ＯＰＥＮＧＬ在激光快速成型系統(tǒng)中的應(yīng)用

成型技術(shù)的概念（RP）是在1979年日本東京大學(xué)教授中川威雄發(fā)明的疊層模型制造法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。到目前它已成為一門集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和新材料技術(shù)于一身的綜合學(xué)科。為了在電腦上能準(zhǔn)確、逼真地反應(yīng)出模型的輪廓構(gòu)造，這就要求在整個快速成型系統(tǒng)中，軟件部分的設(shè)計必須做到精益求精?？焖俪尚拖到y(tǒng)軟件包括從CAD造型直到驅(qū)動數(shù)控加工整個過程中所有軟件。我們可以把整個過程分成三個部分：即造型軟件、預(yù)處理軟件和數(shù)控加工軟件。造型軟件的作用是設(shè)計出待加工工件的模形；預(yù)處理軟件的主要作用是對由STL文件格式所描述的模型進(jìn)行處理，以提供數(shù)控軟件所要求的數(shù)據(jù)；數(shù)控加工軟件的作用主要是在成型過程中對各電機(jī)的加工參數(shù)、工作狀態(tài)及電力系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控。筆者詳細(xì)分析了OpenGL在激光快速成型系統(tǒng)中的實現(xiàn)過程和方法，供同行參考。STL文件的整個模型顯示和處理的過程是比較復(fù)雜的，基本的流程分為以下幾個步驟：

一、OpenGL和繪圖環(huán)境的初始化

初始化部分可分為OpenGL的初始化和繪圖環(huán)境的初始化兩部分，我們通常在FormCreate（）函數(shù)中完成OpenGL的初始化。

1．創(chuàng)建DC（設(shè)備描述表）。hDC=GetDC（Handle）；選擇最佳像素格式，并保存索引號，如希望在一個Panel中輸出圖形，那么可以用Panel1-Handle作為此函數(shù)的參數(shù)。

2．創(chuàng)建RC（圖形操作描述表）。定義像素格式：PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd={ }；選擇最佳像素格式，并把保存索引號：PixelFormat=ChoosePixelFormat（hdc， pfd）；用DC創(chuàng)建RC ：hrc=wglCreateContext（hdc）；

3．制定當(dāng)前的DC、RC。wglMakeCurrent（hDC，hRC）；把產(chǎn)生的圖形操作描述表置為當(dāng)前的程序，此后的所有OpenGL函數(shù)都通過此圖形操作描述表執(zhí)行，并將圖形繪制在設(shè)備描述表引用的設(shè)備上。

4．設(shè)置光源。Void glLightfv（Glenum light， Glenum pname，GL_DIFFUSE，GL_AMBIENT，GL_SPECULAR，const Glfloat* params）；//指向顏色向量的指針，設(shè)置全局環(huán)境光函數(shù)：void glLightModelfv（GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT，const Glfloat* param）；//param 指向顏色向量的指針，起用光源函數(shù)：void glEnable（GL_LIGHTING）； void glEnable（GL_enum cap）；//cap：指明光源號。

5．設(shè)置材質(zhì)。void glMaterialfv（ GLenum face，GL_FRONT， GL_BACK，GL_FRONT_AND_BACK，GLenum pname，const float* params）；//指向材質(zhì)的顏色向量。

6．定義投影方式。void glOrtho（ GLdouble left， GLdouble right， GLdouble bottom， GLdouble top， GLdouble near，GLdouble far）；（left，bottom，near）和（right，top，far）分別給出正射投影投影范圍的左下角和右上角的坐標(biāo)。到此就完成了初始化工作，這些步驟基本上是固定的（像素格式的參數(shù)設(shè)置也是如此），對于一般的應(yīng)用可以直接使用上述語句。

