鄒紅霆

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基于Solidworks的快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用與精度分析

鄒紅霆

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 421001）

快速成型制造技術(shù)在模具制造和新產(chǎn)品試制中有廣泛應(yīng)用，它能夠快速制作零件或者模具，也可使用快速成形件當(dāng)母模，翻制金屬模具以制造產(chǎn)品樣件。文章討論了將Solidworks軟件設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型通過STL轉(zhuǎn)換格式與快速成型軟件數(shù)據(jù)對(duì)接方法，并分析了三角面到曲面的弦高差對(duì)成型精度和成形速度的影響。

快速成型、Solidworks、數(shù)據(jù)對(duì)接、成型精度

快速成形（Rapid Prototyping, 簡(jiǎn)稱RP）技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新的成型制造方法，其主要思想是基于數(shù)字化的成形制造技術(shù)，即利用離散/堆積成型的“疊加法”來制造產(chǎn)品原型，其過程為：產(chǎn)品CAD三維模型→分層離散→根椐離散后的平面幾何信息逐層加工/堆積原材料→生成實(shí)體模型。RPM技術(shù)集數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型材料技術(shù)、激光加工技術(shù)于一體，依靠Solidworks軟件，在電腦中建立三維實(shí)體模型，并將其切分成一層層平面幾何信息，以此控制激光束的掃描方向和速度，采用熔結(jié)、粘結(jié)、聚合或化學(xué)反應(yīng)等方法逐層有選擇性地加工原材料，從而快速堆積生產(chǎn)成產(chǎn)品實(shí)體模型，整個(gè)過程如圖1所示。

圖1.快速成形實(shí)體模型數(shù)據(jù)處理流程

零件的制作完成，僅需幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)，即使復(fù)雜、較大的零部件可能達(dá)到幾百小時(shí)，但總體看，其制造速度比傳統(tǒng)的用去除材料的加工方法還是要快得多，因些RP技術(shù)特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)和模具制造。

1　Solidworks與快速成型軟件的數(shù)據(jù)對(duì)接

Solidworks是常用的機(jī)械設(shè)計(jì)CAD軟件，它與快速成型軟件數(shù)據(jù)接口類型主要有STL、STEP、IGES、CLI、LMI等文件轉(zhuǎn)換格式，其中STL（Stereolithography）格式的原理是對(duì)三維模型通過表面三角網(wǎng)格化獲得，即用小三角面片去逼近自由曲面，其逼近精度取決于曲面至三角形面的距離或曲面至三角形邊的弦高差來控制（如圖4所示）。STL文件格式具有生成容易、輸入文件廣泛、算法簡(jiǎn)單、模型易于分割等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛作為快速成型領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。

圖2是Solidworks設(shè)計(jì)的玩具小熊的三維實(shí)體模型，圖3則是經(jīng)過STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的零件模型，可以看到玩具小熊已經(jīng)全部被三角形網(wǎng)格化了，這樣模型數(shù)據(jù)就可輸入快速成型軟件中進(jìn)行處理。

圖2.玩具小熊Solidworks模型

圖3.STL文件格式轉(zhuǎn)換后零件模型

2　快速成型零件精度的控制

用快速成型軟件的STL格式文件來近似等效三維模型，其原理是通過一系列的小三角形平面去逼近三維模型的自由曲面，每個(gè)小三角形單元可用三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）和一個(gè)法向矢量（N）來表示?？梢酝ㄟ^選擇三角形的大小，能達(dá)到控制不同的曲面近似精度。所以所謂近似處理就是用若干個(gè)三角形去等效一個(gè)三維幾何實(shí)體，三角形數(shù)量越多，等效精度越高。但等效總是有一定的偏差，因此只能是無限接近得到近似的實(shí)體輪廓，如圖4所示。

圖4.STL格式文件近似處理圓弧

圖5.STL文件中曲面替代的弦高差

從圖5中不難看出快速成型零件精度主要取決于三角形面到曲面的弦高差h值，弦高差h值越小，則表示三角形面到曲面的距離越近，即說明三角形面越能逼近零件輪廓曲面。這樣三角形越小，劃分?jǐn)?shù)量就越多，快速成型零件設(shè)計(jì)精度越高，制造出來的實(shí)體零件越逼真。

在進(jìn)行STL文件格式轉(zhuǎn)換時(shí)，可通過Solidworks軟件中的對(duì)話框來選擇弦高值，如圖6。圖2中的玩具小熊的弦高值范圍是“0.0011131mm—0.02671434mm”，當(dāng)選擇輸入最小弦高值“0.0011131mm”時(shí)，則有“347758個(gè)三角形已存入輸出文件.stl”，這時(shí)零件所能達(dá)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，但是過小會(huì)導(dǎo)致劃分三角形的數(shù)量較多，數(shù)據(jù)量也很大，計(jì)算數(shù)據(jù)處理與快速成型機(jī)制造實(shí)體零件時(shí)間都較長(zhǎng)；反之，

圖6.STL文件格式轉(zhuǎn)換

弦高差較大時(shí)，劃分三角形數(shù)量就少，計(jì)算數(shù)據(jù)處理與快速成型制造都比較快，但零件成型的精度就低，有時(shí)甚至?xí)o法表達(dá)細(xì)小的特征結(jié)構(gòu)。

由此可見，合適的弦高差h值的選擇是重要的，其確定的原則應(yīng)是在保證成型零件的精度的前提下，適當(dāng)選較大值，以便提高制造成型零件的速度，這要根據(jù)各種不同實(shí)際零件的幾何特征和復(fù)雜程度來進(jìn)行綜合考慮（見表1與表2）。

表1.用三角形近似表示圓柱體的誤差[2]

三角形數(shù)目弦差差h（％）表面積誤差（％）體積誤差（％） 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體的誤差[2]

三角形數(shù)目弦差差h（％）表面積誤差（％）體積誤差（％） 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

從表1與表2中可以看到，若要獲得小于1％的弦高差，對(duì)于對(duì)于球體形狀，則需選取1000個(gè)以上的三角形，但對(duì)于圓柱體形狀，則只需選取40個(gè)以上的三角形就可以了。

3　結(jié)　論

（1）基于Solidworks的三維CAD實(shí)體造型，通過基于數(shù)字化技術(shù)的快速成形軟件格式轉(zhuǎn)換，快速成形機(jī)能將Solidworks設(shè)計(jì)出的零件快速地制造成實(shí)物，STL文件格式是較好的數(shù)據(jù)接口；

（2）STL文件格式轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)合適的弦高差h值，在保證成型零件的精度的前提下，適當(dāng)選較大值，以便提高制造成型零件的速度。

[1]駱銳,吳沁.基于三維CAD軟件的快速成型制造技術(shù)及其精度控制[J].機(jī)床與液壓,2010,(4):96-97.

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[3]江洪,等.Solidworks 2007基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009,(8).

[4]陳田.面向快速產(chǎn)品開發(fā)的遠(yuǎn)程快速成型制造方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003,(2):106-109.

（責(zé)任編校：何俊華）

2017－01－08

鄒紅霆（1965－），男，湖南衡陽人，廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形處理。

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1673-2219（2017）06-0079-02