STL模型分層算法的優(yōu)化及應(yīng)用

1、Machinery Design &Manufacture機械設(shè)計與制造第3期2013年3月STL 模型分層算法的優(yōu)化及應(yīng)用王春香,李振華(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014010來稿日期:2012-05-15基金項目:內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2011MS0701作者簡介:王春香,(1962-,女,內(nèi)蒙古包頭人,教授,碩士,主要研究方向:優(yōu)化方法及逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用等研究1引言STL 文件格式被大多數(shù)快速成型機所接受,當(dāng)前被視為快速成型系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如何合理得實現(xiàn)STL 文件模型分層切片是快速成型制造中關(guān)鍵的一環(huán)。分層切片的目的就是將復(fù)雜的三維模型轉(zhuǎn)換為簡單的二維層片,通過

2、切片處理將計算機中的三維幾何模型用輪廓線來表示。輪廓線表示了分層切片的邊界,由分層平面與STL 文件模型的交線段順序連接獲得封閉的環(huán)路組成。通過對現(xiàn)有的快速成型分層處理方法深入研究分析,提出了基于面片分組排序分層制造同步運行的高效分層算法。2STL 文件模型現(xiàn)有切片分層算法概述STL 分層切片算法常用的方法是1-8:通過分析切平面與三角形網(wǎng)格之間的位置關(guān)系,若相交則求出交線段。求出該切平面與STL 網(wǎng)格模型所有的交線段后,將該分層面的所有交線段有序地連接起來,從而獲得該分層切片面的輪廓線,交線段的有序排列是一個很費時的過程。這種計算方式在獲得輪廓線時,必須要遍歷所有的三角形網(wǎng)格面片,可能大部分

3、面片都不與切平面相交,這樣就造成數(shù)據(jù)處理效率低并且運算量大。為了提高分層效率,國內(nèi)外學(xué)者都在進(jìn)行研究,提出了一些改進(jìn)分層切片算法。首先就是對STL 文件模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后再進(jìn)行分層切片。其中主要的切片分層算法可分為以下三類:基于幾何拓?fù)湫畔⒌姆謱忧衅惴?、基于三角形面片位置信息的分層切片算法、基于STL 網(wǎng)格模型幾何連續(xù)性的分層切片算法。2.1基于幾何拓?fù)湫畔⒌姆謱忧衅惴ㄒ驗镾TL 文件數(shù)據(jù)中沒有模型的幾何拓?fù)湫畔?所以針對幾何拓?fù)湫畔⒌姆謱忧衅惴ㄊ紫纫⒛Ｐ偷膸缀瓮負(fù)湫畔?通過三角形面片的點、線和面用鏈表的形式或者是平衡二叉樹的形式來建立STL 網(wǎng)格模型的整體拓?fù)湫畔?通過拓?fù)湫?/p>

4、息迅速找到相鄰的三角形面片,進(jìn)行切片處理。建立的拓?fù)湫畔⒁笤谝阎骋粋€三角形網(wǎng)格的情況下,能夠直接查找出構(gòu)成該三角形網(wǎng)格的三條邊和三個頂點,然后通過該三角形網(wǎng)格邊的拓?fù)湫畔⑺饕脚c之相連的三角形網(wǎng)格?；趲缀瓮?fù)湫畔⒌姆謱忧衅惴ǖ幕具^程為:首先根據(jù)分層切片截面的高度,確定一個與之相交的三角形網(wǎng)格面片,計算出交點坐標(biāo),然后根據(jù)前面建立的拓?fù)湫畔?查找下一個相交的三角形網(wǎng)格面片,求出交點,依次查找進(jìn)行下去,直到回到初始點,依次連接交線段,最終得到該切片層面完整的輪廓線。算法的優(yōu)點在于:利用拓?fù)湫畔⒔⒌乃惴?能夠使切平面摘要:STL 文件模型的分層是快速成型系統(tǒng)前處理的一個重要環(huán)節(jié),為了提高