二、STL文件的讀入及圖形的顯示和渲染

STL文件一般有二進(jìn)制格式和ASCII碼格式兩種存貯方式，因此，要求預(yù)處理軟件對這兩種格式均可讀入。為了正確顯示模型，我們將讀入的數(shù)據(jù)存入一組數(shù)組當(dāng)中，在需要顯示模型的時候，將數(shù)組中的數(shù)據(jù)再讀出即可。數(shù)據(jù)的讀入可以直接利用C語言實現(xiàn)。由于STL文件是對原始CAD模型進(jìn)行表面三角化所得的，要實現(xiàn)STL文件的顯示，只需將每個三角形面片顯示出來即可；而要顯示三角形面片，只要將三角形的每個頂點的坐標(biāo)求出，然后調(diào)用OpenGL中的繪制三角形的庫函數(shù)來實現(xiàn)顯示功能。

glBegin（GL_TRIANGLES）；glNormal3f（N1，N2，N3）； // N1，N2，N3表示法向量的三維坐標(biāo)， glVertex3f（X1，Y1，Z1）；//X1，Y1，Z1表示其中一個頂點的三維坐標(biāo)， glVertex3f（X2，Y2，Z2）；glVertex3f（X3，Y3，Z3）；glEnd（）；

在激光快速成型系統(tǒng)中，利用OpenGL來實現(xiàn)圖形的顯示和渲染必須進(jìn)行以下幾個步驟：

1．在FormDestroy（）中作清理工作以釋放資源。如果在同一個程序里對多個窗體用繪圖必須嚴(yán)格進(jìn)行清理，否則輸出會出現(xiàn)混亂。

（1）清屏glClearColor（0.0，0.0，0.0，1.0）；設(shè)置背景色為黑色。glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）；清屏以防止對以后窗口操作的影響。

（2）當(dāng)前DC、RC設(shè)置為空。wglMakeCurrent（NULL，NULL）；使不再有當(dāng)前的圖形操作描述表。

（3）刪除DC、RC 。wglDeleteContext（hRC）；刪除該圖形操作描述表。DeleteObject（hDC）；刪除該設(shè)備描述表。

2.在FormPaint（）中實施繪圖的相關(guān)操作。每當(dāng)窗體重畫時進(jìn)行繪圖的動作。OnPaint事件可能由系統(tǒng)觸發(fā)例如置為當(dāng)前窗口；也可以由程序觸發(fā)即在需要改變繪圖時調(diào)用TForm-FormPaint（Sender）。把所有繪圖操作統(tǒng)一歸入FormPaint（）事件的響應(yīng)函數(shù)中使我們很容易控制繪圖的時機(jī)，程序變得很有條理。

（1）繪圖準(zhǔn)備。指定DC和設(shè)置背景顏色。

（2）繪圖。調(diào)用自定義的繪圖函數(shù)mydraw（）；

（3）緩沖操作。glFlush（）；強制完成繪圖工作。SwapBuffers（hDC）；完成兩個圖形緩沖區(qū)的交換，把畫完的非顯示緩沖圖形顯示出來。

（4）編寫繪圖函數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)讀入的原理，利用OpenGL顯示三角形的功能，編寫出繪圖函數(shù)。

（5）視口變換。OpenGL中有多種圖形變換，其中視口變換是比較簡單而且常用的變換方式，事實上只需要使用一個函數(shù)glViewport（0，0， ClientWidth， ClientHeight）；

此函數(shù)可以指定全部圖形最后投影的一個矩形區(qū)域，上句以整個窗體的客戶區(qū)為例。在FormResize（）事件響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用這個函數(shù)可以使圖形在窗體大小形狀變化時保持相同比例的縮放。

三、STL文件的處理

在快速成型系統(tǒng)中，對STL文件的處理工作實際上就是對操作模型的處理工作，從處理的過程來看主要包括：

1．對STL文件的正確性進(jìn)行檢驗和修補。由于STL文件是對原始CAD模型進(jìn)行表面三角化所得，所以無論是原始CAD模型中存在的問題，還是在表面三角化過程中產(chǎn)生的問題，最終都會反映到STL文件中。其主要問題包括在STL文件中存在裂縫空洞、懸面、重疊面和交叉面等。如果直接對含有這些問題的STL文件進(jìn)行分層處理，就會在分層后出現(xiàn)不封閉面和岐義面現(xiàn)象，所以要在分層處理前首先對STL文件的正確性進(jìn)行檢驗。由于引起STL文件中出現(xiàn)問題的原因是多方面的，有些錯誤可以用簡單的方法進(jìn)行修補（如片面錯誤和小裂縫等），但對于一些較大錯誤如面片丟失，模型中含有相交體和面時，就無法用簡單的方法進(jìn)行修正。例如在CAD實體造型系統(tǒng)中，常采用構(gòu)造實體幾何模型，即通過一些簡單形體結(jié)合來表示復(fù)雜形體，由于模型設(shè)計者的原因，在進(jìn)行兩個物體對接時常常會出現(xiàn)一個物體延伸到另一個物體內(nèi)的情況，結(jié)果產(chǎn)生了不正確STL文件，對這些問題，通常的解決方法是重新造型。因此要求在軟件中有對STL文件的進(jìn)行正確性檢驗的功能，而且能夠顯示錯誤類型，并可對一些簡單錯誤進(jìn)行修復(fù)。

