基于CAD系统的快速成形层片轮廓扫描数据的直接提取

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第3O卷第2期 2012年6月 江苏师范大学学报(自然科学版) 

Journal of Jiangsu Normal University(Natural Science Edition) Vo1.30,No.2 Jun.,2012 

基于CAD系统的快速成形层片 轮廓扫描数据的直接提取 

王卫辰 ,顾海霞 (1.江苏师范大学机电工程学院,江苏徐州221116;2.江苏师范大学现代教育技术中心,江苏徐州221116) 摘要:为避免快速成形中采用CAD模型的转换模型造成层片轮廓扫描数据精度损失,研究了在CAD系统内部直 接提取层片轮廓扫描数据的方法.分析了层片理论轮廓扫描边界中高次曲线的离散方式,定义了层片轮廓扫描面 积偏差的概念,建立了CAD模型直接分层截面轮廓边界离散模型,实现了在CAD系统内部直接提取层片轮廓扫 描数据,并在聚苯乙烯泡沫材料成形机上进行了试验.结果表明,CAD系统和快速成形系统之间可以避开三维 CAD模型的STL转换等近似处理环节,从而获取高品质的轮廓扫描加工数据. 关键词:快速成形;CAD系统;轮廓扫描数据;直接提取 中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:2095—4298(2012)02—0044—04 

Direct extraction of contour scanning data of rapid prototyping layer within CAD system 

Wang Weichen ,Gu Haixia。 (1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,Jiangsu,China; 2.Modern Educational Technology Center,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,Jiangsu。China) 

Abstract:In order to avoid the precision decrement caused by the approximate conversion of CAD model in rapid prototyping(RP),the method for extracting the contour scanning data of RP layer within CAD system was re— searched.The modes of scattering the complex curves of contour boundaries for RP layer were analysed,and the scattering deviation of that was defined.Based 0n which,the model of scattering the section boundaries of CAD model was established,and the contour scanning data of layer was directly obtained within CAD system.Finally, tests were conducted on a polystyrene foam cutter with example of layer generation.Tests show that the approxi— mate processing to CAD model can be avoided during data transfer between CAD and RP,and the RP machine can be driven and controlled directly within CAD system. Key words:rapid prototyping;CAD system;contour scanning datum;direct extraction 

目前,在快速成形领域广泛采用STL文件作为成形设备的输人数据接口[I--23.STL文件是原始设计模 型的近似几何表达,基于STL模型的分层结果实质上是一系列折线多边形.为适应该特性,成形设备在加工 物理层片时均采用直线段插补的方式.三维CAD模型是原始设计模型的精确表示,基于CAD模型分层结 果提取的加工数据相应地具有较高的几何品质口],而三维CAD模型直接分层所得到的截面轮廓边界由直 线段、圆弧、椭圆弧及NURBS曲线段等图形元素组成.为了在CAD系统内部直接驱动和控制快速成形设 备,从而提高数据处理精度和成形加工质量,需要在CAD模型直接分层的截面轮廓上提取出驱动成形设备 进行层片扫描加工的运动数据.本文以聚苯乙烯泡沫材料成形机为实验平台,研究成形加工时层片轮廓扫描 数据在CAD系统内部的直接提取方法.该过程的几何本质是将层片理论轮廓扫描边界中的高次曲线段用 

一次曲线段逼近.其实现方法是:首先按一定规则在高次曲线段上提取一系列离散点,然后根据这些离散点 生成对应层片的折线轮廓扫描路径. 

收稿Et期:2012—02—28 基金项目:江苏省高校自然科学基金资助项目(09KJD460005),徐州师范大学自然科学基金资助项目(11XLR18) 作者简介:王卫辰,男,讲师,博士,主要从事数字化设计一制造一体化的研究,Email:wvchen0516@126.com;顾海霞,女,讲师. 引文格式:王卫辰,顾海霞.基于CAD系统的快速成形层片轮廓扫描数据的直接提取.江苏师范大学学报:自然科学版,2012,30(2):44— 47. Wang Weichen,Gu Haixia.Direct extraction of contour scanning data of rapid prototyping layer within CAD system.J Jiangsu Norm Univ: Nat Sci Ed。2012,3O(2):44—47. 第2期 王卫辰,等:基于CAD系统的快速成形层片轮廓扫描数据的直接提取 45 1 层片理论轮廓扫描边界曲线的离散方式 层片轮廓扫描边界曲线最简单的离散方式是按预定规则将离散点直接取在边界曲线段上.根据所采用 的离散步长,离散方法可分为两种:等步长离散和变步长离散. 1.1等步长离散 该方法在对层片的理论轮廓扫描曲线作离散处理时,采用相等的离散步长,见图1 a).等步长离散方法 实现简单,但结果会使实际轮廓扫描路径与理论轮廓扫描路径之间产生较大的偏差;若离散步长取值较小, 则生成的数据点较多,数据处理计算量增加,并且影响加工效率;若离散步长取值较大,虽然生成的数据点较 少,但离散结果极有可能漏掉轮廓扫描曲线上的某些精细特征,影响最终生成的物理层片形状与尺寸精度. 

