基于Web的RP通用软件关键技术研究
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摘要
快速成形(Rapid Prototype,简称RP)与传统制造技术相比具有快速、准确地制造出各种复杂原型零件特点,这给传统制造业带来了革命性的变革。然而,随着网络技术发展和应用范围扩大,以封闭、单机系统为主的RP软件无法在各设备之间通用及信息共享,开发成本高,扩展性差,已经成为快速成形技术进一步发展的瓶颈。为开发通用的RP系统,本文对基于Web的RP通用软件关键技术进行了研究。具体研究内容如下:
1、CAD模型三角化缺陷(STL文件)自动修复算法研究。通过对CAD模型三角化得到的STL格式文件中各种错误的分析,研究一种修复的新算法。采用平衡二叉树法来剔除STL面片数据中的冗余顶点;使用哈希表作为附加的数据结构快速查找半边,加快STL面片邻接拓扑关系的重建并解决数据的动态修改问题;构建错误广义表数据结构,对错误进行整体描述,提高自动检查、修复CAD模型三角化缺陷的速度。
2、自适应变层厚切片算法研究。在STL模型完整的基础上,根据给定的可接受误差值域以及用户规定的层片厚度范围,通过计算STL模型误差的方法,确定每一层的最佳层厚,以提高零件的制作精度;按照两三角形共用一边的原则,建立三角形面片之间的拓扑关系,在指定方向上快速生成切片轮廓线。
3、扫描路径与加工指令生成。根据层片轮廓线信息,选择合理的扫描方法进行封闭区域的填充。根据加工工艺要求和层面加工信息,生成快速成形加工代码,并对加工信息进行模拟。
4、基于Web的数据传送。为克服数控代码量大、传送速度慢的缺点,在分析代码数据结构的基础上,应用成熟的网络数据通信技术(Winsock),实现服务端和客户端之间数控代码的实时传送。
5、WebRPS系统的实现。根据WebRPS系统需求,建立系统功能模型并确定系统体系结构;根据系统的结构和组成,进行系统功能的划分,初步开发出基于Web的通用RP系统软件。
Compared with conventional manufacturing methods, Rapid Prototyping has the advantages of timesaving, precision. However, with the development of network technology and the expansion of its application, the RP software, which mostly is the stand-alone edition, can`t realize system integration and information sharing, the cost of software is high and the scalability is poor. So, it is becoming a bottleneck problem in the development period. In order to empolder general RP system, this paper studys the key techniques of Web-based general software system for RP. The main research contents are as follows:
1. A new repairing algorithm. According to the analyse of errors, a new repairing algorithm is discussed: the redundancy vertex in STL solid is wiped off by the AVL tree method; the hash table is used to rapidly look up half edge, fasting the establishment of topological relationships for STL solid and bounding the algorithm's running time; Based on the error broad sense table, the research wholly describe the errors and simplify the repair process.
2. The method of adaptive slicing. Based on the real STL model, the optimal slice thickness is determined by calculating the error of STL model, according to the given error bound and slice thickness bound and the accuracy of the model is improved; according to the principle that a half edge is just shared by two triangles, the topology of triangle mesh is set up, for fast generating the slice section line in spatial angle.
3. Scanning and NC code generation. The slice section is properly filled with pushing span-ends according to the information of slice section line; Based on the technical requirements and the machining information of slices, the software automatically generates the NC code of making to shape fast and make the simulation.
4. Data sending. Based on analyzing the characteristic of code data structure, the algorithm for Fast permitting NC code is discussed with the ripe long-rang data communication(Winsock) to overcome shortcoming of NC code as large number of data、transmit slow, etc..
5. WebRPS actualization. After analyzing the actual demands of WebRPS, the function model is established and the architecture is confirmed also; At last, the modules are plot out, and the WebRPS is initially developed according to the structure and makeup of system.
