根據約定，只有三角形3、1 進入映射集合，作求交運算時，根據“共頂點A”這一原則找到三角形1，繼續進行運算；對于情況（c），分層平面H 通過三角形3、1 的公共點A，此時仍舊按照“共頂點A”這一原則找到三角形1，繼續進行運算。

圖2 分層平面與三角形相交示意圖

4 STEP 文件直接切片分層

由于STL 文件是三維實體模型文件經過三角化處理后得到的模型文件，其本身不可避免的存在著精度誤差，因此能否實現直接切片分層已經成為RP/RT 領域中的一個重要課題。

STEP （產品模型數據交換標準）協議是國際標準化組織(ISO) 確定的一套關于產品整個生命周期中的產品數據的表達和交換的國際標準，其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述整個生命周期中的產品數據。 STEP 通用性強，獨立于軟硬件環境之外，文件大小也比較適宜，因此實現STEP 文件直接切片分層無疑具有最廣泛的適用性。

在STEP 中產品模型信息分為應用層、 邏輯層和物理層三層結構，按照其功能和作用被分為集成資源、描述方法、應用協議、實現方法和一致性測試這五個部分。 產品數據的這種描述，本質上不僅適合于中性文件交換，而且是實現和共享產品數據庫及產品數據的長期存檔的基礎。 正因STEP 標準的普適性，對于RP 系統來說就顯得過于求全，必然存在著冗余信息，需要開發必要的算法和解釋器才能將有用數據轉換到RP 系統中。

通過對STEP 標準的仔細分析， 我們認為基于STEP 標準的CAD 模型直接分層處理技術的關鍵是：對STEP 中性物理文件的讀入和分析并正確獲取STEP 標準的CAD 模型的幾何拓撲信息， 利用形成的幾何數據模型完成對CAD 模型的分層處理即各幾何元素與分層面的求交處理， 生成RP 的二維層片加工數據。 其中，正確獲取STEP 標準的CAD 模型的幾何拓撲信息將是工作的主要難點。

5 結論

本文作者采用Visual C++6.0 和OpenGL 進行程序開發，在Windows 9X/NT/2000 系統環境下實現了上述算法，程序運行結果如圖3、圖4 所示。

圖3 零件三維實體顯示圖

圖4 一條分層輪廓線顯示圖

經過測試，與國內外同類產品相比，由于采用了面向對象和OpenGL 混合編程，并使用了多線程等技術，因此提供了良好的可視化環境， 對STL 文件獲得了優質的三維顯示效果。 采用數據文件兩級糾錯處理技術， STL 文件處理速度大大增加，界面使用更加友好，同時生成的CLI 文件錯誤率低，這對于開發高精度的、通用快速模具制造軟件系統是非常有價值的。

［1］谷諍巍，袁達，張人佶，顏永年.基于RP 原型的電弧噴涂快速模具制造技術研究[J].電加工與模具，2003（1）：50－52.

［2］孫琨，王伊卿，盧秉恒.基于RP 的快速金屬模具制造精度控制研究[J].中國機械工程，2002，13（1）：50－52.

［3］黃樹槐.快速原型制造技術的進展[J].中國機械工程，1997，8（5）：8－12.

［4］郭九生.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（1）：88－90.

［5］田宗軍.快速成形系統中STL 文件的缺陷與修復[J].電加工，1999，2：15－18.