基于自由三角表的低冗余动态拓扑结构分层算法与填充_于文强_9787111555322

本书详细论述了遍历范围逐步缩减的动态拓扑分层算法，开发了基于MFC单文档应用程序框架模板和OpenGL图形库的分层处理应用程序STLSlicing，实现了STL模型的三维可视化、等厚度分层及适应性分层等功能。并进行了熔积成型区域填充路径的优化研究，针对STL模型形成的轮廓截面的误差，采用NURBS曲线和直线相结合的方法，使轮廓曲线更加逼近原截面轮廓，比单纯使用NURBS曲线减少了工作量，缩短了拟合时间。
本书主要为从事增材制造的工程技术人员和科研人员提供技术参考，也可供相关工程技术人员参考使用。

区别于传统的“去除材料”加工模式，快速成型技术是通过分层处理技术将复杂的三维零件变成一系列二维层面的加工技术，比传统的加工方法节约了工时和成本。快速成型技术的核心是分层处理，对模型的分层结果直接决定了终的成型效率和精度。本书在以下四个方面做出了较为深入的研究工作：
1）在STL模型的三维可视化环节中引入了OpenGL的三个动态链接库。其中，几何内核库是核心，它定义了STL模型中几何对象（三角面片、单一实体等）的类；图形绘制库实现了模型显示的材质、光源和模型变换等功能；基本几何库是其他两个动态链接库的基础，它提供了基本的几何对象类与几何关系计算函数。通过以上三个动态链接库构建的层次结构，实现了STL模型的可视化。
2）在STL模型的等厚度分层算法中，搜索相交三角面片时，逐步删除那些已经参与过求交点的三角面片，实现遍历范围的逐步缩减，减少三角面片被重复搜索的次数。同时建立存储相交三角面片的对象（自由三角面片表）来存储当前层上的相交三角面片，并建立基于自由三角面片表的动态拓扑结构。动态拓扑结构充分利用了STL模型上相邻层之间信息高重复率的特点，能快速生成闭环轮廓。
3）在适应性分层算法中，首先根据FDM（Fused Deposition Modeling,熔积成型法）成型工艺中的成型设备喷头规格以及所使用的耗材的热膨胀系数推算出分层厚度的值和小值，确定适应性分层厚度的取值范围。在适应性分层厚度值的选择上，通过计算相邻层闭环轮廓之间的长度差值比率和重心偏移距离与设定阈值的偏差，来共同约束适应性分层的分层厚度。
4）在区域填充路径的优化研究中，针对STL模型形成的轮廓截面误差分析，采用NURBS曲线和直线相结合的方法，使轮廓曲线更加逼近原截面轮廓，比单纯地使用NURBS曲线减少了工作量，缩短了拟合时间。针对复合扫描方式，将不同的扫描速度、扫描间距和扫描方式相结合，提出匹配的工艺方法，兼顾模型精度的同时减少了填充区域用时。将填充区域划分成一个个单独的子区域进行填充，并对各子区域描述路径先后顺序进行优化处理，以达到避免喷头跨越型腔，减少了子区间跳转的距离，且有效减小了翘曲变形。
小罗伯特·沃恩·汤普森博士、教授
美国密苏里大学核科学与工程研究院、机械与航空航天工程系、微粒子系统研究中心基于自由三角表的低冗余动态拓扑结构
分层算法与填充序前言
随着当前国家政策对快速成型技术的鼓励和扶持，国内许多研究机构在快速成型技术中投入了大量人力和资金。快速成型技术也依靠自身优势条件在汽车制造、航空航天、食品加工、纳米制造、工业设备、医疗以及军事等领域取得了许多重大的研究成果，并产生了翻天覆地的改变。中国传统制造业的转型离不开快速成型这一战略技术，但是在快速成型技术上，与国外先进水平相比，中国还有一定差距，进口的快速成型设备价格比较高，并且有很多限制使用条件。如何制造出自己的高尖端的快速成型设备是我们亟需解决的问题。如何有效地对模型相关数据进行处理，以及在保证打印模型精度和强度的条件下提高成型效率是需要解决的重要问题。
本书首先针对STL模型在快速成型技术中的分层处理环节进行了研究，开发了基于MFC（Microsoft Foundation Classes,微软基础类库）单文档应用程序框架模板和OpenGL图形库的分层处理应用程序STLSlicing，该软件以文本格式的STL模型为数据接口文件，实现了STL模型的三维可视化、等厚度分层及适应性分层等功能。书中提出的分层算法都在应用程序STLSlicing上得到了实现，分层效果的实例验证与其相应的理论分析结果基本一致。通过本书的研究，提高了等厚度分层的分层效率，在适应性分层中，在提升分层精度的同时分层效率也得到了保障，从而为下一步应用程序与快速成型设备的匹配提供了可能性。
然后，针对熔融沉积成型区域填充路径进行了优化研究，其目标是在满足模型表面轮廓精度的条件下缩短填充时间，提高熔融沉积成型填充效率。依据熔融沉积成型过程影响成型精度的因素综合分析研究，运用NURBS拟合的方法减少填充过程中的轮廓误差。在获得原模型的逼近轮廓曲线后，对截面轮廓内部进行路径填充。首先运用区域分割算法把存在孔、洞的轮廓分成两个或者多个单独的区域，再采用凹变形凸分解算法把每个单独区域分成多个子区域，该算法有效减少喷头跨越内孔以及非成型区域的次数。这样，喷头空行程仅存在于从一个子区域到另一个子区域的过程中。在运动学模型下，通过对熔融沉积成型技术填充过程中填充角度的分析研究，发现不同区域存在着的填充角度。在每个子区域采用不同填充角度的方法可以有效地减少填充时间，并且减少填充过程中内应力的产生。后通过实例验证该优化方法的有效性和正确性，对保证模型精度、提高成型效率有很高的研究意义。
于文强
于2022年3月基于自由三角表的低冗余动态拓扑结构
分层算法与填充

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