RP系统中STL模型的分割与拼接研究
|
摘要
快速原型(Rapid Prototyping：RP)系统一般体积过大、投资过高、零件制造成本及系统运行费用昂贵，严重阻碍了该种先进技术及系统的推广与应用。在全面了解市场需求的前提下，开发小体积、低成本的RP系统使其和谐地成为办公设备、甚至走入家庭是本文研究工作的背景。
本文主要研究了STL模型的分割，和STL模型的拼接，扩大了现有RP系统的功能，能够加工大尺寸的零件，或者同时加工多个小零件。
研究了STL模型的分割技术及其必要性，研究了STL模型的纠错及其拓扑。采用切片技术获得了截面轮廓，用Delaunay三角网格划分算法将截面轮廓网格化，用精确定位技术保证了模型粘接的精度；在Delaunay三角网格划分的基础上，实现了快速原型的三角形扫描。
研究了STL模型的拼接技术及其必要性，实现了拼接功能。通过OpenGL的显示和交互功能，实现了对各个模型的动态调整，用方向优化算法提高了模块的精度和易用性。
实验表明，本商用软件扩大了快速原型机的加工范围，提高了加工效率，节省了原材料，降低了加工成本，并充分考虑了商用软件的易用性和智能化，具有良好的实用价值。
Most Rapid Prototyping (RP) systems have the following disadvantages: bulky, expensive, and requiring a large cost. So the advanced technology and its system are restricted to be applied. According to market requirements, a new RP system, which is small volume and low price, is developed and pushed into the market, even into office and home. It is the point of this paper.
This paper is focused on the study of dividing and combining module based on STL model, which enhances the function of existent RP system and makes it to be able to manufacture big parts or several small parts at one time.
Dividing technology based on STL model and its necessity is studied in this paper. Rectification and topology base on STL model is researched, too. The contour information is obtained by using slice technology; the Delaunay triangular meshes are generated by using Delaunay triangulation algorithm and conglutinate precision of divided models is insured by using precise orientation technique. In addition, triangle scan is accomplished based on Delaunay triangulation algorithm.
Combining technology based on STL model and its necessity is studied in this paper and the combining function is completed. Every model can be adjusted dynamically by using OpenGL technology. Precision and facileness of this software is unproved by using orientation optimization algorithm.
On experiment, machining scale of RP system is extended, manufacturing efficiency is improved and material expenditure is reduced by using this commercial software. The facileness and intellectualization of this software is considered adequately and it is proved to be useful.
本文主要研究了STL模型的分割，和STL模型的拼接，扩大了现有RP系统的功能，能够加工大尺寸的零件，或者同时加工多个小零件。
研究了STL模型的分割技术及其必要性，研究了STL模型的纠错及其拓扑。采用切片技术获得了截面轮廓，用Delaunay三角网格划分算法将截面轮廓网格化，用精确定位技术保证了模型粘接的精度；在Delaunay三角网格划分的基础上，实现了快速原型的三角形扫描。
研究了STL模型的拼接技术及其必要性，实现了拼接功能。通过OpenGL的显示和交互功能，实现了对各个模型的动态调整，用方向优化算法提高了模块的精度和易用性。
实验表明，本商用软件扩大了快速原型机的加工范围，提高了加工效率，节省了原材料，降低了加工成本，并充分考虑了商用软件的易用性和智能化，具有良好的实用价值。
Most Rapid Prototyping (RP) systems have the following disadvantages: bulky, expensive, and requiring a large cost. So the advanced technology and its system are restricted to be applied. According to market requirements, a new RP system, which is small volume and low price, is developed and pushed into the market, even into office and home. It is the point of this paper.
This paper is focused on the study of dividing and combining module based on STL model, which enhances the function of existent RP system and makes it to be able to manufacture big parts or several small parts at one time.
Dividing technology based on STL model and its necessity is studied in this paper. Rectification and topology base on STL model is researched, too. The contour information is obtained by using slice technology; the Delaunay triangular meshes are generated by using Delaunay triangulation algorithm and conglutinate precision of divided models is insured by using precise orientation technique. In addition, triangle scan is accomplished based on Delaunay triangulation algorithm.
Combining technology based on STL model and its necessity is studied in this paper and the combining function is completed. Every model can be adjusted dynamically by using OpenGL technology. Precision and facileness of this software is unproved by using orientation optimization algorithm.
On experiment, machining scale of RP system is extended, manufacturing efficiency is improved and material expenditure is reduced by using this commercial software. The facileness and intellectualization of this software is considered adequately and it is proved to be useful.
