CN106126129B - 用于3d模型对象的特征参数表达方法及打印格式和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于3D模型对象的特征参数表达方法，用于计算机表述3D模型对象，所述方法包括以下步骤：a.将构成3D对象模型的基本特征分为N、S、R及K四个特征；b.在表述3D模型对象时，将所需表述的3D模型对象按以上分类规则划分为数个基本单位；c.确定各类型需要的参数信息；d.完全表述该3D模型对象。一种基于特征参数表达方法的3D打印文件格式，称为FPF格式；一种基于FPF文件的3D打印方法，利用相关绘图软件将待打印3D物品转换为待打印3D模型，模型以特征参数表达方法保存为FPF文件；FPF文件传输至3D打印机。本方法所用数据量较少。

Description

用于3D模型对象的特征参数表达方法及打印格式和方法

技术领域

本发明涉及打印技术领域，特别是一种3D打印的模型对象的特征参数表达方法及3d打印文件格式，以及利用该文件格式进行3d打印的方法。

背景技术

3D打印技术是近些年来出现的一种新的制造方式。3D打印也叫快速成型（RP，Rapid Prototyping）技术，它是近些年来被认为很有前景的制造方式，甚至有人将3D打印称为继互联网技术之后的第四次技术革命。完整的3D打印系统通常由两部分构成，一部分是计算机辅助设计系统，利用CAD等造型软件实现三维模型的设计。另一部分是打印系统，它根据设计的数据驱动运动控制系统实现物品的打印成型。

现有技术中通常采用基于STL格式的3D打印系统，其基本思想是用多个三角片去逼近三维造型，由该多个三角片信息构成STL文件，然后将STL文件传输给3D打印机，3D打印机用分层求交的办法得出层面信息，从而给出每层的打印规划，以便进行3D打印；上述基于STL格式的3D打印系统存在明显的缺陷：第一，在造型软件中需要用三角片面去逼近三维模型，从而得到STL文件，在打印系统中则需要进行分层求交处理，即用一组平行平面去截取由三角片面构成的用来逼近原三维模型的近似造型，获取一组平行的截面（二维层皮），无论是用三角片面去逼近三维造型，还是分层求交处理都需要大量的计算，工作繁琐，工作量大，相应的效率低；第二，传输的数据量是所有三角片的顶点及矢量信息，因为涉及的三角片数量众多，需传输的数据量大；第三，用三角片面去逼近三维模型，存在较大误差，并存在很多缺陷。

发明内容

本发明针对这种情况，对3D打印系统中所可能采用的数据格式进行分析，提出了一种用于计算机表述 3D 模型对象的特征参数表达方法，及基于特征参数表示的3D打印文件格式（FPF, Feature Parameter File,特征参数文件），及与此文件格式相适应的网络3D打印系统结构模型。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于3D模型对象的特征参数表达方法，用于计算机表述 3D 模型对象，所述方法包括以下步骤：

a. 将构成3D对象模型的基本特征分为N、S、R及K四个特征，其中N类型是能以空间曲面方程f（x,y,z）=0的形式表达或以参数方程表达、或以B样条或以NURBS表达的自由曲面，S类型是基于一个基准面上的草图沿与基准面成一定角度的向量方向进行拉伸后形成的空间曲面， R类型是由一段或多段曲线旋转构成的空间曲面，K类型为用上面三种方法不能描述的，用截面图形特征进行描述的表达方式；

b. 在表述3D模型对象时，将所需表述的3D模型对象按以上分类规则划分为数个基本单位，所述3D对象模型不一定包含上面所有特征类型，可能只包含其中的一种或者几种；

c. N类型需要确定x、y、z的取值范围或自由曲面的控制点参数信息表示的曲面方程，S类型需要确定基准面位置，基准面图形的形状参数，基准面倾角以及拉伸的向量参数；R类型需要确定旋转轴的位置参数及方向，旋转的轮廓线的形状参数；K类型是根据该空间模型对象的构成信息，以与任一空间轴成一定角度的多个平行截面与该模型相交，可以得到一组平行的截面，每个截面上具有3D模型与平行截面相交形成的图形，记录所有平行截面上图形的参数，以及每个平面位置参数，即可得到所述K类型的特征参数；

d.以上特征参数确定后，综合记录所有类型的特征参数，即可完全表述该3D模型对象。

一种基于特征参数表达方法的3D打印文件格式，称为FPF格式， FPF文件由文件头、特征类型、特征参数、参数信息、文件结尾组成，其中文件头表示文件为FPF文件、模型的组成部份、文件长度、基准坐标X轴、基准坐标Y轴、基准坐标Z轴以及3D打印方向，特征类型描述该空间模型的分类归属于N、S、R或K的任一种；特征参数记录了定义所有类型的特征参数；参数信息记录各种类型特征参数的详细信息；最后是文件结尾，包括文件是否结束等信息，进一步的，所述文件格式中还有校验位，对传输的文件是否传输错误进行校验。

一种基于FPF文件的3D打印方法，包括以下步骤：

a. 利用相关绘图软件将待打印3D物品转换为待打印3D模型，模型以特征参数表达方法保存为FPF文件；

b. 将FPF文件传输至3D打印机；

c. 据FPF特征形成层面文件，进行层面路径规划；

d. 驱动3D打印机进行打印。

本发明取得的积极有益效果在于：采用特征参数表示三维设计的造型，所用数据量较少，同时避免了三角片面逼近运算，尽可能减少或者避免平面求交运算，大大减少了计算量，而且较少的数据量易于保存、通过网络传输，同时可根据三维模型的某些形状规律，减少数据量，减少运算量，进一步提高3D打印速度，改善3D打印系统的性能，这种方式特别适合于计算能力比较弱的设备进行三维造型设计，较少的数据量使得在网络中传输打印文件更加可行，可以减少工作量，提高工作效率，而且以特征参数表示的模型文件FPF数据量小，也可以在快速成型（RP, Rapid Prototyping）领域使用。

