激光制造的三维实体模型直接切片方法

周惠群，吴建军

（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072）

激光制造的三维实体模型直接切片方法

周惠群，吴建军

（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072）

基于快速成形中激光制造的三维实体模型，将其分为满足误差要求的一系列层片。采用提取截面轮廓的方法，将轮廓分为线段、圆弧和自由曲线，储存为特定的数据文件格式，轮廓内部形成扫描区域，以实现快速成形的分层制造。

实体模型；切片；轮廓；快速成形

激光制造是利用一定波长的激光照射液态或固态粉末固化成制件原型，它是快速成形的典型工艺。快速成形（Rapid Prototyping，RP）技术是通过计算机制作出零件的CAD模型，并将其进行一定的分层处理，再采用材料精确离散/堆积成形原理的新型制造方法。它需要由三维CAD模型切片求出每层的截面轮廓。基于三维CAD模型的切片工作是至关重要的环节，是快速成形技术的核心［1］。

在RP技术发展初期，STL文件格式由于格式简单、模型易分割等原因而被广泛应用，这对RP技术的推广普及起了很大的促进作用。但STL文件格式是对CAD模型的一种近似表达，随着RP技术的发展，尤其是面向工程上的直接应用，如模具制造等方面，近似的物理原型已不再满足要求，而是对原型提出了更高的精度要求。此时，STL文件格式的不足和缺陷就极大地限制了其在分层中的应用［2-3］。

STL文件格式的不足主要有以下几个方面:①STL文件是近似的CAD模型，造成了模型精度的损失；②STL文件的三角形顶点重复定义，数据冗余量大；③STL文件的数据量巨大；④易产生裂缝、空洞、悬面、重叠面和交叉面等错误；⑤由于不含CAD设计的拓扑信息，在后续处理中相对困难。因此，寻找一种从CAD到RP数据转换的方法是近年来RP技术研究的关键之一。

由于STL文件格式的先天缺陷，无论其如何改进、如何提高精度，也无法满足高精度制件的加工质量要求。因此，在三维CAD系统内直接对CAD模型分层切片便成为目前快速成形技术的研究热点。

在CAD系统内进行直接分层具有以下优点:①提高CAD模型的精度；②可直接利用RP成形机数控系统的插值功能，提高零件的表面质量；③减少RP成形设备的前处理时间，提高加工效率；④无须进行拓扑信息的提取及文件错误的修正；⑤减小数据文件大小［4-7］。

本文的基本思想是先将三维实体模型按照误差允许的范围划分为一系列的截面轮廓，采用提取截面轮廓的方法，将轮廓分为线段、圆弧和自由曲线，储存为特定的数据文件格式，轮廓内部形成扫描区域，以实现快速成形的精确分层制造。

1 激光制造的过程

1.1 快速成形的工艺过程

（1）三维CAD模型的建立

建立CAD三维模型可采用现有的CAD软件直接构建，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、UG等；也可将已有产品的二维图样进行转换形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，再利用反求工程的方法来构造三维模型。

（2）虚拟切片处理

在CAD软件系统内部，依据制件的特征选择合适的加工方向，在加工高度方向上用一系列一定间隔的平面切割CAD三维模型，然后提取截面的轮廓信息，通常选取的间隔为0.05～0.5mm，常用的为0.1mm。间隔越小，成形精度越高，但成形时间也越长，效率就越低；反之，则精度低，但效率高。

（3）扫描路径规划

在切片处理后的截面轮廓内部，寻求最优的扫描路径。典型的有:平行扫描路径、轮廓扫描路径、分形扫描路径等。

（4）分层实体加工

切片后的CAD模型轮廓和划分好的扫描路径在计算机控制下，相应的成形头（激光头或喷头）按各截面的轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相互粘结，最终得到原型产品。

（5）成形零件的后处理

经过上述过程后，把成形件从成形系统里取出，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。

1.2 基于AutoCAD的模型直接切片

三维CAD模型的构建依赖于功能强大的CAD系统。UG、Pro/E、CATIA等大型CAD造型软件的功能非常强大，但由于功能复杂，导致开发难度很大，且价格昂贵，需要大型软件环境和硬件条件。而AutoCAD软件应用范围广泛，具有开放的体系结构和功能强大的开发工具，同时对软硬件要求较低。且随着CAD系统之间的数据格式转换标准（如STEP、DXF、IGES等）逐渐完善，AutoCAD系统和其他CAD系统之间已完全能够实现数据转换。