引文
[1]侯丽雅，章维一，张庆．快速成型技术及其在微机械制造中的应用．江苏机械制造与自动化，2001，01：(14-20)
[2]章维一，侯丽雅．微系统领域的3个关键技术．中国机械工程．第11卷，2000，01：(8-14)
[3]章维一，侯丽雅．光成型技术在微小机械加工中的应用．高技术通信．第10卷，2000，03：(65-69)
[4]陆春进，侯丽雅，杨继全．微小机械快速成型系统中的CAD技术．机械科学与技术．第17卷，1998，04：(683-685)
[5]周跃进，王珉．快速原型技术及其在模具制造中的应用．机械工程学报．第32卷，第6期，1996，12：(90-94)
[6]纪小刚，侯丽雅，章维一．快速模具制造．机械设计与制造工程．2002，03：(97-101)
[7]杨祖孝．快速原型技术的发展与应用．机械制造．1992．02：(8-10)
[8]Reyond Appearance Models Manufacturing Engineering. Oct. 1997
[9]王树杰．快速制模工艺的新进展．模具技术．1998．01：(40-48)
[10]快速出样技术近年来的发展．机器制造．1996，11：(16-18)
[11]快速原型的技术现状．http://www.e-works.com
[12]李涤尘，洪军，赵万华，唐一平．快速成型技术的新发展．西安：1998全国RP技术与快速模具制造会议．(139-142)
[13]张人佶，张海鸥．第八届快速原型国际学术会议概况．电加工与模具．2000，05：(9-10)
[14]刘洁，王从军，黄树槐，马黎．利用LOM技术快速制造大尺寸零件及薄壁零件．中国机械工程．第11卷，第10期，2002，10：(1126-1128)
[15]李江峰，钟约先，李电生．STL文件缺陷分析及修补算法研究．机械设计与制造．第二期，2002，04：(40-42)
[16]刘斌，黄树槐．快速成形技术中数据模型的自动诊断与修复．华中理工大学学报．第24卷，第9期，1996，09：(61-63)
[17]黎步松，周钢，王从军，黄树槐．基于STL文件格式的实体分割算法研究与实现．华中科技大学学报(自然科学版)．第30卷，第3期，2002，03：(40-42)
[18]张李超，韩明，黄树槐．基于裂缝跟踪技术的STL文件容错切片．锻压机械．2002，02：(52-54)
[19]田宗军，李小林，黄因慧．快速成形系统中STL文件的缺陷与修复．电加工．
1999，02：(15-18)
[20]张剑峰，黄因慧，赵剑峰．快速成型系统中STL模型缺陷的自动修复技术．扬州大学学报(自然科学版)．第5卷，第2期，2002，05：(33-36)
[21]杜忠于，尹希猛，王运赣，黄树槐．快速光造形技术中数据模型的诊断．计算机工程．第21卷，第4期，1995，07：(3-5)
[22]李江峰，钟约先，李电生．一种基于边界缺陷的STL文件修补算法．计算机应用．第31卷，第3期，2002，05：(45-47)
[23]朱军，郭戈，颜永年．快速成形制造中基于模型连续性的快速分层算法研究．中国机械工程．第11卷，第5期，2002，05：(549-554)
[24]刘斌，黄树槐．快速原型制造技术中实时切片算法的研究与实现．计算机辅助设计与图形学学报．第9卷，第6期，1997，11：(488-493)
[25]谢存禧，李仲阳，成晓阳．STL文件毗邻关系的建立与切片算法研究．华南理工大学学报(自然科学版)．第28卷，第3期，2000，03：(33-38)
[26]马小虎，董军，潘志庚，石教英．一种基于图的平面点集Delaunay三角剖分算法．中国图象图形学报．第2卷，第1期，1997，01：(7-11)
[27]丁永祥，夏巨湛，王英，肖景容．任意多边形的Delaunay三角剖分．计算机学报．第17卷，第4期，1994，04：(270-275)
[28]武晓波，王世新，肖春生．Delaunay三角网的生成算法研究．测绘学报．第28卷，第1期，1999，02：(28-35)
[29]刘学军，龚健雅．约束数据域的Delaunay三角剖分与修改算法．测绘学报．第30卷，第1期，2001，02：(82-88)
[30]LEE D T. Generalized Delaunay Triangulation for Planar Graphs [J]. Discrete and Computational Geometry. 1986, (1): (201--217)
[31]LEE D T. Two Algorithms for Constructing a Delaunay Triangulation [J]. Int J of Computer and Information Science. 1980, 9(3): (219-242)
[32]Boissinnat J D. Shape Reconstruction from Planar Sections [J]. Computer Vision Graphics Image Process. 1988, 44: (1-29)