具体实施方式

实施例：

FPF文件（FPF, Feature Parameter File,特征参数文件）中各特征类型及其编码如表1所示：

表1，特征类型及其类型代码：

FPF文件格式如表2所示：

表2， PFP文件格式：

K类型实施例，以下为K类型表达方法表示的一种实施例：

将三维模型用一组平行平面切割形成一组截面，截面上的图形就是平面和三维造型相交形成的图形，K类型就是用截面上的图形来进行记录的一种表示方法，和其相关的特征信息如表7所示。

表7，K类型特征信息：

图形信息 ，在特征参数后面记录每层（截面）信息，每层的信息由该层上包含的图形信息组成，每层的第一个字节表示该层共有几个图形，然后是关于每个图形的描述，图形信息由图形代号和图形描述构成，图形代号占一个字节，图形代号对应的含义如表3所示：

表3，图形代号对应的图形：

图形描述，各个图形的描述如表4所示：

表4 ，图形的描述：

复合曲线比较复杂，其图形代号后面的一个字节表示该封闭曲线由多少条线段构成，后面表示每条线段的信息，线段信息由类型代号和线段描述构成，线段的类型包括直线、圆弧、椭圆弧段、样条曲线段，分别用一个字节的类型代号来表示，如表5所示，后面依次是每个线段的描述，线段的描述如表6所示：

表5 复合曲线线段的类型：

表6，线段描述：

以下为N类型表示的一种实施例：

N类型是能以空间参数方程或以B样条（包括NURBS）表达的曲面构成的封闭的实体，这一种类型适合于用参数方程或者自由曲面的控制点能够表示的封闭曲面构成的实体，封闭曲面包括但不限于表8所列：

表8 ，N类型特征信息：

以下为S类型表示的一种实施例：

S类型是基于一个基准面上的草图沿与基准面成一定角度的向量方向进行拉伸后形成的空间实体，这一种类型适合于用通过拉伸形成的实体，拉伸时可以按照一定的比例进行缩放，S类型描述如表9所示：

表9 ，S类型特征信息：

R类型是由一段或多段直线或者曲线旋转构成的空间旋转曲面加上两端的平面构成的实体，适合描述以旋转面构成的实体，R类型特征信息如表10所示：

表10， R类型特征信息：

Claims (4)

1.一种用于3D模型对象的特征参数表达方法，在3D打印中用于计算机表述 3D 模型对象，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

a. 将构成3D模型对象的基本特征分为N、S、R及K四个特征，其中N类型是能以空间曲面方程f （x,y,z）=0的形式表达或以参数方程表达、或以B样条或以NURBS表达的自由曲面，S类型是基于一个基准面上的草图沿与基准面成一定角度的向量方向进行拉伸后形成的空间曲面， R类型是由一段或多段曲线旋转构成的空间曲面，K类型为用上面三种方法不能描述的，用截面图形特征进行描述的表达方式；

b. 在表述3D模型对象时，将所需表述的3D模型对象按以上分类规则划分为数个基本单位，所述3D模型对象不一定包含上面所有特征类型，可能只包含其中的一种或者几种；

c. N类型需要确定x、y、z的取值范围或自由曲面的控制点参数信息表示的曲面方程，S类型需要确定基准面位置，基准面图形的形状参数，基准面倾角以及拉伸的向量参数；R类型需要确定旋转轴的位置参数及方向，旋转的轮廓线的形状参数；K类型是根据空间模型对象的构成信息，以与任一空间轴成一定角度的多个平行截面与模型相交，可以得到一组平行的截面，每个截面上具有3D模型与平行截面相交形成的图形，记录所有平行截面上图形的参数，以及每个平面位置参数，即可得到所述K类型的特征参数；

d.以上特征参数确定后，综合记录所有类型的特征参数，即可完全表述该3D模型对象。

2.一种基于特征参数表达方法的3D打印文件格式，称为FPF文件，其特征在于：FPF文件由文件头、特征类型、特征参数、参数信息、文件结尾组成，其中文件头表示文件为FPF文件、模型的组成部份、文件长度、基准坐标X轴、基准坐标Y轴、基准坐标Z轴以及3D打印方向，特征类型描述空间模型的分类归属于N、S、R或K的任一种，所述N、S、R或K为权利要求1中所述的N、S、R及K四个特征；特征参数记录了定义所有类型的特征参数；参数信息记录各种类型特征参数的详细信息；最后是文件结尾，包括文件是否结束信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于特征参数表达方法的3D打印文件格式，其特征在于：所述文件格式中还有校验位，对传输的文件是否传输错误进行校验。

4.一种基于FPF文件的3D打印方法，所述FPF文件为权利要求2中的FPF文件，其特征在于包括以下步骤：

a. 利用相关绘图软件将待打印3D物品转换为待打印3D模型，模型以特征参数表达方法保存为FPF文件；

b. 将FPF文件传输至3D打印机；

c. 根据FPF特征形成层面文件，进行层面路径规划；

d. 驱动3D打印机进行打印。