快速成型中基于STEP的直接分层方法
摘要 直接分层可以得到精确的层片轮廓，避免了STL文件的种种缺点以及STL文件的错误诊断与修复过程。现有的直接分层方法大多是基于某一特定的CAD系统进行二次开发，本文提出一种基于STEP的CAD模型直接分层方法，CAD系统与快速成型系统之间以STEP幸性文件格式进行CAD数据交换。系统首先读取由CAD系统输出的STEP中性文件，然后提取其几何拓扑信息并进行计算机内部几何模型的重建。用户选择零件的制作方向并指定分层厚度以后，系统自动对CAD模型进行直接分层，分层结果以SSL文件格式输出并可以直接迭到各种快速成型系统进行加工。基于STEP的CAD模型直接分层于CAD系统，不仅灵活性、可扩展性好，而且STEP模型的数据量大大小于STL模型，有利于网络化制造环境下的文件传输与交换。 关键词 直接分层 实体模型 快速成型STEP 1 引言
CAD模型的分层是RP T艺规划的一个重要任务，它影响到零件的表面质量、制作时问以及机械性能等。现有的RP系统普遍采州的是STL文件，它是一种三角化的模型，由一系列三角面片来近似CAD模，艘的表面轮廓得到，它具有格式简单、实现方便的优点，而且STL模型的分层是一个平面与平面求交的问题，因此分层算法非常简单。但是它也具有许多缺点如：模型的拓扑信息丢失、数据高度冗余、文件尺寸人不利于远挫制造、容易造成裂缝空洞等缺陷以及降低了零件的表面精
度等。CAD模型直接分层是利用一系列平行平面与零件的原始曲面求交而得到层片的精确轮廓，它不仅避免了STL文件的种种缺点，而且提高了零件的表面精度和质量。因此，不通过中间格式STL文件而直接对CAD模型进行分层
的方法得剑了人们的重视与研究。
Guduri and Crawford提出一种对由多面体、一二次曲面、圆环面等体素组成的CSG实体模型进行直接分层的方法，缺点是只适用于一些形状简单的物体。Vuyyuru等利用CAD系统(I-DEAS)内核的分层功能，在CAD系统内部对B—fep实体模型进行宣接切层，得到了以NURBS曲线表示的层片文件，直接送到RP系统进j2-自nxl，这种方法局限于特定的CAD系统。Jamieson和Hacker在UG内部对CAD模型进行直接分层后生成CLI文件(一种层片文件格式)，他们利用相邻两层截面的差异作为CAD模型在制作方向上儿何变化的标准来确定层厚。ZhiwenZhao和Luc Laperriere提出了一种在AutoCAD
系统中对CAD模型进行白适应分层的方法，利用CAD系统(AutoCAD)强大的通用求交函数，以交互方式或命令行方式米求几何体与分层平面的交线，然后以RP系统可以接受的数据格式(如SLC、CLI等)输出。周岩等在UG内部进行二次开发，对CAD模型进行直接分层后生成CLI文件。陈绪兵等提出一种对PowerSHAPE模型进行直接分层的方法，这种模型用直线段、圆弧以及Bezier曲线来描述鼠片轮廓。
本文提出一种基于STEP的在CAD系统外进行的CAD模型直接分层方法，避免了STL模型三角化带来的零件表面误差，克服了STL
文件的种种缺点及其错误诊断与修复过程，提高了零件的表面精度。前述各种赢接分层方法都是在特定的CAD系统内部利用CAD内核强大的自动求截面功能来对CAD模型进行直接分层，这使得它们依赖于特定的CAD系统。我们提出的基于STEP的直接分层方法是在CAD系统外进行，不仅于CAD系统，通用性、灵活性好，与STL文件相比，STEP标准表示的CAD实体模型数据量小，便于远程数据传输和远程RP制造。
2基于STEP的CAD模型直接分层方法 本文提出的基于STEP的直接分层方法在CAD系统外对零件进行分层，采用STEP文件作为CAD系统与分层系统之间的数据交换格式。CAD系统可以是各种商业CAD造型系统如UG、Pro／E、I-]OEAS以及SolidWorks等。
STEP(Is010303)是国际标准化组织(ISO)制定的产品数据表达与交换的国际标准，它以解决全生命周期内的产品数据表达与交换为目的。与STL文件格式相比，STEP提供了对CAD模型的几何拓扑信息的准确描述，它采用NURBS来表示自由曲面。STEP作为CAD与RP系统之间的数据接口具有通川性、可扩展性和可集成性好的优点，而且STEP标准表示的CAD实体模型数据量小，便于远程传输和远程RP制造。
分层的过程是：首先分层系统读取从CAD系统输出的以STEP中性文件表示的CAD模型，提取其几何拓扑信息后在计算机内部重建CAD模型并阁OpenOL图形库显示，以方便用户浏览和选择制作方
向；用户选择零件的制作方向并指定分层厚度，系统自动对CAD模型进行直接分层，分层结果以SSL(美国Stratasys公司提出的一种通用层片文件格式，它可以被各种RP系统接收)文件格式输出并可直接送到RP系统进行快速成型制造。
2．1基于STEP的CAD模型几何拓扑信息的提取
