基于Solidworks的快速成型制造技术的应用与精度分析

邹红霆



基于Solidworks的快速成型制造技术的应用与精度分析

邹红霆

（广东轻工职业技术学院 信息技术学院，广东 广州 421001）

快速成型制造技术在模具制造和新产品试制中有广泛应用，它能够快速制作零件或者模具，也可使用快速成形件当母模，翻制金属模具以制造产品样件。文章讨论了将Solidworks软件设计的三维实体模型通过STL转换格式与快速成型软件数据对接方法，并分析了三角面到曲面的弦高差对成型精度和成形速度的影响。

快速成型、Solidworks、数据对接、成型精度

快速成形（Rapid Prototyping, 简称RP）技术是上世纪80年代发展起来的一种新的成型制造方法，其主要思想是基于数字化的成形制造技术，即利用离散/堆积成型的“叠加法”来制造产品原型，其过程为：产品CAD三维模型→分层离散→根椐离散后的平面几何信息逐层加工/堆积原材料→生成实体模型。RPM技术集数控技术、计算机技术、新型材料技术、激光加工技术于一体，依靠Solidworks软件，在电脑中建立三维实体模型，并将其切分成一层层平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用熔结、粘结、聚合或化学反应等方法逐层有选择性地加工原材料，从而快速堆积生产成产品实体模型，整个过程如图1所示。

图1.快速成形实体模型数据处理流程

零件的制作完成，仅需几个小时至几十个小时，即使复杂、较大的零部件可能达到几百小时，但总体看，其制造速度比传统的用去除材料的加工方法还是要快得多，因些RP技术特别适合于新产品的开发和模具制造。

1　Solidworks与快速成型软件的数据对接

Solidworks是常用的机械设计CAD软件，它与快速成型软件数据接口类型主要有STL、STEP、IGES、CLI、LMI等文件转换格式，其中STL（Stereolithography）格式的原理是对三维模型通过表面三角网格化获得，即用小三角面片去逼近自由曲面，其逼近精度取决于曲面至三角形面的距离或曲面至三角形边的弦高差来控制（如图4所示）。STL文件格式具有生成容易、输入文件广泛、算法简单、模型易于分割等优点，被广泛作为快速成型领域的标准数据格式。

图2是Solidworks设计的玩具小熊的三维实体模型，图3则是经过STL数据转换后的零件模型，可以看到玩具小熊已经全部被三角形网格化了，这样模型数据就可输入快速成型软件中进行处理。

图2.玩具小熊Solidworks模型

图3.STL文件格式转换后零件模型

2　快速成型零件精度的控制

用快速成型软件的STL格式文件来近似等效三维模型，其原理是通过一系列的小三角形平面去逼近三维模型的自由曲面，每个小三角形单元可用三个顶点坐标（X，Y，Z）和一个法向矢量（N）来表示。可以通过选择三角形的大小，能达到控制不同的曲面近似精度。所以所谓近似处理就是用若干个三角形去等效一个三维几何实体，三角形数量越多，等效精度越高。但等效总是有一定的偏差，因此只能是无限接近得到近似的实体轮廓，如图4所示。

图4.STL格式文件近似处理圆弧

图5.STL文件中曲面替代的弦高差

从图5中不难看出快速成型零件精度主要取决于三角形面到曲面的弦高差h值，弦高差h值越小，则表示三角形面到曲面的距离越近，即说明三角形面越能逼近零件轮廓曲面。这样三角形越小，划分数量就越多，快速成型零件设计精度越高，制造出来的实体零件越逼真。

在进行STL文件格式转换时，可通过Solidworks软件中的对话框来选择弦高值，如图6。图2中的玩具小熊的弦高值范围是“0.0011131mm—0.02671434mm”，当选择输入最小弦高值“0.0011131mm”时，则有“347758个三角形已存入输出文件.stl”，这时零件所能达到的最高精度值。

三角形面到曲面的弦高差h越小，越能提高成型零件的精度，但是过小会导致划分三角形的数量较多，数据量也很大，计算数据处理与快速成型机制造实体零件时间都较长；反之，

图6.STL文件格式转换

弦高差较大时，划分三角形数量就少，计算数据处理与快速成型制造都比较快，但零件成型的精度就低，有时甚至会无法表达细小的特征结构。

由此可见，合适的弦高差h值的选择是重要的，其确定的原则应是在保证成型零件的精度的前提下，适当选较大值，以便提高制造成型零件的速度，这要根据各种不同实际零件的几何特征和复杂程度来进行综合考虑（见表1与表2）。

表1.用三角形近似表示圆柱体的误差[2]

三角形数目弦差差h（％）表面积误差（％）体积误差（％） 1019.16.4524.32 204.891.646.45 302.190.732.90 401.230.411.64 1000.200.070.26

表2.用三角形近似表示球体的误差[2]

三角形数目弦差差h（％）表面积误差（％）体积误差（％） 2083.4929.8088.41 3058.8920.5367.33 4045.4215.6653.97 10019.106.4524.32 5003.921.315.18 10001.970.662.61 50000.390.130.53

从表1与表2中可以看到，若要获得小于1％的弦高差，对于对于球体形状，则需选取1000个以上的三角形，但对于圆柱体形状，则只需选取40个以上的三角形就可以了。

3　结　论

（1）基于Solidworks的三维CAD实体造型，通过基于数字化技术的快速成形软件格式转换，快速成形机能将Solidworks设计出的零件快速地制造成实物，STL文件格式是较好的数据接口；

（2）STL文件格式转换时，应选择一个合适的弦高差h值，在保证成型零件的精度的前提下，适当选较大值，以便提高制造成型零件的速度。

[1]骆锐,吴沁.基于三维CAD软件的快速成型制造技术及其精度控制[J].机床与液压,2010,(4):96-97.

[2]王运赣.快速成形技术[M].武汉:华中科技大学出版社,1999,(9).

[3]江洪,等.Solidworks 2007基础教程[M].北京:机械工业出版社,2009,(8).

[4]陈田.面向快速产品开发的远程快速成型制造方法研究[J].农业机械学报,2003,(2):106-109.

（责任编校：何俊华）

2017－01－08

邹红霆（1965－），男，湖南衡阳人，广东轻工职业技术学院信息技术学院讲师，工程硕士，研究方向为计算机网络技术与计算机图形处理。

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1673-2219（2017）06-0079-02