a)等步长离散 b)变步长离散 图1 层片轮廓扫描边界曲线的离散方式 Fig.1 Scattering modes of contour scanning curves for layer 

1.2变步长离散 对层片轮廓扫描边界曲线作变步长离散时,需依据其几何特点适应性地改变离散步长,如图1 b)所示. 变步长离散实现方法较为繁琐,但离散结果能使层片的实际轮廓扫描路径较好地逼近理论轮廓扫描路径,从 而提高层片轮廓的扫描精度,并且能够较好地平衡层片的扫描精度和扫描效率. 

2层片轮廓扫描面积偏差定义 为便于分析层片轮廓扫描边界曲线不同离散方式引起的离散偏差大小,现定义层片轮廓扫描面积偏差 (即层片的理论轮廓扫描路径与实际折线轮廓扫描路径之间微片面积的均值)AS为 1一 △S= >:S , (1) 

72 一 

式中s 为层片理论轮廓扫描路径与实际轮廓扫描路径中第i段微直线段围成的微片面积,见图1 a), 为 

层片理论轮廓扫描路径中曲线段部分的分段数.由于直线段部分不产生离散偏差,故 中只需考虑曲线段 部分的分段数. 由定义可知,△s越小,层片实际折线轮廓扫描路径与理论轮廓扫描路径间的逼近程度越高. 

3 层片理论轮廓扫描边界曲线的变步长离散 3.1离散步长的确定 设层片轮廓扫描曲线在离散点P 处的曲率半径为.0 ,则 轮廓扫描曲线在点P。邻近的微分结构可用其密切圆在该点附 近的一段圆弧来近似表示_4 ],如图2所示.图中 为轮廓扫 描路径离散偏差对实际轮廓扫描影响的局部控制指标,对大多 数离散点(指该点处离散步长为最大允许步长或适应性步长) 形成的微线段而言, 表现为允许的最大弦高误差. 由图2,导出点P 处适应性离散步长d的计算公式为 d一2 . (2) 设离散步长的最大、最小允许值分别为d 、d…,可推导出适 应性离散步长d与轮廓扫描曲线几何特征间的映射关系如下: 1 Q 1)当 ≤ 轰时,离散步长d= …; 

0 图2层片轮廓扫描曲线离散步长的计算 Fig.2 Determination of the step size in scattering contour scanning curve of layer 江苏师范大学学报(自然科学版) 第3O卷 2)当 ≥ 时,离散步长 —d ; pc 0cTamin 

3)当 耋邕 < < 害邕 时,离散步长d根据式(2)确定. 

3.2层片轮廓扫描曲线变步长离散的实现 根据上述层片理论轮廓扫描曲线的适应性离散方法,我们开发了层片轮廓扫描曲线变步长离散程序模 块,其基本步骤为: step 1将层片的轮廓扫描边界分解,形成一个由基本图形元素组成的曲线组,结果存放在一动态曲线 段数组中.按曲线段成员首尾相接的拓扑关系,重新排列各曲线段成员在数组中的存放次序. step 2定义一个点对象动态数组,用来存放轮廓扫描曲线的离散结果.将曲线段数组中第1个成员置 为当前处理对象. step 3将当前对象的起点加到离散点列中.若当前对象为直线段,转step 6;若为曲线段,则在当前对 

象上沿离散方向取一距其起点极近的点(如图2中的P ),计算当前对象在点P 处的曲率 ,转step 4. step 4用3.1中方法计算当前曲线段在点P 处的适应性离散步长d ,求出当前曲线段下一理论离散 点P .若点P 计算失败,转step 6;否则将点P 加入离散点列,令P —P ,转step 5. 

step 5计算当前曲线段在点P 处的曲率 ,转step 4. P step 6若当前曲线段不是曲线段数组中最后一个成员,则将曲线段数组中下一成员置为当前对象,转