5、分層效率,提出了一種分層優(yōu)化算法:根據(jù)三角形網(wǎng)格面片的Z 軸坐標(biāo)值從小到大進(jìn)行分組排序,然后對這些三角形網(wǎng)格面片進(jìn)行求交線段,依次輸出截面輪廓線和數(shù)據(jù)。算法無需建立三角形網(wǎng)格之間的拓?fù)潢P(guān)系和交線段進(jìn)行連接關(guān)系的處理,節(jié)約了時間,提高了分層效率。通過反求工程獲得的兩種不同型號的斗齒模型進(jìn)行分層分析,驗證了該算法的實用性和高效性。關(guān)鍵詞:STL 模型;分層處理;分組排序中圖分類號:TH16;TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3997(201303-0087-04The Optimization and Application of the STL Model Layer Algorith

6、mWANG Chun-xiang ,LI Zhen-hua(College of Mechanical Engineering Inner Mongolia University of Science &Technology ,Inner Mongolia Baotou 014010,China Abstract :STL files model of the stratification is an important link of rapid prototyping systems.In order to improve the efficiency of layered ,it put

7、s forward a layered optimization algorithm:according to the triangle mesh generation of the Z axis coordinates packet sequencing from small to large ,it gets the line intersection on these triangular mesh ,and output section contour line and data in turn.This algorithm can not only save time ,but al

8、so improve the layered efficiency ,because it is not necessary to establish the triangle mesh topology relation between the connection relationship and delivery line of processing.Through stratified analysis of the two different types of dipper teeth model obtained by reverse engineering ,the practi

9、cality and high efficiency of the proposed algorithm is verified.Key Words :STL Model ;Slicing ;Packet Sequencing87和STL文件模型所得的交點集合是有序的,不需要對所得交線段進(jìn)行重新排序,可直接獲得首尾相接的輪廓線,簡化了獲得切片輪廓的過程。該算法的局限性在于:建立STL文件數(shù)據(jù)拓?fù)湫畔⑾喈?dāng)費時,占用內(nèi)存大,尤其是三角形網(wǎng)格面片比較多的情況下,分層效率明顯下降。2.2基于三角形面片位置信息的分層切片算法基于三角形面片位置信息的分層切片算法無需對STL文件模型進(jìn)行整體幾何拓?fù)湫畔⒌慕?/p>

10、立提取,該類算法考慮了三角形網(wǎng)格面片在切片過程中的兩個特征:(1三角形網(wǎng)格面片在分層方向上跨距越大,則與之相交的切平面越多;(2按Z坐標(biāo)軸方向切,三角形網(wǎng)格面片的Z min距初始切平面越遠(yuǎn),求得切片輪廓線時越靠后。充分利用這兩個特征,以減少切片過程中對三角形網(wǎng)格面片與切平面位置關(guān)系的判斷次數(shù),最終達(dá)到快速分層的目的。基于三角形面片位置信息的分層切片算法的基本過程為:首先沿著Z軸切片方向,將三角形網(wǎng)格面片按照Z坐標(biāo)值的大小進(jìn)行分類排序,對于不同的三角形網(wǎng)格面片,Z min值小的三角形網(wǎng)格面片排在前面,當(dāng)Z min值相同時,對三角形面片的Z max值進(jìn)行比較,小的排在前面。其次在分層過程中,對三角

11、形網(wǎng)格面片進(jìn)行相交關(guān)系判斷時,如果分層高度Z坐標(biāo)值小于某一類三角形網(wǎng)格面片Z min時,則不用對其進(jìn)行相交關(guān)系的判斷;同理如果分層高度Z坐標(biāo)值大于某一類三角形網(wǎng)格面片Z max時,對排在該類面片以前的網(wǎng)格面片也不需要進(jìn)行相交關(guān)系的判斷。最后再對分層截面穿過的所有三角形網(wǎng)格面片進(jìn)行相交計算,求出交線后,將交線段按照順序連接,生成該切片層面的截面輪廓線。算法的優(yōu)點在于:根據(jù)STL文件模型三角形網(wǎng)格面片的幾何特征,對三角形網(wǎng)格面片進(jìn)行分類排序,使之在切片處理過程中減少了分層處理中三角形網(wǎng)格面片與切平面位置關(guān)系的判斷,提高了分層處理速度。該算法的局限性在于:(1分類排序過程中類的劃分比較模糊,不能夠杜