在AutoCAD平台下，CAD实体模型直接切片的二次开发有多种方法:①可采用AutoCAD内嵌Autolisp语言调用剖切命令来实现自动切片。该语言简单、易掌握，应用时间长，有广泛的应用基础，现在仍是开发者所热衷的开发工具；但Autolisp是解释性语言，其原代码是公开的；②可采用基于ObjectARX开发的一个动态链接库，利用AcBr库查询三维实体任意方向剖切面数据的方法实现模型切片。但该方法难度较大，对程序开发者要求较高，编程的错误可能会导致AutoCAD崩溃；③Visual Basic是内嵌在AutoCAD内部的一种优秀的二次开发语言，在软件行业应用极广。本文将采用Visual Basic语言进行模型切片程序的开发与实现。

2 三维实体模型直接切片过程

2.1 直接适应性切片算法

本算法直接调用AutoCAD软件系统的剖切命令，将实体模型与剖切平面截交，进而得到层片实体；然后，将层片的截面轮廓做相应的处理，通过实体名利用AutoCAD查询面积的命令，进行相邻层的截面面积的对比来控制切片的厚度。

直接适应性切片算法可表示为以下过程:

Procedure

Begin｛

step1:调用AutoCAD命令构建CAD模型；

step2:确定切片方向；

step3:确定切片厚度h；

step4:IF（Z＜h）调用AutoCAD命令（Section）开始切片；

Else（Z=h）获取层片轮廓信息；

End；

step5:获取层片轮廓信息；

step6:调用AutoCAD命令（Area）查询轮廓面积；

step7:IF（Area（i）-Area（i+1）＜e（允差））

输出轮廓数据文件；

Else step3；

step8:将轮廓分为线段、圆弧、自由曲线，储存成特定的数据文件格式。

｝

End。

2.2 切片与面积查询命令

AutoCAD软件中的Section命令和Slice命令皆可对CAD模型进行切片；但Section命令得到的是实体轮廓（面域），而Slice命令得到的是模型实体。为了得到截面轮廓，本文利用AutoCAD软件中的Section命令，采取3点定义剖切平面的方式（3点决定一个平面）进行切片。新参考点的定义是通过变动Z坐标来实现的，点的Z坐标就是切片位置高度。切片完成后，再利用Area命令查询得到精确的截面面积。

2.3 面积变化的判别

若当前位置的切片得到的层片实体面面积为A1（对应切片位置记为Z1），下一位置切片得到的层片实体面面积为An（对应切片位置记为Zn），则有:

式中:E为预先设置的面积变化系数。当满足式（1）时，比较Z与Z0来调整切片位置（Z0为CAD模型的初始切片Z坐标）；当不满足式（1）时，则需比较An与Z0来调整切片位置（参见2.1算法过程），继续判别是否满足式（1），调整切片位置进行切片；重复该过程直到结束。

2.4 层片实体数据格式

为使切片数据能独立于AutoCAD软件系统，本文设计了一种全新的模型轮廓数据文件格式，用来记录每一层切片详细的轮廓数据，以便更好地和其他CAD系统进行数据交换。切片轮廓的数据文件格式如下:

总层数（N）

第一层（1）

层厚（H）

I环的类型（外环或内环）

线段

起点坐标，终点坐标

圆弧

圆心坐标，半径，起始弧，终止弧

自由曲线

点坐标列表

……

n环的类型

……

第n层

……

最后一层

……

结束

3 CAD模型分层实例

图1是在AutoCAD环境里实现三维实体分层的对话框。零件在AutoCAD系统里完成三维建模，然后选择螺钉的轴向作为切片方向进行切片。

图2是零件的CAD模型及切片后的对比图。通过对比图2可知，对模型进行适应性切片时，可采取的最小切片厚度为0.1 mm，最大切片厚度为0.5 mm。图2b是将CAD模型转化为STL模型时进行适应性切片时的效果图。图2c、图2d分别是对CAD模型直接进行等层厚和适应性切片时的切片效果图。