[33]Piegl L A. Algorithm and Data Structure for Triangulation Multiply Connected Polygonal Domains [J]. Computer and Graphics. 1993, 17(5): (563-574)
[34]Floriani L D. An Online Algorithm for Constrained Delaunay Triangulation [J]. CVGIP:Graphical Models and Image Processing. 1992,54(3): (290-300)
[35]Sloan S W. A Fast Algorithm for Constructing Delaunay Triangulation in the Plane [J]. Advanced Engineering Software. 1987, 9(1): (34-55)
[36]杨文涛，韩明，肖跃加，王从军，黄树槐．基于STL格式的CAD实体模型的分割与拼接．锻压机械．2000，03：(48-50)
[37]黄旗明，王运赣．快速成形中STL格式文件的分割及其连续成形．模具技术．1999，02：(16-17)
[38]杨文涛，韩明，肖跃加，黄树槐．基于STL格式的实体分割．中国机械工程．第12卷，第6期，2001，06：(651-653)
[39]黄旗明．分割巨型STL格式形体文件的关键技术．机械．第27卷，第3期，2000：(21-22)
[40]刘斌，肖跃加，韩明，黄树槐．实体截面轮廓内外边界的自动识别算法．华中理工大学学报．第24卷，第10期，1996，10：(23-25)
[41]蔡小康．智能化的快速成型切片算法．中国机械工程．第8卷，第5期，1998
[42]彭晓明，王坚．OpenGL深入编程与实例揭秘．人民邮电出版社．1999，06
[43]程小茁，刘金义，吴涛．基于OpenGL的STL格式实体真实感图形显示工具的实现．抚顺石油学院学报．第19卷，第3期，1999，09：(53-56)
[44]楼小平，顾熙棠，洪迈生．提高成型精度和效率的SLS零件坐标．磨床与磨削．2002，02：(28-30)
[45]王军杰，郭九生，洪军，卢秉恒．激光快速成形加工中扫描方式与成形精度的研究与实验．中国机械工程．第8卷，第5期，1998，05：(54-55)
[46]周培德．计算几何—算法分析与设计．清华大学出版社，广西科学技术出版社．2000，05
[47]朱心雄等．自由曲线曲面造型技术．科学出版社．2000，01
[48]Donald Hearn，M．Pauline Baker著．蔡士杰，吴春镕等译．计算机图形学．电子工业出版社．1998，04
[2]章维一，侯丽雅．微系统领域的3个关键技术．中国机械工程．第11卷，2000，01：(8-14)
[3]章维一，侯丽雅．光成型技术在微小机械加工中的应用．高技术通信．第10卷，2000，03：(65-69)
[4]陆春进，侯丽雅，杨继全．微小机械快速成型系统中的CAD技术．机械科学与技术．第17卷，1998，04：(683-685)
[5]周跃进，王珉．快速原型技术及其在模具制造中的应用．机械工程学报．第32卷，第6期，1996，12：(90-94)
[6]纪小刚，侯丽雅，章维一．快速模具制造．机械设计与制造工程．2002，03：(97-101)
[7]杨祖孝．快速原型技术的发展与应用．机械制造．1992．02：(8-10)
[8]Reyond Appearance Models Manufacturing Engineering. Oct. 1997
[9]王树杰．快速制模工艺的新进展．模具技术．1998．01：(40-48)
[10]快速出样技术近年来的发展．机器制造．1996，11：(16-18)
[11]快速原型的技术现状．http://www.e-works.com
[12]李涤尘，洪军，赵万华，唐一平．快速成型技术的新发展．西安：1998全国RP技术与快速模具制造会议．(139-142)
[13]张人佶，张海鸥．第八届快速原型国际学术会议概况．电加工与模具．2000，05：(9-10)
[14]刘洁，王从军，黄树槐，马黎．利用LOM技术快速制造大尺寸零件及薄壁零件．中国机械工程．第11卷，第10期，2002，10：(1126-1128)
[15]李江峰，钟约先，李电生．STL文件缺陷分析及修补算法研究．机械设计与制造．第二期，2002，04：(40-42)
[16]刘斌，黄树槐．快速成形技术中数据模型的自动诊断与修复．华中理工大学学报．第24卷，第9期，1996，09：(61-63)
[17]黎步松，周钢，王从军，黄树槐．基于STL文件格式的实体分割算法研究与实现．华中科技大学学报(自然科学版)．第30卷，第3期，2002，03：(40-42)
[18]张李超，韩明，黄树槐．基于裂缝跟踪技术的STL文件容错切片．锻压机械．2002，02：(52-54)
[19]田宗军，李小林，黄因慧．快速成形系统中STL文件的缺陷与修复．电加工．
1999，02：(15-18)
[20]张剑峰，黄因慧，赵剑峰．快速成型系统中STL模型缺陷的自动修复技术．扬州大学学报(自然科学版)．第5卷，第2期，2002，05：(33-36)
