三维CAD数据的来源如下。

(一)三维CAD软件设计出CAD数据模型

这是一种最重要、最广泛的数据来源。由三维造型软件生成产品的三维CAD实体的或表面的数据模型，然后再对实体模型或表面模型进行分层，得到RP工艺所需的、精确的截面轮廓信息。

目前，三维CAD数据建模主要有以下四种方法：应用三维CAD设计软件，根据需求设计出三维模型；应用计算机三维设计软件，将已有产品的二维信息资料转换为三维数据模型；仿制或更新换代产品时，可应用反求技术与相关软件获得产品的三维数据模型；利用网络，将异地用户设计好的三维模型直接传输到快速成型系统。

然后将设计好的三维CAD实体模型转换为RP工艺接受的文件格式(如STL文件格式)，然后再进行分层，得到RP工艺接受的加工路径。图6-1所示为产品三维CAD数据建模途径。

图6-1 产品三维CAD数据建模途径

1.三维建模的形体表达方法

随着计算机辅助设计技术的飞速发展，出现了许多三维建模的形体表达方法，目前常见的有以下几种：

(1)B-Rep法(Boundary Representation，边界表达法)。B-Rep法是根据顶点、边和面所构成的表面来精确地描述三维实体模型的，其优点是能快速地绘制出立体或线框模型；缺点是由于其数据是以表格的形式出现的，因此空间的占用量较大，描述不一定是唯一的，所得到的实体有时不很精确，有可能会出现错误的孔洞和颠倒现象。

(2)CSG法(Constructive Solid Geometry，构造实体几何法)。CSG法又称为BBG(Building-Block Geometry，积木块几何法)，这种方法采用的是布尔运算法则，将一些较简单的如立方体、圆柱体等体元进行组合，得到复杂形状的三维实体模型。其最大优点是数据结构简单，无冗余的几何信息，实体模型也较真实有效，且可以随时修改；缺点是该实体算法很有限，构成图形的计算量较大而且费时。

(3)CR法(Cell Representation，单元表达法)。单元表达法最初来源于如有限元分析等分析软件。典型的单元形式有正方形、三角形以及多边形等。在快速成型技术中所采用的近似三角形格式的STL文件就是单元表达法在三维模型表面的一种具体应用形式。

(4)PR法(Parametric Representation，参数表达法)。对于一些难以用传统的单元来进行描述的自由曲面，可选用参量的PR表达法。PR表达法是借助样条B(NURBS)、贝塞尔(Bezier)等参数化样条曲线来描述自由曲面的，每一个点的X、Y、Z坐标都是以参数化的形式来呈现的。其中较好的PR法是B样条(NURBS)法，它能较好地表达出任一复杂的自由曲面，准确地描述体元，并能局部地修改曲率。

以上各种三维建模的形体表达方法的最大差别就在于其对曲线的控制能力，即建立几何模型、局部修改曲线而又不影响相邻曲线信息的能力。目前，CAD系统常常综合CSG法、B-Rep法和PR法等各方法的优点并进行组合表达。

2.常用三维CAD软件

用于构造三维模型的计算机辅助设计软件应有较强的三维造型功能，即实体造型(Solid Modeling)和表面造型(Surface Modeling)功能，后者对构造复杂的自由曲面有着重要的作用。

常用三维建模软件种类及特点已在第五章详细论述，目前用得最多的是Pro/E软件，由于此软件具有强大的实体造型和表面造型功能，可以构造任意复杂的模型，因此被广泛使用。

(1)Pro/E软件。Pro/E是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，PTC)研发的一个非常成功的建模软件。Pro/E软件彻底改变了机械CAD、CAM等传统观念，采用参数化、数字化特征进行产品的三维建模，目前它已成为当今世界机械领域的新标准。利用Pro/E软件进行产品的建模设计，能将设计至生产全过程进行有机地集成，让所有用户都同时参与进行同一产品的设计与制造工作。

Pro/E软件的最大特点是：一是真正的全相关性，在任一设计阶段所做的修改都会自动反映到所有相关联的地方；二是真正的管理开发进程，可实现并行工程；三是能始终保持设计者的设计意图，具有极强大的装配功能；四是易于使用和掌握，有效地提高设计效率。