12、絕三角形網(wǎng)格面片與切平面位置關(guān)系的無效判斷;(2切平面與三角形網(wǎng)格面片相交計算時,要進(jìn)行兩次求交線段計算;(3所得交線段是無序的,必須對所得交線段進(jìn)行連接關(guān)系的處理,形成有向的閉合截面輪廓線。2.3基于STL網(wǎng)格模型幾何連續(xù)性的分層切片算法基于STL網(wǎng)格模型幾何連續(xù)性的分層切片算法是對以上兩種算法進(jìn)行改進(jìn),以提高三角形網(wǎng)格面片的搜索效率。STL網(wǎng)格模型在分層方向上具有三個方面的連續(xù)性:(1與切平面相交的三角形網(wǎng)格面片連續(xù)性;(2與切平面相交的三角形網(wǎng)格面片集合的連續(xù)性;(3所得截面輪廓線的連續(xù)性?；赟TL網(wǎng)格模型幾何連續(xù)性的分層切片算法的基本過程為:首先是將三角形網(wǎng)格面片建立面片集合,然后在

13、分層處理過程中,動態(tài)的形成與當(dāng)前分層平面相交的三角形網(wǎng)格面片表,當(dāng)切平面移動到下一層時,先分析動態(tài)的面片表,將不相交的網(wǎng)格面片刪除,同時將與該切平面相交的新的三角形網(wǎng)格面片加入到動態(tài)面片表中,建立局部三角形網(wǎng)格面片的拓?fù)湫畔?進(jìn)行求交線段運算,獲得截面輪廓線,直到分層結(jié)束。類算法的優(yōu)點在于:通過對不同的切平面建立動態(tài)面片表,降低了內(nèi)存使用量,減少了拓?fù)湫畔⑺璧臅r間提高了分層處理效率。該類算法的局限性在于:在動態(tài)面片表中增減三角形網(wǎng)格面片,建立拓?fù)潢P(guān)系仍舊是一個比較耗時的工作。3改進(jìn)的STL模型分層算法分層算法必須能夠滿足分層速度的要求,這是加工工藝所要求的。下一切片層數(shù)據(jù),是在前一分層切片被

14、加工完畢后計算出來,且整個系統(tǒng)在工作時要求是全自動的,因此在每個加工環(huán)節(jié)都必須要有較高的可靠性,同時也必須有一個速度快的切片軟件。通過分層切片獲得層面輪廓線數(shù)據(jù),然后根據(jù)快速成型的加工方式,生成掃描路徑,控制快速成型系統(tǒng)完成加工。通過對現(xiàn)有的STL文件模型分層處理算法和過程進(jìn)行整理分析可以得出,影響STL網(wǎng)格模型分層處理效率的因素主要有三個:(1切平面與三角形網(wǎng)格面片位置關(guān)系的判斷;(2切平面與三角形網(wǎng)格面片交線段的計算;(3截面輪廓線的輸出。通過對前面所描述的不同分層算法進(jìn)行分析,吸收其各自的優(yōu)點,提出先排序,后求交。然后逐層輸出輪廓線,將數(shù)據(jù)以CLI格式(ASCII輸出,同時輸入快速成型機

15、中。這樣就可以保證在進(jìn)行分層切片的數(shù)據(jù)處理的同時進(jìn)行快速制造,并最終生成整體分層截面圖。3.1三角形面片排序根據(jù)基于三角形面片位置信息的分層切片算法和基于STL 網(wǎng)格模型幾何連續(xù)性的分層切片算法可以得出STL網(wǎng)格模型有兩個特征:(1根據(jù)每個三角形網(wǎng)格面片沿著分層方向最低點和最高點的位置不同,位置低的首先被切到,位置高的后被切到;跨距不同,使得該三角形網(wǎng)格面片與切平面相交的次數(shù)也不同,跨距越大分層切片次數(shù)越多;(2由于三角形面片是連續(xù)的,因此與相鄰的兩個切片分層面相交的三角形網(wǎng)格面片的集合變化不大。為了減少三角形面片與分層切片平面位置關(guān)系的判斷次數(shù),將三角形面片沿著分層方向按照坐標(biāo)值進(jìn)行分組。如

