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 來源:仿真在線

張唏孟立新來源:萬方數(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)字信息來源。

從快速成型的原理來看,技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)是如何獲得三維實(shí)體模型的計算機(jī)信息(即三維CAD模型)。尤其是對一些不規(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3D Systems公司于1988年開發(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。

三維CAD模型的建立autocad技術(shù)圖片1

三角網(wǎng)格模型就是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型,每一個小三角形用其三個頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個法向量來描述。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,用一個三角平面V1、V2、V3近某一曲面時,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描述和控制。當(dāng)誤差要求越小,曲面越不規(guī)則時,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,每個三角形平面用三角形的三個頂點(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)用來描述零件名、作者姓名和一些有關(guān)文件的評述;4個字節(jié)說明三角形平面的片數(shù)。接下來對每個三角形平面用50個字節(jié)來存儲三角形的法向量的石x、y、z值和三個頂點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)值,每個坐標(biāo)值占用4個字節(jié),共48字節(jié),最后2個字節(jié)沒有使用,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?因而會給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來困難。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)計方法進(jìn)行設(shè)計,使用Visual C++在Windows NT環(huán)境下設(shè)計了三個類,即點(diǎn)、邊和三角面,由這三個類產(chǎn)生三個對象,并建立相應(yīng)的對象鏈表。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:邊的第一個頂點(diǎn)號,該頂點(diǎn)號取其該點(diǎn)在點(diǎn)對象鏈表中的序號;第二端點(diǎn)號;擁有該邊的三角形面片號,此面片號取擁有該邊的三角形面片在三角形面對象鏈表中的序號;擁有該邊的另一三角形面片號;標(biāo)志項。

面類中的數(shù)據(jù)成員分別是:三角形三條邊的邊號,邊號取該邊在邊對象鏈表中的序號;三角形面片的法向量的三個坐標(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和端點(diǎn)號直接找到相應(yīng)的面和邊的端點(diǎn)。這樣就構(gòu)成了以點(diǎn)對象鏈表、邊對象鏈表、面對象鏈表為主線的網(wǎng)格型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式,為數(shù)據(jù)的檢測與修復(fù)提供了有序可靠的數(shù)據(jù)信息。

三維CAD模型的建立autocad技術(shù)圖片4

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,主要因為它有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)。

   (1)STL文件生成簡單,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表面的三角網(wǎng)格化生成STL文件。

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

   (4)當(dāng)成型的零件較大很難在成型機(jī)上一次成型時,由于STL文件數(shù)據(jù)較簡單,模型易于分割,這時可以將模型很容易地分割為多個部分分別制造,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)格來描述三維幾何形體簡單易行的同時,也帶來了很多的缺點(diǎn)。

(1)模型的近似性STL模型只是三維曲面的一個近似描述,與原型之間會產(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)格模型的每個三角形的每個頂點(diǎn)都分屬于不同的三角形,所以同樣的一個頂點(diǎn)在STL文件中重復(fù)存儲多次,如圖3所示。同時,由于三角形平面的法向量可以通過頂點(diǎn)坐標(biāo)得到,也是一個不必要的信息,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,經(jīng)過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,可能會造成較大的誤差。

   (5)STL文件信息的錯誤和缺陷在吼文件中還經(jīng)常會出現(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誤。

三維CAD模型的建立autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片5

   5 建立STL文件的規(guī)范要求

STL文件在建立過程中,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)原則每相鄰的兩個三角形只能共享兩個頂點(diǎn),如圖4所示,即一個三角形的頂點(diǎn)不能落在相鄰的任何一個三角形的邊上

   (2)取向原則每個網(wǎng)格中三角形平面的法向量,必須由內(nèi)部指向外部,三角形三個頂點(diǎn)排列的順序同法向量符合右手法則。每相鄰的兩個三角形所共有的兩個頂點(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關(guān)鍵環(huán)節(jié)。CAD造型軟件生成CAD模型后,必須經(jīng)過分層處理才能將數(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于快速成型制造來說是相當(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)處理時間少,以及模型沒有錯誤等優(yōu)點(diǎn)。但在分層中其難以對模型自動加支撐,同時需要復(fù)雜的CAD軟件環(huán)境,因而對其應(yīng)用帶來了許多不利。基于三角網(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)格模型對三維CAD模型進(jìn)行分層計算時,形成的sTL文件是三角形面片信息的集合。對于這些信息集合可以通過基于拓?fù)湫畔⒌姆謱铀惴?、基于三角面片的位置信息的分層算法或三角面片求交點(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

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,雖然會產(chǎn)生上述的一些信息缺陷,但可以通過一些較易實(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。