图1 在AutoCAD环境里实现三维实体分层的对话框

图2 CAD模型及不同分层方式的效果图

切片结果分析见表1。表中的“尖顶高度”是指零件成形后的台阶尖顶与原始CAD曲面轮廓的高度差，即成形制件的精度。

表1 CAD模型的分层结果分析

通过对比STL模型（适应性）分层、直接等层厚分层、直接适应性分层可看出，直接适应性分层方法的分层数目最少，尖顶高度最小。换言之，该方法的成形精度最高，成形加工时间也最短，效率最高。直接适应性分层方法比STL模型分层的成形时间节省约14.3%，比等层厚分层的成形时间节省约33.3%；直接适应性分层方法比STL模型分层的成形精度提高约75%，比等层厚分层的成形精度提高约80%。因此，本文采用的直接适应性切片算法是一种高效率、高精度的切片算法，具有明显的优势。

4 结束语

本文利用AutoCAD系统的强大功能，提出了一种基于CAD模型的直接适应性切片的实现方法。该方法利用Visual Basic语言进行编程，完成三维CAD模型的自动切片，通过比较相邻层片面积来确定分层厚度。与传统的切片方法相比，直接适应性切片算法能提高切片的精度和效率，在模型的制作精度等方面具有明显的优势。

总之，本文避免了将三维CAD模型转化成STL文件再进行分层的种种不足，且对于模型的直接分层，也不采用等层厚的分层方法，而是采用在CAD软件系统内部，利用该系统强大的自动求交截面命令来对CAD模型进行分层处理，可生成精确的截面轮廓，同时避免了复杂的实体与平面求交程序设计，简化了模型的求截面过程，开发时间大大减少。经过对层片轮廓数据的有效处理，可得到在不同软件系统之间广泛适用的层片数据。

［1］朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型与快速制造技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.的电压为80 V，进给量为每次0.02 mm，主轴转速为2500 r/min。修整的磨头精度高，加工表面较光整，磨削效果好，且磨头去除量小。

（3）用已修整磨头进行电解磨削，宏观上和微观上分别观察到加工表面质量好，加工均匀，表面粗糙度值小，在线磨削效果好。

参考文献:

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［2］李继贤.金属基金刚石成形砂轮数控电火花修整技术的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［3］王祥志，刘志东，邱明波，等.气体压力对钛合金电火花诱导烧蚀加工的影响［J］.航空学报，2014（12）:3480-3488.

［4］蔡兰蓉，贾妍，胡德金.金刚石砂轮雾气中放电休整技术［J］.上海交通大学学报，2008（5）:41-42.

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［6］谢稀练，徐波，干为民，等.数控电解复合铣削不锈钢的试验研究［J］.制造技术与机床，2010（11）:27-30.

［2］刘伟军.快速成型技术及应用［M］.北京:机械工业出版社，2005.

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［4］阳佳，高广德，郭江洪.基于ObjectARX三维模型切片软件的开发［J］.机械，2002（4）:38-39.

［5］陈绪兵，叶献方，黄树槐.快速成形领域中的直接切片研究［J］.中国机械工程，2002（7）:605-607.

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［7］Jamieson R，Hacker H.Direct slicing of CAD models for rapid prototyping［J］.Rapid Prototyping Journal，1995，1（2）:4-12.

The Direct Slice M ethod of Three Dimension Object M odeling by Laser M anufacturing

Zhou Huiqun，Wu Jianjun
（Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

The Paper presented a method which divide 3D modeling into a series of layer that meeting deviation demand based on lasermanufacturing of rapid prototyping.Taking advantage of the method about draw contour，the contour have been separated into line and circle and free curve，and then，data file have been store up with given format.Scanning region has been formed in profile for layermanufacturing of rapid prototyping.

objectmodel；slice；contour；rapid prototyping

TG669

A

1009－279X（2015）01－0047-03

2014-09-28

周惠群，男，1966年生，副教授，博士研究生。