Pro/E软件建模的基本功能如下：生成草绘特征；生成参考基准点、线、面、曲线、坐标系；删除、修改、压缩重定义特征；通过向系列表中增加尺寸，以生成表驱动零件特征；通过生成零件尺寸和参数的关系获得所需的设计示意图；产生零件所需的工程信息，包括零件的质量特征、相交截面模型以及参考尺寸；在模型上生成几何拓扑关系。此外，还可以通过Pro/E软件的Per/Feature增加一些新的功能。

图6-2所示为采用Pro/E软件进行的手机外上壳的三维建模图形。图6-3与图6-4所示分别为根据Pro/E软件完成的手机建模图形，借助RP的LOM设备、FDM设备制作的手机草模型。

(2)UG(Unigraphics)软件。除了Pro/E软件外，UG也是应用较为广泛的三维设计软件之一。在UG软件中，参数化和变量化技术与传统的实体、线框等功能恰当地结合在一起，为用户提供了一个全新的产品建模系统，目前已被大多数CAD/CAM软件厂商及广大用户所采用，目前它也是Unigraphics Solutions公司的主要CAD产品。

在20世纪90年代，美国通用汽车公司就已选中UG软件作为其公司的CAD、

图6-2 采用Pro/E软件进行的手机外上壳的三维建模图形

图6-3 借助RP的LOM设备制作的手机外上壳

图6-4 借助RP的FDM设备制作的手机外上壳

CAM主导系统，从而进一步推动了UG软件的发展。UG软件建模模块的主要功能如下：

1)建模特征(Features Modeling)。该模块支持建立和编辑各种标准的设计特征，如球体、圆柱体、圆锥体、管与孔、凸台、槽型腔以及圆角和倒角等，也可自如地将实体挖空成空心薄壁件等。该建模特征大大提高了设计表达的层次，设计信息也可以用工程特征术语进行定义与描述。

2)实体建模模块(Solid Modeling)。该模块运行在图表菜单界面下，界面表达友好，极便于用户访问和进行操作。该模块是UG下面的Features和Freeform等模块的基础。它将几何与特征建模方法有机地结合成一体，几乎成为当今业界最强有力的建模工具，可以在此模块下，可以非常方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体模型，并对其进行一些布尔运算以及参数化编辑。

3)自由曲面建模(Freeform Modeling)。该模块可将实体和表面建模技术加以合并，构建成一个功能较为强大的建模工具组，并支持复杂的自由曲面造型，如大型工业产品的造型设计。其建模技术主要包括：光滑桥接两个以上物体之间间隙的曲面、用标准的二次曲线法建立二次曲面体、建立圆形或二次截面等。对自由曲面模型编辑的方法有：变截面扫描、修改已定义的曲线以及改变参数值等。此外，RE技术也可借助该模块，建立起通过点云来拟合所需三维模型的外形，或可通过曲线上的网格点来定义三维模型的外形。

此外，有关其他常用三维CAD软件的种类、建模特点及应用情况已在第四章中进行详细论述，这里不再赘述。(www.daowen.com)

(二)逆向工程数据及相关软件

目前有些借助RE进行创新设计的原始信息可能不是三维CAD数据模型，而是某些产品的实体模型或原始样件，需要我们借助它们的外形或结构进行仿制或创新设计。在这种情形下，就需要我们针对实物借助三维测量设备，对已有零件或样件进行三维数字化的反求工作，以获取实物的三维数据资料，得到所需零件或样件的三维点云资料；然后，借助反求相关软件，如Surfacer等软件，将这些点云数据资料进行数据预处理与处理、曲线的修改与编辑、曲面的创建与修改、三维实体模型的重构与创新设计等；最后，将重设计的点云数据进行三角网格化，生成如STL等RP工艺与技术默认的数据接口与转换文件，进行分层数据的处理或对点云数据直接分层处理，获得RP工艺所能接受的加工路径。