1、CAD模型三角化缺陷(STL文件)自动修复算法研究。通过对CAD模型三角化得到的STL格式文件中各种错误的分析,研究一种修复的新算法。采用平衡二叉树法来剔除STL面片数据中的冗余顶点;使用哈希表作为附加的数据结构快速查找半边,加快STL面片邻接拓扑关系的重建并解决数据的动态修改问题;构建错误广义表数据结构,对错误进行整体描述,提高自动检查、修复CAD模型三角化缺陷的速度。
2、自适应变层厚切片算法研究。在STL模型完整的基础上,根据给定的可接受误差值域以及用户规定的层片厚度范围,通过计算STL模型误差的方法,确定每一层的最佳层厚,以提高零件的制作精度;按照两三角形共用一边的原则,建立三角形面片之间的拓扑关系,在指定方向上快速生成切片轮廓线。
3、扫描路径与加工指令生成。根据层片轮廓线信息,选择合理的扫描方法进行封闭区域的填充。根据加工工艺要求和层面加工信息,生成快速成形加工代码,并对加工信息进行模拟。
4、基于Web的数据传送。为克服数控代码量大、传送速度慢的缺点,在分析代码数据结构的基础上,应用成熟的网络数据通信技术(Winsock),实现服务端和客户端之间数控代码的实时传送。
5、WebRPS系统的实现。根据WebRPS系统需求,建立系统功能模型并确定系统体系结构;根据系统的结构和组成,进行系统功能的划分,初步开发出基于Web的通用RP系统软件。
Compared with conventional manufacturing methods, Rapid Prototyping has the advantages of timesaving, precision. However, with the development of network technology and the expansion of its application, the RP software, which mostly is the stand-alone edition, can`t realize system integration and information sharing, the cost of software is high and the scalability is poor. So, it is becoming a bottleneck problem in the development period. In order to empolder general RP system, this paper studys the key techniques of Web-based general software system for RP. The main research contents are as follows:
1. A new repairing algorithm. According to the analyse of errors, a new repairing algorithm is discussed: the redundancy vertex in STL solid is wiped off by the AVL tree method; the hash table is used to rapidly look up half edge, fasting the establishment of topological relationships for STL solid and bounding the algorithm's running time; Based on the error broad sense table, the research wholly describe the errors and simplify the repair process.
2. The method of adaptive slicing. Based on the real STL model, the optimal slice thickness is determined by calculating the error of STL model, according to the given error bound and slice thickness bound and the accuracy of the model is improved; according to the principle that a half edge is just shared by two triangles, the topology of triangle mesh is set up, for fast generating the slice section line in spatial angle.
3. Scanning and NC code generation. The slice section is properly filled with pushing span-ends according to the information of slice section line; Based on the technical requirements and the machining information of slices, the software automatically generates the NC code of making to shape fast and make the simulation.
4. Data sending. Based on analyzing the characteristic of code data structure, the algorithm for Fast permitting NC code is discussed with the ripe long-rang data communication(Winsock) to overcome shortcoming of NC code as large number of data、transmit slow, etc..
5. WebRPS actualization. After analyzing the actual demands of WebRPS, the function model is established and the architecture is confirmed also; At last, the modules are plot out, and the WebRPS is initially developed according to the structure and makeup of system.
