基于快速成型的CAD模型数据转换之对比

蔡冬根，周天瑞，吴海燕

（1.南昌大学 机电工程学院，南昌 330031；2.江西制造职业技术学院，南昌 330095；3.南昌搪瓷厂，南昌 330029）

0 引言

快速成型技术是采用离散切片、分层累积成型的一种先进制造方式，其中每一层的加工都是根据三维CAD模型切片得到的截面轮廓数据来形成加工轨迹[1]。也就是说，快速成型的制作需要前端CAD数字模型的支持，CAD模型要处理成RP系统能接受的数据格式，并且要在原型制作之前或过程中进行堆积方向的分层切片处理。因此，在RP技术中需要进行大量的数据处理等准备工作，其中最关键的是从三维CAD模型至快速成型接口的数据转换和处理。数据的充分准备和有效处理决定着原型制作的效率、质量和精度[2]。

由于不同的CAD系统采用不同的数据格式描述几何形体，给数据交换、信息共享造成障碍，导致快速原型制造设备与不同CAD系统间存在兼容性问题。如图1所示，在快速成型的数据处理与转换过程中，往往要将前期的CAD数字模型、点云或图像数据转换为RP系统所能接受或兼容的中间格式文件。其中，数据格式的选择是一个很重要的问题。它既要满足RP制造的要求，便于RP系统接受和处理，又要便于不同CAD系统生成，可使不同的CAD模型数据进行有效快速的交换。

1 CAD/RP系统间的常用数据接口类型

图1 快速成型制造的数据处理过程

目前应用于RP技术的CAD模型数据转换格式主要有三种：RP三维面片模型格式（如STL、CLI等）、CAD三维数据格式（如IGES、STEP、DXF、VDA-FS等）和二维层片数据格式（如SLC、CLI、HPGL 等）。

现行的快速成型设备，尤其是商品化的RP设备，普遍是利用STL格式文件表示的CAD模型进行离散分层处理。也就是说，采用Pro/E、AutoCAD、UG等系统建立CAD模型后，应进行表面网格化处理，将其转换为三角形面片表示的多面体模型，即STL文件。STL（Standard Template Library）是一种用三角形面片近似表达CAD实体模型的文件格式。它是若干空间小三角形面片的集合，包含点、线、面的几何信息，能够完整表达实体表面信息[3]。目前，很多主流商用CAD软件，如I-DEAS、Unigraphics、Solidworks、

Pro/E、AutoCAD等都支持STL文件的输入、输出。相对于其他数据格式而言，STL文件主要的优势在于数据格式简单和良好的通用性，其后续切片算法易于实现，在快速成形领域得到了广泛应用，成为该领域事实上的接口标准和最常用的数据交换文件[2]。但由于STL模型是对CAD模型的表面近似，无论STL文件格式及基于STL的软件如何改进，也很难满足高精度零件的加工。

为了不断提高模型的离散精度，必须采用其它文件格式以及开发高效、精确的数据处理软件。国内外众多的学者和研究人员对此进行了大量的研究，其中绕过STL文件，由三维实体直接获取分层信息，或建立CAD系统与快速成型机之间高度兼容的标准数据接口文件，已成为快速成型技术提高精度的一个重要发展方向[2,4]。如文献[5]和文献[6]分别基于Unigraphics和I-DEAS软件系统进行二次开发，利用其内部强大的自动求截面功能对CAD模型进行直接分层。但是，它们只能依赖于某种特定的CAD系统或者只是针对某一类CAD模型进行分层处理。相比而言，利用中间的标准数据交换文件，开发独立于CAD系统和快速成型机的直接分层方法是一种更为理想的选择。如文献[7]和文献[8]利用IGES文件开发了直接分层软件，文献[9]、[10]研究了基于STEP模型的直接分层方法，在CAD系统外进行模型的直接分层，不依赖于任何特定的CAD系统，通用性和灵活性好。与STL文件相比，基于IGES、STEP格式的CAD模型直接分层避免了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，提高了制作零件的表面质量。

2 STL、IGES和STEP的数据转换大小分析

基于Pro/E软件平台，建立支撑座、对讲机镜片、手机面板、茶壶等10个零件的CAD模型，然后将其分别转换为STL、IGES和STEP模型文件（进行ASCII码STL格式转换时，弦高误差设为0.05mm、角度控制误差设为0.5），并对模型转换中的数据量变化、误差等进行对比分析。

根据零件CAD模型转换得到的STL、IGES和STEP等格式文件，分别比较其数据量大小。从中可以看出，STL文件的大小取决于转换中三角面片的数量，而三角面片的数量取决于模型的尺寸大小和弦高误差、角度控制误差的设定。一般而言，相同尺寸的零件模型，包含的自由曲面数目越多、曲面曲率变化越复杂，其STL文件的数据量越大。STL文件的大小与模型三角面片的数量成正比，一般100个面片数约占25.3KB。

