快速成型制造技术分层算法及数据通信研究

摘要

快速成型技术是信息时代的产物,已经成为现代制造业中优化产品设计,降低产品成本,提高生产效率的有力工具。它的出现是制造领域的一次重大技术创新和突破,该技术的核心是信息交换和处理。尽管快速成型制造的工艺方法多种多样,但获取模型切平面的二维轮廓数据依然是进行快速成型制造的关键步骤,因此分层处理算法和数据处理研究一直是RPM(Rapid Prototyping Manufacturing)技术研究的一项主要内容。本研究在深入分析了现有快速成型技术理论体系基础上,运用计算机图形学虚拟现实及人机交互等领域的相关专业知识,对快速成型制造技术中分层算法和数据处理过程进行了比较深入的研究,主要包括以下几个方面:
　　(1)实现了基于STL三维实体模型的可视化系统。采用Visual C++为编程语言,以OpenGL(Open Graphics Library)为图形开发工具,通过设置相邻三角形面片外法向量夹角的临界值来选取适当的公共顶点,计算其法向量,对STL(Stereolithography)模型显示效果进行处理。为后续分层算法研究和数据处理奠定了良好的基础。
　　(2)改进了一种的基于STL模型拓扑信息的分层算法。在基于有向加权图分层算法的基础上,去掉原算法中耗时的建立有向加权图的过程,然后对每层的三角面片采用对边依次追踪求交的方法生成切片轮廓数据。保证轮廓精度的同时,删除冗余的结点数据,根据处理后数据,直接计算满足最小台阶误差下一层的分层厚度,使得分层厚度随轮廓数据的改变成为可变的。实验表明,该算法高效、稳定、可靠。
　　(3)采用基于STEP/AP203协议的中性文件做为RPM系统数据接口,设计了基于STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)标准的直接分层算法。研究了模型描述语言EXPRESS到Visual C++类的映射方法,设计了中性交换文件数据采集模块,实现了STEP/AP203中性文件的读入和分析,正确获取几何模型的特征数据。采用Visual C++和OPEN GL编程实现了基于STEP标准的三维模型重建。充分利用不同几何元素所具有的不同性质,解决了切平面与几何模型的求交问题,提高了分层算法的效率和稳定性。
　　(4)设计了快速成型软件系统上位机与多个下位机进行通信的的总体方案。采用8251芯片对单片机串口进行扩展,系统可根据实际需要定义数据帧的格式,采用循环冗余码校验(CRC)技术实现差错控制,保证数据发送和接收的可靠性。
　　通过以上几个方面的研究,基本实现了三维CAD模型的分层算法和数据处理,为快速成型技术进一步研究奠定了一定的基础。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 快速成型制造技术概述

§1.3 快速成型制造中的数据处理技术

§1.4 快速成型制造中的数据处理研究现状

§1.5 本课题研究的内容和主要工作

第二章 快速成型技术分层处理计算基础

§2.1 边界线的向量表示方法

§2.2 几种常见曲面与切面求交算法的计算

§2.3 本章小结

第三章 改进的基于STL模型的自适应分层算法设计与实现

§3.1 STL模型特点分析

§3.2 可视化开发工具的选择

§3.3 STL模型可视化的实现

§3.4 改进的基于STL模型的有向加权图切片算法

§3.5 本章小结

第四章 基于STEP标准快速成型三维模型重建及分层算法的设计与实现

§4.1 STEP标准简介

§4.2 STEP/AP203协议

§4.3 基于STEP标准的三维模型重建

§4.4 基于STEP分层算法的实现

§4.5 实验结果

§4.6 本章小结

第五章 快速成型系统数据发送方案的设计与实现

§5.1 总体方案

§5.2 数据发送系统的实现

§5.3 通讯测试

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 研究工作总结

§6.2 未来展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果