STEP使用形式化的数据规范语言EXPRESS来描述产品数据，这有利于提高数据表精确性和一致性，也有利T-STEP的计算机实现。EXPRESS是面向对象的、基于模式的信息建模语言，其主体是模式(ISCHEMA)，模式的主要内容是实体(ENTITY)的定义。由于EXPRESS语言具有较好的面向对象特性，在实王贝,STEP标准时采用面向对象的编程语言会带来许多方便，因此采用c++语言来实现．|STEP标准几何模式中所描述的实体。由于c++中对继承的规定于EXPRESS类似，包括支持多重继承以及继承的传递性等，因．ffLSTEPJL阿模式中EXPRESS语言描述的实体类层次结构可以很方便地转化为c++类层次结构。STEP
儿何模式中主要的实体类型有几何实体与拓扑实体两类实体类型，几何实体包括点、曲线、曲面等，拓扑实体包括顶点、边、高级面等。 STEP标准AP203协议支持流形体边界表示(Manifold Solid B—Rep)的CAD实体模型，该模型是实体模型的一个子类，用代表实体外部边界的封闭壳来表示一个实体模型。AP203 CAD模型中实体之间的关系为：实体MANIFOLD SOLID BREP表示一个零件实体，实体CLOSED由一到多个ADVANCED FACE实体组成。一个\"ADVANCED
FACE实体由一个FACE_BOUND实体(面的边界)和一个SURFACE实体(基本曲面或参数曲面)组成。一个FACE_BOUND实体由一到多个EDGE LOOP组成，一个EDGE LOOP由多个EDGE CURVE组成。一个EDGE起点和终点的两个顶点以及一个\"CURVE实体(基本曲线或参数曲线)组成。
STEP标准CAD实体模型几何拓扑信息提取的步骤是：读／入STEP中性文件，将数据段的的各个实体存入数组中，取出CLOSED SHELL实体的属性列表得到它包含的IADVANCED—FA,CE实体的个数N，分别提取各个ADVANCED FACE实体所包含的几何拓扑实体的信息并分别存入各种数组中。 2．2 CAD模型的直接分层
对CAD模型进行分层就是用一系列分层平面对CAD模型进行剖切处理从而获得CAD模型的一层层的截面轮廓数据。直接分层的核心在于曲面与分层平面的求交，STEP实体模型中曲面分为初等曲面(二次曲面)、扫描曲面和B样条曲面三类。对初等曲面、扫描曲面与平面的求交算法，我们采用几何法求解，根据平面与曲面的相对位置与角度，直接判断交线的类型，其准确性大大优于代数方法。
对于B样条曲面等参数曲面与平面的求交，离散法和跟踪法是两类主要算法，本文结合二者的优点采用离散跟踪的方法来求参数曲面与平面的交线。其步骤是：首先在曲面参数域内将曲面划分为许多个小的子曲面片并加以编号；对所有子曲面片进行平坦性判断(即用户指定的允许误差范围内是否可以将子曲面片近似为平面)，如果不满足平坦性
要求，则将子曲面片进一步剖分成四个更小的子曲面片，直到满足平坦性要求为止；寻找跟踪起点，若曲面的边界曲线与分层平面相交，则它们的交点为跟踪起
点，否则循环搜索所有子曲面片与分层平面是否相交，直到找到交点为止并将交点作为跟踪起点：根据子曲面片之间的拓扑关系，从交线与当前子曲面片出来的边的位置来判断交线下一个要进入的相邻子曲面片，并求得它与分层平面的交点，子曲面片与分层平面的求交视为平面与平面求交；重复上一步直到曲面的边界或回到跟踪起点为止，连接所有交点即为曲面与分层平面的一条交线。这种求交方法由于利用了曲面子曲面片之间的拓扑关系直接确定交线下一个要进入的子曲面片，从而提高了求交算法的效率。
分层的步骤是：系统读取STEP中性文件、提取几何拓扑信息并重构计算机内部几何模型；用户选择零件制作方向并指定分层厚度d；计算CAD模型的包围盒并从模型在z方向上的最小值开始分层，调用分层函数求得组成CAD模型的各个曲面与分层平面的交线；将交线排序成交线环得到当前层的轮廓；分层平面增加一个层厚的高度d，重复上面两步直到分层平面到达CAD模型的最大值z⋯为止：将分层结果(各层的轮廓数据以及高度值)写入SSL文件输出。 4结语
本文提出了一种基于STEP的在CAD系统外直接对CAD模型进行分层的方法，这种方法不依赖于特定的CAD系统从而更具有通用性和灵活性；在异地设计制造环境下，用户可以在CAD系统外重新选择零件
的制作方向；直接对CAD模型进行分层可以得到层片的精确轮廓，而且避免了STL文件的种种不足以及错误诊断和修复过程；与STL文件相比，STEP标准表示的CAD实体模型数据量小，便于远程数据传输和远程RP制造。由于直接分层具有许多优点，它已成为快速成型制造中分层技术的主要发展方向。
由于SSL文件格式采用折线来表示层片的轮廓，采用SSL文件格式输出层片数据造成了由直接分层得到的精确轮廓信息的丢失。迄今为止尚没有一种通用的可以精确表示层片轮廓曲线的层片文件格式，因此找到～种能够描述精确的层片轮廓信息的数据文件格式，值得人们的进一步研究，而STEP作为一种国际标准不仅可以表示3D实体模型，而且可以表示2D层片轮廓数据，它将是一种很有希望的RP领域通用的数据交换格式。
