基于AutoCAD的三維CAD模型直接切片方法

胡浩亮，陳 萍，張爭艷，陶孟侖，陳定方，陳 瓊

（1武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063；2南昌大學共青學院，江西 九江332020）

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術采用材料逐層堆積的方法來制造實體，可以直接、快速地將三維CAD模型制造出來，大大縮短制造周期，降低成本，具有良好的發展前景。雖然可以用不同的方法建立三維CAD模型，但制造實體的過程必須要依據這些模型的切片數據，因此切片方法將會直接影響加工質量以及生產效率。然而，即使是同一個模型，不同的切片方法也會產生不同的切片數據，如何將模型分割成單一的切片層并得到適宜的輪廓數據是一項至關重要的工作［1］。快速成型的切片方法分為基于STL模型的切片方法和基于三維CAD模型的直接分層切片方法［2］。前者先用小三角面片近似模擬三維CAD模型，再對近似模型進行切片獲取輪廓數據。這種方法具有格式清晰、易于分割等優點，在快速成型發展初期得到了廣泛運用，且被幾乎所有的快速成型設備和CAD系統所支持。但STL格式僅僅是對三維CAD模型的近似模擬，且不包含拓撲信息，因此會產生一些諸如法向量錯誤、不共頂點、頂點分離、違反取向原則、重疊面片等缺陷。而基于三維CAD模型的直接分層切片方法則直接對原始模型切片獲取輪廓數據，具有精度高、速度快等優點。基于上述原因，本文提出了一種基于AutoCAD的直接分層切片方法，實現了對三維CAD模型的直接切片。

1 直接切片程序

AutoCAD不僅是提供基本功能的應用平臺，更是可以進行二次開發的軟件平臺。在AutoCAD平臺下對三維CAD模型直接分層切片的二次開發有兩種方法［3］：一種方法是基于ObjectARX開發一個切片的動態鏈接庫（DLL），通過使用AcBr庫（libacbr.dll）查詢三維實體任意方向上的剖面數據從而獲得分層切片，這種方法難度較大，同時容易導致系統崩潰；另一種方法是借助于AutoCAD內嵌的Visual LISP語言，通過調用剖切命令實現對三維CAD模型的直接切片。該語言易于掌握，便于交互。

1.1 切片程序核心思想

切片程序借助于AutoCAD軟件平臺，利用Visual LISP語言進行二次開發，得到直接切片的輪廓信息［4］，同時得到快速成型機的驅動指令掃描路徑。

首先利用command函數調用layer命令建立兩個圖層——countor和hatch，分別用于保存各個切片層的邊界輪廓數據以及內部填充數據，便于后續數據的提取以及生成數控代碼。接下來設置坐標系，將用戶坐標系（UCS）設置在模型底部，Z軸方向指向切片方向。值得注意的是，在運行程序代碼之前，必須關閉特征點捕捉、正交等自動功能，否則得到的不一定是預期高度的切片。完成上述工作后，進入切片過程。

1）用DCL語言編寫一個用戶對話框，得到模型的最低點坐標值bottom、最高點坐標值top、切片方向以及切片厚度delta（圖1）。

圖1 切片程序用戶框界面

2）調用剖切（section）命令，對模型的指定位置進行剖切操作，得到子類標記為AcDbModelerGeometry的面域（Region）形式的切片，并添加至選擇集A，置于圖層0中。

3）調用提取邊（xedges）命令。由于AutoDesk公司尚未公布DXF文件中關于保存面域的私有數據的格式細節，因此關于面域這一特殊圖元的數據提取少有報道。考慮到AutoCAD 2008已經增加提取邊命令，可以調用該命令對面域切片提取邊得到一個由二維圖元組成的輪廓線框。若提取得到的輪廓線框包含樣條曲線（spline），可以調用編輯多段線（pedit）命令轉化為指定擬合精度（一般20）的多段線，并調用炸開（explode）命令得到一系列符合工藝參數的內部填充直線。

4）調用填充（hatch）命令對面域切片進行平行線填充，并調用炸開（explode）命令炸開填充圖案，得到一系列相互平行的直線，并添加至選擇集C，置于hatch圖層中。上述得到的直線可以作為后續驅動指令的掃描路徑。若設置填充原點為左上角，則上述得到的直線按由上到下、由左到右的順序記錄，提取時可以不考慮順序。

5）刪除選擇集B中的面域形式的切片，高度z增加一個切層厚度，將UCS置于當前位置，當z≤模型最大高度值top時，重復上述步驟2）～5）。

該過程的流程如圖2所示。

1.2 切片程序核心代碼

（setvar"osmode"0）；關閉目標對象捕捉

（setvar"blipmode"0）；不顯示光標痕跡

（setvar"hporiginmode"1）；填充對象設置填充原點為左上角

（setvar"hpname""＿user"）；設置填充的默認圖案名稱為用戶自定義

（while（＜＝z top）；變量控制為切片方向z

（command"section"A"""XY"（list 0 0z））；對選擇集A剖切，方向平行于XY平面

（command"ucs"（list 0 0z）""）；設置用戶坐標系

（command"xedges"B""）；提取邊，即輪廓線框

（command"change"C"""p""la""countor"""）；置于countor圖層中

（if（or（＜ n 3）（＞ n layer））（setq filldelta 0.4）（setq filldelta 2））；前后三層驅動指令掃描線間距較小，增加模型強度，中間層間距適當疏些，以節省材料

（setq ang（＋ang（／pi 2）））；相鄰層的填充角度相差90°，增加打印時材料粘合度

（setvar"hpspace"filldelta）；指定填充方案的間距

（setvar"hpang"ang）；指定填充方案的角度

（command"hatch""""""""n"B""）；填充

（command"explode""last"""）；炸開，獲得直線

（command"change"D"""p""la""hatch"""）；置于hatch圖層中）

以上只是最為核心的幾個代碼，并不能直接運行。

圖2 技術流程圖

2 程序驗證

建立圖3所示的三維CAD模型，其中整體邊界框為44mm×60mm×50mm。為了演示切片程序，將切片厚度定為3（實際應該為0.15～0.2），得到圖4所示的切片數據。

圖3 三維CAD模型

圖4 模型切片

圖5 為該模型高度分別為5mm、15mm、30 mm處的切片輪廓。其中直線為驅動指令的填充直線，線框為實體的切片輪廓。證明本程序可以實現對三維CAD模型的直接切片。

圖5 模型指定層切片

［1］ Cao W，Miyamoto Y.Direct slicng from AutoCAD solid models for rapid prototying［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2003，21（10－11）：739－742.

［2］ 馬靜靜，胥光申.基于AutoCAD的CAD模型直接切層方法研究［J］.計算機光盤軟件與應用，2012（13）：120－130.

［3］ 馬錦華，盧章平.AutoCAD環境下直接適應性切片方法及實現［J］機械設計與制造，2007（07）：100－102.

［4］ 李占利，胡德州.三維模型的直接分層軟件研究與開發［J］.西安科技學院學報，2002，22（02）：189－193.