16、果有N個切平面,則將三角形網(wǎng)格面片分成N組。將與同一切平面相交的三角形網(wǎng)格面片放在同一組中,保證在進(jìn)行某一切片分層時,只與該切片相交的三角形網(wǎng)格面片參與求交線段運算,進(jìn)而減少了三角形網(wǎng)格面片與切平面位置關(guān)系的判斷,提高了分層效率。3.2三角形面片求交線段在進(jìn)行分層切片求交線段的問題上運用MATLAB語言中的Trioutline函數(shù)來計算空間三角形網(wǎng)格面片與切平面的交線段,進(jìn)行運算時無需建立三角形網(wǎng)格面片之間的拓?fù)潢P(guān)系,加快第3期王春香等:STL模型分層算法的優(yōu)化及應(yīng)用88分層處理速度。求得交線段后直接輸出輪廓線,不用對交線段進(jìn)行連接關(guān)系的處理,就可以獲得封閉的截面輪廓線,節(jié)省了在生成輪廓線時對

17、交線段進(jìn)行排序所需時間,進(jìn)而提高了分層處理效率。獲得單層截面輪廓線和數(shù)據(jù)后,直接輸入到快速成型系統(tǒng)中,進(jìn)行快速制造,與傳統(tǒng)的先分層后制造有明顯的區(qū)別。保證在制造過程中,進(jìn)行分層切片處理,達(dá)到同步效果,節(jié)約了整體制造時間,進(jìn)而提高了快速成型效率。流程框圖,如圖1所示。開始讀去STL 文件繪制三維圖形判斷分層方向讀取STL 三角網(wǎng)格數(shù)據(jù),設(shè)置切片參數(shù)三角形網(wǎng)格面片排序分組求切平面與三角形網(wǎng)格面處的交線段輸出截面輪廓張和數(shù)據(jù),同時輸入到快速成型系統(tǒng)中Z=Z+Z輸出分層圖形和快速成型樣件結(jié)束ZZ maxY圖1分層算法流程框圖Fig.1Layered Algorithm Flow Diagram4實例分

18、析通過三維造型軟件或反求工程獲得的STL 文件模型,STL 文件三維模型以文本文件(ASCII 形式輸出。文中的分層是在Windows7系統(tǒng)裝有MATLAB7.10編程語言的ThinkPad SL400(處理器CPU:Intel (R Core (TM 2;安裝內(nèi)存RAM :3G 環(huán)境下實現(xiàn)的。雖然快速成型方法都是通過“分層制造、逐層疊加”的制造思想實現(xiàn)的,對于同一零件無論那種擺放方式,選取任一方向疊加都可以最終得到零件的樣模。但是不同的擺放方式,零件的高度不同,分層數(shù)也會不同,切片分層后所獲得截面輪廓線的形狀和面積也不相同,從而影響快速成型的總層數(shù)和分層時間。成型方向除了與成型效率和制造成本

19、相關(guān)外,還影響成型件的精度。成型件是“分層制造,逐層疊加”,因此在成型制造中容易造成臺階效應(yīng),選擇合適的分層方向可降低臺階效應(yīng)的影響,提高成型件的精度。下面以兩種不同型號的斗齒為例來驗證算法的實用性和高效性。斗齒1是由三維掃描獲得點云轉(zhuǎn)換得出的STL 文件模型,斗齒2是由三維造型轉(zhuǎn)換得出的STL 模型。斗齒1點云模型尺寸大小為(97.64222.0089.69mm ,轉(zhuǎn)換為STL 文件格式后有101462個三角形面片,50727個頂點;斗齒2三維模型尺寸為150.00*435.74*187.71mm ,通過Pro/E 轉(zhuǎn)換成STL 文件格式后有三角形面片數(shù)974個,頂點數(shù)485個。根據(jù)實際應(yīng)用

20、,可以將分層厚度自定(一般為(0.010.5mm 之間,為了更清晰的看到分層效果文中選擇的分層厚度為4mm ,通過對斗齒1的STL 文件模型直接分層處理,獲得分層輪廓和切片數(shù)據(jù)文件。斗齒1的STL 模型直接分層后所得整體輪廓,如圖2所示。(a 40200-2050-50-100-150-40-2002040(b 圖2斗齒1原始數(shù)據(jù)模型及分層切片F(xiàn)ig.2Bucket Tooth1Original Data Model and Slicing由于斗齒1模型通過三維掃描數(shù)據(jù)所得,按照原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分層除了容易造成階梯誤差外,在制作過程中的支撐結(jié)構(gòu)也易添加。因此在文中程序中添加了模型坐標(biāo)變換功能,用來