2．分層處理。由于在STL文件中各三角形信息的存放是無序的，不反映各三角形之間的連接關(guān)系，因此在數(shù)據(jù)讀入后要根據(jù)STL文件所提供的信息，進(jìn)行信息前拓樸重建，從而可以根據(jù)任一三角形的頂點或邊可以快速找到與此點相關(guān)的所有三角形的邊，以及與邊相關(guān)的三角形的其它邊，以便提高后序求交處理的運算速度。所謂求交運算就是一組以一定間隔的平行于XOY平面的平面與模型輪廓求交，求得交線，然后以一定的規(guī)則對這些交線進(jìn)行分類和連接，從而產(chǎn)生了實體在不同高度上的截面輪廓線。各XOY平面間的間隔可根據(jù)加工精度要求進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。在有些分層處理軟件中，各層間的間隔在滿足精度要求的情況下是可變的，即當(dāng)相鄰層各輪廓的差異不大時，自動加大層與層間距，這樣，對于有些工件的加工時，可以大大提高加工效率。但由于層厚的選擇還與激光能量、掃描速度以及材料等因素有關(guān)，因此在加工過程中，在對層厚進(jìn)行改變時，要相應(yīng)改變相關(guān)加工參數(shù)的設(shè)置。

3.掃描軌跡的優(yōu)化。掃描軌跡的優(yōu)化問題也是所有激光快速成型系統(tǒng)所具有的共性問題，因為掃描的過程就是要用激光的能量對實體各層內(nèi)外輪廓線所包圍區(qū)域的材料進(jìn)行燒結(jié)。為了得到更高的加工效率，當(dāng)對某層的區(qū)域劃分完成后，就存在一個掃描頭運動軌跡優(yōu)化問題。在解決掃描頭運動軌跡優(yōu)化問題時，其掃描頭運動距離最短并不是優(yōu)化的唯一標(biāo)準(zhǔn)，同時應(yīng)該考慮到，在加工過程中減小由于激光的熱能引起材料的應(yīng)力變化而最終導(dǎo)致的工件翹曲變形問題，因此對這兩個問題應(yīng)綜合考慮，以確?？焖?，高質(zhì)量的工件加工。

四、STL文件的保存及后續(xù)工作

在對視窗中的模型進(jìn)行操作時，已經(jīng)對模型本身的數(shù)據(jù)做了改動，而這些改動也是我們必須存儲下來的，所以，在STL文件的保存上需將修改后的數(shù)據(jù)寫入文件。數(shù)據(jù)的保存和數(shù)據(jù)讀出時的方法是一樣的，也要分別對兩種STL文件格式進(jìn)行保存（ASCII和二進(jìn)制）。后續(xù)工作主要是將處理后的模型通過數(shù)控加工設(shè)備制作出來，在這個環(huán)節(jié)的主要作用就是按用戶在加工前輸入的一些加工參數(shù)，根據(jù)各分區(qū)輪廓線數(shù)據(jù)自動產(chǎn)生掃描頭給電機(jī)、工作平臺控制電機(jī)、鋪粉電機(jī)等，各電機(jī)的驅(qū)動使用NC代碼。同時對各電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。并對電力系統(tǒng)進(jìn)行管理。為了保證加工過程的順利進(jìn)行，在軟件中還要有對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行自動檢驗、加工模擬等功能，以及在加工過程中，如果各運動部件有異常時，要有報警功能。

在激光快速成型系統(tǒng)中，整個軟件不管是從開始的造型、數(shù)據(jù)讀入，還是模型處理、數(shù)控加工，其中的每一個環(huán)節(jié)都有OpenGL很好的應(yīng)用。

（作者單位：東華理工大學(xué)南昌校區(qū)）