基于STL面片法向矢量的自适应分层算法.pdfVIP

2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 基于STL面片法向矢量的自适应分层算法 林俊义 黄常标 江开勇 （华侨大学机电及自动化学院 福建 泉州 326011 ） 摘 要：分层切片是快速成形软件系统的核心之一，它完成从实体模型离散化为层面信息的 过程。本文在分析、比较了快速成形自适应分层的现有算法的基础上，提出了基于 STL 文 件三角形面片法向矢量的自适应分层算法，该算法根据给定的加工精度可以很方便地求出相 应的符合精度要求的分层厚度。通过与现有算法的比较，表明该算法简单、计算量较小而且 容易实现。 关键词：快速成形板 适应分层 面片法向矢量 快速成形制造技术实质上是分层离散、层层叠加的制造过程。所以对实体分层切片策略 在系统中起着非常重要的作用，其结果直接影响到制造过程的精度、表面质量和成型效率。 目前通常采用等层厚切片，其算法比较简单，但是存在加工效率与加工精度不能兼顾的缺点。 为了解决这个问题，人们提出了自适应切片的方法。自适应切片是一种变层厚切片方法，它 能根据零件形状的变化规律自动调整合适的分层厚度，所以这种方法的效率和精度都较高。 1 现有算法 自适应分层的基本原理是根据零件局部的表面特征选择适当的层厚来限制零件表面的 位置误差。其中层厚的选择受到制造设备加工能力的限制。目前，在自适应分层方面，人们 提出了许多不同的实现方法，基本上可归纳为以下两类： 1．1 曲率计算法[1] 曲率计算法就是根据零件表面轮廓各点的曲率来决定当前的厚度。即以当前层的几何 特征为基础，将零件的局部几何特征用半径等于该点曲率 ρ 的球面来代替，这样，根据某 一局部特征点的曲率ρ 和最大可允许的尖端误差δ之间的几何关系（如图 1），可以求得该 点的最大允许分层厚度d 。 s s 图 1 曲率算法原理图 1 2002 年(第十届)全国机床专业学术会议 福建省自然科学基金资助项目，项目编号：E0010026 当球心s 与点P 的关系如图 1 （a ）时： d = −ρ cosθ + ρ 2 cosθ 2 − 2δρ − ρ 2 （1） 球心 s 与点 P 的关系如图 1 （b ）时： d = −ρ cosθ − ρ 2 cosθ 2 − 2δρ − ρ 2 （2 ） 所以通过计算当前层任意给定位置所允许的最大分层厚度，并结合加工设备的限制条件，可 得到最终的层厚，实现自适应分层。这种算法虽然可以实现自适应分层，但是要由微分方法 求得任意一点处的曲率ρ 是件很难的事，而在自适应分层计算时，需求得很多点的曲率ρ ， 这就造成实现上的困难。 1．2 面积计算法[2] 面积计算法是通过比较相邻两层的面积差值来推测零件的表面几何特征的，当相邻两 层面积差值较大时，说明几何特征有较大的变化，反之，当相邻两层面积差值较小时，说明 两层间具有相似的几何特征。这样给定面积差比率，当计算所得实际面积差比率小于给定的 面积差比率时，即可确定分层厚度，而当计算所得实际面积差比率大于给定的面积差比率时， 必须降低层片厚度进行再分层，再计算面积差比率直到满足条件为止。这样即可找出合适的 层厚，实现自适应分层。与上面曲率算法相比，面积算法计算比较简单，但由于基准面积的 变化，所以精度难以控制。 2 面片法向矢量自适应分层算法 基于上面的分析，本文提出了基于三角形面片法向矢量的自适应分层算法。该算法首先 需要提取当前层所用三角形面片的法向矢量，再计算法向矢量与分层方向的夹角，根据夹角 及给定的精度，即可求得下次分层所允许的最大分层厚度，再结合制造设备加工能力，可求 出下次分层的最佳分层厚度。根据 STL 文件分层时的特点，容易确定分层时，当前层所用 到的三角形面片，而在 STL 文件中已经存储了各个三角形面片的法向矢量，所以提取其法