引文
[1] Kochan Detlef,Kai Chua Chee.Rapid prototyping issues in the 21st century.Computers in Industry,1999,39(1):3~10
[2]江开勇,刘斌,李洪友.快速成形技术的研究现状及发展趋势[J].华侨大学学报(自然科学版),2006,27(1):1~6
[3]王天明,金烨.快速成形技术概述及当前研究热点[A].航空制造技术,2005(6):62~64
[4]蔡南武,夏传艳.快速成形技术及其发展[C].沿海企业与科技,2006(8),51~53
[5]曹炜,曾忠,李合生.快速成形技术及其发展趋势[M].机械设计与制造,2006(5),104~106
[6]宋天虎.我国快速成形制造技术的发展和展望.中国机械工程.2000,11(10):1081~1083
[7]徐健,颜永年,卢伟.快速成形技术的发展方向.航空制造技术,2002,11:25~27
[8]杨思一,尹占民,仪垂杰,张开旺.快速成形技术研究发展现状及其应用前景.山东工程学院学报,2001,15(3):14~17
[9]杨家林,王洋,陈杨.快速成形技术研究现状与发展趋势.2003(1):28~29
[10] Gray R W, Baird D G, Bohn J H. Effects of processing conditions on short TLCP fiber reinforced FDM parts[J].Rapid Prototyp J,1998, 41:14~25
[11] Karalekas D E. Study of the mechanical properties of nonwoven fibre mat reinforced photopolymers used in rapid prototyping[J]. Materials & Design, 2003, 24(8):665~670
[12] Masood S H, Song W Q. Development of new metal/polymer materials for rapid tooling using fused deposition modelling[J]. Materials & Design, 2004, 25(7):587~594
[13]徐健,颜永年,卢伟,等.快速成形技术的发展方向[J].航空制造技术,2002,11:5~27
[14]黄树槐,肖跃加,莫健华,等.快速成形技术的展望[J].中国机械工程,2000,11(2):19~200
[15]吴任东,魏大中,颜永年,等.基于快速成形的低温冰形制造技术研究[J].低温工程,2003,(4):36~42
[16]徐健,颜永年,卢伟等.快速成形技术的发展方向.航空制造技术,2002(l1): 25~27
[17]姚福生,先进制造技术进展,北京航空航天大学学报.2004,30(4):290~295
[18]赵剑峰,基于选区激光烧结快速成形的快速制造技术研究,[博士学位论].南京航空航天大学,1999
[19]郭永红,卢清萍等.快速成形设备一览[J].计算机辅助设计与制造.2000,9:36~38
[20]卢洁萍.快速原型制造技术[M].北京:等教育出版社,2001
[21]田宗军,激光烧结快速成形计算机控制系统的研究和应用,[博士学位论文].南京航空航天大学,2000
[22]刘伟军.快速成形技术及应用.机械工业出版社,2005
[23]周华民,成学文,刘芬.STL文件错误的修复算法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(4):761~767
[24]刘芬,周华民,李德群. STL错误的手工修复方法研究[J].计算机工程与应用,2006,11:91~93
[25] Leong K F,Chua C K,Ng Y M.study of Sterelithgraphy file errors and repair.Part 1.Genericsolution[J].International Journal of Aadvanced Manufacting Technology,1996,12(6):407~414
[26] Leong K F,Chua C K,Ng Y M.study of Sterelithgraphy file errors and repair.Part 1.Generic solution[J].International Journal of Aadvanced Manufacting Technology,1996,12(6):415~422
[27] van NiekerkGJ, EhlersEM. Intelligent stereolithography file correction[A].In : Proceeding of SPIE, Boston Massachusetts, 2000,4192:54~62
[28]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[J].机械设计与制造工程,2002,31(3):45~47
[29]唐杰,周来水,周儒荣,等.STL文件修补算法研究[J].机械科学与技术,2000,19(4):677~679
[30]赵吉宾,刘伟军,王越超.STL文件的错误检测与修复算法研究[J].计算机应用,2003,23(2): 32~36
