面向快速成形与制造的模型直接切片软件研究与开发

论文摘要

快速成形技术(Rapid Prototyping, RP)有效的缩短了产品开发周期,降低了开发风险,提高了产品的市场竞争力,从而得到了广泛的应用。快速成形技术通过逐层堆积实体材料构成三维模型,因此需要获取模型的层片数据以控制快速成形设备加工所需的实体零件。面向快速成形的计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)软件用于处理通用的几何造型软件所生成的CAD(Computer Aided Design)模型数据,完成模型的分层切片和层片内路径规划。基于STL的模型分层切片方法采用STL格式文件与通用的几何造型软件进行数据交换,由于STL格式具有数据结构简单、跨平台性好等优点,因此得到了广泛的应用。然而STL格式存在数据冗余、几何精度低、容易产生错误等缺点,给实际应用带来了诸多不便。针对STL格式所存在的问题,模型直接切片方法不再使用STL格式数据,而是直接对参数化的三维模型进行分层切片,提取并连接交线构成层片轮廓。目前的模型直接切片方法主要可以分为两大类:一类是在CAD软件中进行二次开发的方法,另一类是自主开发的方法。在CAD软件中进行二次开发的方法通过利用CAD软件提供的应用程序编程接口调用相关函数进行求交计算,其优点在于无需自行开发求交算法,提高了程序开发效率和稳定性,但是这种方法依赖于特定的CAD软件,无法独立运行于软件外部,灵活性有所不足。自主开发的方法自行开发算法,不依赖于任何软件,具有很好的独立性和灵活性,然而这种方法的开发难度和工作量都很大。该论文采用模型直接切片方法进行模型分层切片,以克服基于STL的模型分层切片方法的缺陷;为了使该方法具有很好的独立性和灵活性,利用IGES和STEP203这两种数据结构开放的文件格式与通用的几何造型软件之间进行数据交换;为了降低开发难度和工作量,提高程序开发效率和稳定性,引入Open CASCADE几何造型内核并利用该内核中的相关工具执行求交计算。基于该方法开发面向快速成形的模型直接切片软件导入通用几何造型软件生成的IGES格式和STEP203格式数据文件,进行模型分层切片和层片内扫描路径规划操作,最终生成快速成形设备所能识别的数据文件用于控制零件加工过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源和研究背景
• 1.2 课题的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文主要研究内容的提出
• 2 CAD 数据文件的导入和模型显示
• 2.1 引言
• 2.2 IGES 数据交换标准
• 2.3 STEP 数据交换标准
• 2.4 Open CASCADE 几何内核
• 2.5 CAD 数据文件的读入和模型显示
• 2.6 本章小结
• 3 CAD 模型直接切片和层片轮廓表示
• 3.1 引言
• 3.2 CAD 模型直接切片
• 3.3 直接切片与STL 模型切片对比分析
• 3.4 层片轮廓表示
• 3.5 离散加工点向量信息计算
• 3.6 本章小结
• 4 面向快速成形的模型直接切片软件系统
• 4.1 引言
• 4.2 系统分析
• 4.3 系统设计
• 4.4 直接切片算例
• 4.5 本章小结
• 5 层片内路径规划算法与实现
• 5.1 引言
• 5.2 扫描填充线的生成
• 5.3 层片内路径规划和加工代码生成
• 5.4 基于分层切片的模型体素化与FGM 建模软件数据接口设计
• 5.5 路径规划算例
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 （攻读学位期间发表论文目录）