[21]杜忠于，尹希猛，王运赣，黄树槐．快速光造形技术中数据模型的诊断．计算机工程．第21卷，第4期，1995，07：(3-5)
[22]李江峰，钟约先，李电生．一种基于边界缺陷的STL文件修补算法．计算机应用．第31卷，第3期，2002，05：(45-47)
[23]朱军，郭戈，颜永年．快速成形制造中基于模型连续性的快速分层算法研究．中国机械工程．第11卷，第5期，2002，05：(549-554)
[24]刘斌，黄树槐．快速原型制造技术中实时切片算法的研究与实现．计算机辅助设计与图形学学报．第9卷，第6期，1997，11：(488-493)
[25]谢存禧，李仲阳，成晓阳．STL文件毗邻关系的建立与切片算法研究．华南理工大学学报(自然科学版)．第28卷，第3期，2000，03：(33-38)
[26]马小虎，董军，潘志庚，石教英．一种基于图的平面点集Delaunay三角剖分算法．中国图象图形学报．第2卷，第1期，1997，01：(7-11)
[27]丁永祥，夏巨湛，王英，肖景容．任意多边形的Delaunay三角剖分．计算机学报．第17卷，第4期，1994，04：(270-275)
[28]武晓波，王世新，肖春生．Delaunay三角网的生成算法研究．测绘学报．第28卷，第1期，1999，02：(28-35)
[29]刘学军，龚健雅．约束数据域的Delaunay三角剖分与修改算法．测绘学报．第30卷，第1期，2001，02：(82-88)
[30]LEE D T. Generalized Delaunay Triangulation for Planar Graphs [J]. Discrete and Computational Geometry. 1986, (1): (201--217)
[31]LEE D T. Two Algorithms for Constructing a Delaunay Triangulation [J]. Int J of Computer and Information Science. 1980, 9(3): (219-242)
[32]Boissinnat J D. Shape Reconstruction from Planar Sections [J]. Computer Vision Graphics Image Process. 1988, 44: (1-29)
[33]Piegl L A. Algorithm and Data Structure for Triangulation Multiply Connected Polygonal Domains [J]. Computer and Graphics. 1993, 17(5): (563-574)
[34]Floriani L D. An Online Algorithm for Constrained Delaunay Triangulation [J]. CVGIP:Graphical Models and Image Processing. 1992,54(3): (290-300)
[35]Sloan S W. A Fast Algorithm for Constructing Delaunay Triangulation in the Plane [J]. Advanced Engineering Software. 1987, 9(1): (34-55)
[36]杨文涛，韩明，肖跃加，王从军，黄树槐．基于STL格式的CAD实体模型的分割与拼接．锻压机械．2000，03：(48-50)
[37]黄旗明，王运赣．快速成形中STL格式文件的分割及其连续成形．模具技术．1999，02：(16-17)
[38]杨文涛，韩明，肖跃加，黄树槐．基于STL格式的实体分割．中国机械工程．第12卷，第6期，2001，06：(651-653)
[39]黄旗明．分割巨型STL格式形体文件的关键技术．机械．第27卷，第3期，2000：(21-22)
[40]刘斌，肖跃加，韩明，黄树槐．实体截面轮廓内外边界的自动识别算法．华中理工大学学报．第24卷，第10期，1996，10：(23-25)
[41]蔡小康．智能化的快速成型切片算法．中国机械工程．第8卷，第5期，1998
[42]彭晓明，王坚．OpenGL深入编程与实例揭秘．人民邮电出版社．1999，06
[43]程小茁，刘金义，吴涛．基于OpenGL的STL格式实体真实感图形显示工具的实现．抚顺石油学院学报．第19卷，第3期，1999，09：(53-56)
[44]楼小平，顾熙棠，洪迈生．提高成型精度和效率的SLS零件坐标．磨床与磨削．2002，02：(28-30)
[45]王军杰，郭九生，洪军，卢秉恒．激光快速成形加工中扫描方式与成形精度的研究与实验．中国机械工程．第8卷，第5期，1998，05：(54-55)
[46]周培德．计算几何—算法分析与设计．清华大学出版社，广西科学技术出版社．2000，05
[47]朱心雄等．自由曲线曲面造型技术．科学出版社．2000，01
[48]Donald Hearn，M．Pauline Baker著．蔡士杰，吴春镕等译．计算机图形学．电子工业出版社．1998，04