[31]刘金义,侯宝明.STL格式实体的快速拓扑重建[J].工程图学学报,2003,24(4):34~39
[32]张翔,廖文和,程筱胜,戴宁,安涛.STL格式文件的拓扑重建方法研究[M].机械科学与技术[M],2005,24(9):1093~1096
[33]侯宝明,刘雪娜.STL实体模型的拓扑重建及其缺陷修复[C].计算机工程,2005,31(3):213~217
[34]戴宁,廖文和,陈春美.STL数据快速拓扑重建关键算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(11):2448~2452
[35]陈波,张红梅,江颉,陈志杨.基于二叉树的冗余数据去除[C].计算机应用,2005,25:205~206
[36]张剑峰,黄因慧,赵剑峰.快速成形系统中STL模型缺陷的自动修复技术[J].扬州大学学报(自然科学版),2002,5(2):33~36
[37]崔树标,张宜生,梁书云,等1STL面片中冗余顶点的快速滤除算法及其应用[J].中国机械工程,2001,12(2):173~174
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[41] Sub Y. Wozny M.J.Adaptive slicing of solid freeform fabrication processes. Proceedings of Solid Freeform Fabrication Symposium,Austin,texas,1994, 404~411
[42] Kulkarni P.,Dutta D.Adaptive slicing for parameterizable surfaces for layered manufacturing.Proceedings of Design Automation conference,Boston, Massachusetts,1995,211~217
[43]刘斌,黄树槐.快速原型制造技术中实切片算法的研究与实现[J].计算机辅助设计与图形学学报,1997,11(6):489~492
[44]费业泰.误差理论与数据处理.机械工业出版社.合肥工业大学.2000,5
[45]习俊通,周满元,严隽琪.基于STEP的比均匀自适应分层方法[J].计算机集成制造系统,2004,10(2): 235~239
[46]阳佳,高广德,郭江洪.基Object ARX二维模型切片软件的开发[J].机械,2002,29(4):38~65
[47]陈绪兵,叶献方,黄树槐.快速成形领域中的直接切片研究[J].中国机械工程,2002,13(7):605~607
[48]陈青果,张君彩,韦卜堂等.MDT环境下Rp自适应分层算法中关键问题的研究[J].河北科技大学学报,2004, 25(3):73~76
[49]李仲阳,谢存禧,邵明等.快速成形的精度分析与自适应分层的研究[J].广东工业大学学报.200017(2):15~19
[50]李占利.快速成形制造中截面信息的计算方法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2001,13(12):1096~1100
[51]李占利.快速成形技术中分层参数的优化与决策[J].复旦人学学报(自然科学版),1999,38(4):395~400
[52]任乃飞,马涛,高传玉,蔡兰.基于SLS快速成形工艺的分区域扫描路研究[M]。中国机械工程,2003,16:1371~1373
[53]刘道远.快速成形中数摒处理软件的研究与实现,[硕士学位论文].
[54]胡汝霞.基于RE/RP直接集成的模型切片处理方法研究,[博士学位论文].江苏大学,2005
[55]陈青果. MDT环境下RP数据处理与设备驱动程序的研发,[博士学位论文].河北工业大学,2004
[56]王国俊.基于选区激光烧结快速成形技术的软件系统研究与实现,[硕士学位论文].南京航空航天大学,2005
[57]李伟.熔丝沉积成形填充路径优化及其软件研究,[硕士学位论文].华中科技大学,2005
[58]冯伟,“快速成形工艺集成软件系统的研究与实现”,清华大学工学博士学位论文,1996.
[2]江开勇,刘斌,李洪友.快速成形技术的研究现状及发展趋势[J].华侨大学学报(自然科学版),2006,27(1):1~6
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[16]徐健,颜永年,卢伟等.快速成形技术的发展方向.航空制造技术,2002(l1): 25~27
[17]姚福生,先进制造技术进展,北京航空航天大学学报.2004,30(4):290~295
[18]赵剑峰,基于选区激光烧结快速成形的快速制造技术研究,[博士学位论].南京航空航天大学,1999
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[36]张剑峰,黄因慧,赵剑峰.快速成形系统中STL模型缺陷的自动修复技术[J].扬州大学学报(自然科学版),2002,5(2):33~36
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[56]王国俊.基于选区激光烧结快速成形技术的软件系统研究与实现,[硕士学位论文].南京航空航天大学,2005
[57]李伟.熔丝沉积成形填充路径优化及其软件研究,[硕士学位论文].华中科技大学,2005
[58]冯伟,“快速成形工艺集成软件系统的研究与实现”,清华大学工学博士学位论文,1996.