21、選擇合理的制作方向。斗齒1的STL 文件模型坐標(biāo)變換后整體分層,如圖3所示。部分切片輪廓,如圖4所示。(a 40200-20-4050-50-100-150-40-2002040(b 圖3斗齒1坐標(biāo)變換后及分層切片F(xiàn)ig.3Bucket Teeth 1Coordinate Transformation Model and Slicing機械設(shè)計與制造No.3M ar.201389Y =-40.4302Y =-16.4302第3層切片輪廓線-50050第9層切片輪廓線-50050圖4斗齒切片層面輪廓Fig.4Bucket Tooth Slice Level Contour斗齒2的三維模型及按分層

22、厚度為0.3mm 的整體分層,如圖5所示。部分切片輪廓,如圖6所示。(a 500-50-50-100-200-100100200(b 圖5斗齒2三維模型及分層切片F(xiàn)ig.5Bucket Tooth 23D Model and SlicingY=63.6Y=47.7Y=0Y=24.9100500-50-100-150-200500-50-100-150-200-150-100-5050100150-150-100-5050100150200-150-100-5050100150200-150-100-5050100150200500-50-100-150500-50-100-150圖6斗齒2部分

23、切片輪廓Fig.6The Part of the Slice Profile of Bucket Tooth 25結(jié)論通過對現(xiàn)有的STL 模型分層算法進(jìn)行分析和研究,在考慮現(xiàn)有算法各自特點的基礎(chǔ)上吸收其優(yōu)點,提出了基于面片分組排序分層制造同步運行的算法來獲得分層切片輪廓線和數(shù)據(jù)。通過對三角形網(wǎng)格面片按層數(shù)進(jìn)行分組,減少了切片平面與三角形網(wǎng)格面片關(guān)系的判定次數(shù),節(jié)省了時間。切平面與三角形網(wǎng)格面片交線段無需進(jìn)行排序,可以直接獲得輪廓線的圖形和數(shù)據(jù),節(jié)省了對交線段形成輪廓線所需時間。通過實例表明該算法運行可靠,且有較高的分層效率,通過分層方向和層厚的選擇保證了模型的精度及質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1王廣春,趙國

24、群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用M .北京:機械工業(yè)出版社,2008(3.(Wang Guang -chun ,Zhao Guo -qun.Rapid Prototyping and Rapid Tooling Technology and its applications M .Beijing :Mechanical Industry Press ,2008(3.2范春華,趙劍峰,董麗華.快速成形技術(shù)及其應(yīng)用M .北京:電子工業(yè)出版社,2009(3.(Fan Chun -hua ,Zhao Jian -feng ,Dong Li -hua.Rapid Prototyping Techn

25、ology and its Application M .Beijing :Publishing House of Electronics Industry ,2009(3.3張嘉易,劉偉軍,王天然,等.快速成型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究J .機械設(shè)計與制造,2004(1:38-40.(Zhang Jia-yi ,Liu Wei-jun ,Wang Tian-ran ,etal.Research on the data processing of rapid prototyping system J .Mechanical Design and Manufacture ,2004(1:38-40.4Se

26、ungryeol Yoo ,Daniel Walczyk.An Adaptive Slicing Algorithm forProfiled Edge Laminae Tooling.School of Mechanical Engineering ,Korea Univ.of Technology and Education ,Byeongcheonmyeon;Department of Mechanical ,AerospaceandNuclearEngineering ,RensselaerPolytechnic Institute ,2007:1229-8557.5Hayong Shin ,Seyoun Park ,Eonjin Park.Direct Slicing of a Point SetModel for Rapid Prototyping.Dept of Industrial Engineering ,KAIST ,2004.6Divesh R.Sahatoo ,Boppana V.Chowdary ,Fahraz F.Ali.Slicing Issues inCA