以手机套、电话机面板、茶壶为例，如图2所示，其三角面片数量分别为52940、48706和64976个，STL文件大小为13385KB、12240KB和16385KB。而减速器箱盖虽然具有更大的模型尺寸，但由于模型中几何元素简单、自由曲面数目很少，所以转换生成的三角面片数仅为9280个，对应STL文件仅2369KB。从STL、IGES和STEP三者的对比来看，一般而言，CAD模型的STEP文件数据量最小，STL文件数据量最大，而IGES文件次之。从格式文件大小的平均情况来看，同一CAD模型的IGES文件约为相应STL文件的2/3；STEP文件约为相应STL文件的1/3，为相应IGES文件的1/3。

图2 数据转换实验的三维模型

3 STL、IGES和STEP的数据转换误差分析

在RP技术的模型转换过程中，不可避免地会产生精度损失。本文将CAD模型经数据转换后得到的STL、IGES和STEP等模型对原实体模型的逼近精度，称为模型的转换精度。这里采用易于测量的表面积误差和体积误差来予以分析，即表面积误差为δs=（SSTL/IGES/STEP-SCAD）/ SCAD,体积误差为 δv=（VSTL/IGES/STEP-VCAD）/ SCAD。

为减少由于CAD应用软件内部架构的不同而导致的数据丢失或数据错误，这里在数据导出和导入时采用同一个软件平台，即Pro/E野火4.0版。如图3所示为基于Pro/E系统进行数据转换对比检测的流程。从不同格式文件的模型转换误差来看，IGES和STEP模型的转换误差很小，而STL模型的转换误差相对较大。其中，STL模型的表面积误差一般介于0.01～0.17%，平均误差为0.06%，体积误差一般介于0.02～0.4%，平均误差为0.11%；IGES模型的表面积误差均低于0.003%，平均误差为0.0007%，体积误差均低于0.01%，平均误差为0.005%；STEP模型的表面积误差均低于0.001%，平均误差为0.0004%，体积误差均低于0.008%，平均误差为0.004%。可见，IGES、STEP模型的表面积误差约为STL模型误差的1/100，体积误差约为STL模型误差的1/25；在相同格式文件的转换中，模型的表面积误差小于体积误差，其中STL模型的表面积误差约为体积误差的1/7，IGES和STEP模型的表面积误差约为体积误差的1/10。同时，利用Pro/E的分析功能对其STL、IGES和STEP模型进行曲面的高斯曲率着色检验和几何检查等，如图4所示，也可以发现STEP模型的转换效果最优。

图3 基于Pro/E的CAD模型数据转换对比流程

图4 茶壶的曲面高斯曲率检测分析

4 结束语

数据处理技术一直是RP研究的重点和热点问题。STL文件格式作为分层制造的工业标准，因存在前述的诸多缺点，已不能适应RP技术的进一步

发展。STEP格式提供了产品整个生命周期的数据表达和交换机制，作为CAD与RP系统之间的数据接口，具有通用性、可扩展性和可集成性好的优点，比目前任何其他数据交换标准更能全面描述CAD模型，相比STL和IGES提供了更好的转换机制。随着快速成型直接分层技术的不断推广和应用，将RP工艺结合到STEP中是将来的发展方向，STEP文件最有可能替代STL文件成为RP的标准数据文件。

[1] 赵吉宾, 刘伟军.快速成型技术中分层算法的研究与进展[J].计算机集成制造系统, 2009, 15(2): 209-221.

[2] 郭九生, 梁正和, 洪军, 卢秉恒.快速成型制造中几何模型和数据模型的处理技术[J].机械科学与技术, 1998,17(1): 88-93.

[3] 朱虎, 杨忠凤, 张伟.STL文件的应用与研究进展[J].机床与液压, 2009, 37(6): 186-189.

[4] 冯伟, 段广洪, 王万飞.快速成形制造中的数据处理与转换技术[J].中国机械工程, 1996,7(3): 41-43.

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

[6] VUYURU P, KIRSCHMAN C F, FADEL G, et al.A NURBS-based approach for rapid product realization[C] //Proceedings of the 5th International Conference on Rapid Prototyping.Dayton, Ohio, USA: University of Dayton,1994: 12-15, 229-240.

[7] HOPE R L, JACOBS P A, ROTH R N.Adaptive slicing with sloping layer surfaces[J].Rapid Prototyping Journal,1997, 3(3): 89-98.

[8] HOPE R L, JACOBS P A, ROTH R N.Rapid prototyping with sloping surfaces[J].Rapid Prototyping Journal, 1997,3(1): 12-19.

[9] 周满元, 习俊通, 李君.一种基于STEP的CAD模型直接分层方法[J].计算机集成制造系统, 2005, 11(9): 1243-1247

[10] STARLY B, LAU A, SUN W, et al.Direct slicing of STEP based NURBS models for layered manufacturing[J].Computer-Aided Design, 2005, 37(4): 387-397.