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三维CAD实体文件转化STL文件格式精度研究

2017-09-29 17:33  by:有限元  来源:广州有道有限元

阐述了STL文件格式的基础知识,采用Pro/E软件,以典型壶类零件为例进行STL文件格式的转换,通过设置不同数值的参数进行精度对比,研究影响STL精度的关键数值。对比分析表明,弦高和步长参数是决定STL精度的关键参数。

1 引言

    快速成型技术的高速发展和广泛应用对制造业造成了深远影响,综合了机械工程、CAD数控技术、激光技术及材料科学技术,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而对零件设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短零件研发周期。

    快速成型机大都能识别和打开STL文件格式。STL文件格式是一个接口协议,为快速原型制造技术服务的三维图形文件。它使用三角形面片来表示三维实体模型,现已成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一,绝大多数造型系统能支持并生成此种文件格式,并广泛应用于数控加工、有限元分析逆向工程和医学成像系统等领域。

    目前主流的三维CAD软件都支持STL文件格式转换,现介绍STL格式基础知识,选取Pro/E4.0(野火版)软件,阐述3D实体文件转化STL格式的设置以及精度比较,通过数据对比,得出一般通用的STL文件格式设置数据。

2 STL格式

    STL文件采用系列三角形网格组合来拟合三维实体模型的表面,STL的每个三角形网格表达由三角形的3个顶点及三角形面的单位法矢量组成。STL文件的存取信息中不包含三角形面片之间的几何拓扑关系。

    STL文件类型包括文本(ASCII)和二进制(BINA-RY)2种类型。ASCII格式的文件逐行给出三角形面片的几何信息,每一行以1个或2个关键字开头。第一行是三角形面片指向实体外部的法矢量坐标,由facet normal开头,第二行为outer loop关键字,随后的第3、4、5行数据分别是三角形面片的顶点坐标,分别以vertex关键字开头,3顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列,第6、7行分别为endloop和endfacet关键字,标记一个三角形面片描述完毕。

    二进制STL文件和表达方式与ASCII格式有差异,采用了固定的字节数目来描述三角形面片信息。所描述的内容是三角形面片的个数、每个三角形面片的几何信息,包括法矢量、3个顶点坐标、三角形面片的颜色等属性信息。由于固定了字节数目,STL文件的大小和三角形面片数存在确定的数学计算公式,即一个二进制STL文件的大小为三角形面片数乘以50再加上84个字节。

3 3D转换STL

    现采用Pro/E4.0(野火版)软件进行STL格式的转换。转换过程:File(文件)→Save a Copy(保存副本)→Model(模型名称)→选择文件类型为STL(*.stl)。

    以图1所示壶类零件为例进行示范,进行STL转换设置后,跳出图1所示的STL导出参数框。

图1 STL导出参数框

    参数框主要包括STL格式选择(默认为二进制)、三角形面片拟合参数设置、文件名。其中,三角形面片拟合参数设置将直接决定快速成型的零件精度。

    接受默认参数,即弦高0.306602mm,角度控制0.5000度,步长3.066019。系统提示2390个三角形面片已经写入输出文件lkeleping.stl,生成的STL文件大小117kb,如图2所示。

图2 默认参数


 修改参数,弦高0.15mm,其余不变,提示三角形面片4766个,STL文件大小233kb,如图3所示。

3 弦高0.15mm


 修改参数,弦高0.15mm,其余不变,提示三角形面片4766个,STL文件大小233kb,如图3所示。

4 角度0.25度


    修改参数,弦高不变,角度0.02度,提示三角形面片2270个,STL文件lllkb,如图5所示。

图5 角度0.02度


    修改步长为默认值的一半即1.5,弦高、角度默认,提示三角形面片20868个,STL文件大小1020kb,如图6所示。


图6 步长1.5


修改步长为默认值的一半即1.5,弦高输入0(默认修改为0.009100mm,即为软件系统最高精度0.01mm),角度0.02度,提示三角形面片81806,STL文件大小1020kb,如图7所示。


图7 高精度参数之一


    三角形面片拟合实体精度大幅提高,继续上述优化,步长修改0.3,其余参数不变,三角形面片456858个,文件大小22308kb,三角形面片和文件大小显著提高,如图8所示。


图8 高精度参数之二

将上述参数调整统计如表1所示:


1 STL导出参数设置数据

    从表1可以分析,影响STL文件三角形面片个数的参数主要是弦高和步长,弦高越小,步长越小,拟合实体所产生的三角形面片个数越多,同时文件大小越大。在实际生产中,由于STL文件最终要进行后面的操作,如快速成型,最终零件的精度受到快速成型系统精度的制约,数值1即为精度最低的参数组(快速成型效率最高),选取数值7即可满足一般精度要求,如果有特别高精度要求,可选取数值8进行STL文件的设置。

4 结束语

    以典型壶类零件为例,基于Pro/E4.0(野火版)软件,阐述了STL文件导出的参数设置和精度影响,通过对比8组试验数据,可以看出影响STL精度的3个参数中,弦高和步长是决定STL精度的关键因素,并得出不同条件下常用的参数设置值,具有实际工程应用意义。


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