图6-5所示为采用RE技术进行数据采集的流程。

RE技术的最大优点是快速、准确地获取实物或样件的三维几何数据资料。常见的实物的三维几何形状数据资料获取的方法可分为非接触式和接触式测量两大类，测量系统一般采用声、机、电等测量方式。目前，较常用的三维扫描设备有激光三维扫描机(Laser Scanner，LS)、三坐标测量机(Coordinate Measurement Ma-chine，CMM)、断层扫描机(Cross Section Scanner，CSS)等。

图6-5 RE技术数据采集流程

图6-6所示为激光三维扫描设备进行扫描工作时的照片；图6-7所示为经扫描设备获得的最初的鼠标原始点云数据资料；图6-8所示为借助Surfacer等软件进行点云数据资料的预处理后得到的精简的鼠标点云数据资料；图6-9所示为断层扫描设备采用逐层光扫描与逐层切削结合的方法，对待测零件进行表面和内部结构几何信息采集的示意图。

图6-6 激光三维扫描设备进行扫描工作

图6-7 经扫描设备获得的最初的鼠标原始点云数据资料

图6-8 预处理后得到的鼠标点云数据资料

图6-9 零件断层扫描件的示意图

1—切削清除装置 2—光学系统 3—待测零件 4—工作台 5—计算机

目前，借助逆向工程获取三维数据的技术已广泛应用于模具、汽车、航空等许多领域，尤其是在工业设计以及制造领域，RE技术特别适用于对已有物体或模型的参照再设计(即创新设计)，通过对实物的测量构造物体的几何模型，进而根据物体的具体功能进行改进和再设计与快速制造。

此外，RE技术的相关后处理软件(如Surfacer软件)给通过RE技术获取的原始点云数据提供了一个很好的后处理平台。如Surfacer软件是美国Imageware公司成功开发的用于处理三维离散数据的软件。

Surfacer软件主要接受来自三坐标测量机、激光三维扫描仪等设备的数据资料，接受的文件格式也较为广泛，一般的三维点云数据资料都可以进行处理与编辑。Surfacer软件具有强有力的点处理功能，如可进行切片、自动分割、用特征线描述截面以及镜像和缩放等，便于用户随时随地分析、过滤、抽取和分割随机的三维点云数据，从而为三维点云数据与计算机辅助几何设计的连接提供了完善的软件环境。另外，它还提供基于B样条曲线和表面建模的环境，可实行自动对点群进行曲线或曲面的拟合。

应用Surfacer软件的大致步骤是：首先，将来自RE技术的三维测量数据进行三维点云的预处理，再对其复杂的曲线和曲面进行分析、编辑与再设计，然后将其建构成三维CAD数据模型，再将其转换成RP接口数据格式，最后借助RP工艺系统进行三维实体模型的输出。

因此，借助RE技术与其相关软件，不仅能快速得到需进行改进设计物体的三维数据模型，还可以对其进行快速修改、创新设计与快速制作，从而得到一个所需的、全新的三维实体制件。

图6-10所示为借助Surfacer软件，将三维扫描工艺与设备获取的三维点云进行预处理后所获得的精简的鼠标点云数据资料。

(三)医学数据

通过CT扫描或核磁共振(MRI)等技术，可直接获取人体的三维数据资料，此三维数据资料包含人体表面和内部的数据资料。这种数据需经过三维CAD模型的分层、重构等数据处理后，才能进行快速成型加工。

图6-10 精简的鼠标点云数据资料

目前，CT扫描除了广泛应用于医疗诊断、假体设计外，在工业检测等三维数字化资料获取方面的应用也较广泛。图6-11所示为当前最先进的、螺旋式CT扫描(Spiral CT Scanning)的原理示意图。当人体借助这种扫描设备进行扫描时，只需人体连续地向前慢慢移动一定的切片层厚(1～2mm)，那么装在门架上的X射线管和检测系统就会围绕人体进行连续转动并采集数据。

图6-11 螺旋式CT扫描的原理示意图

1—连续转动 2—向前移动

由于CT扫描得到的原始数据一般情况下都是呈二维截面CT图像格式，并且每一幅CT图像都包含被测物的内、外部结构，以及其截面的几何信息，因此为了将CT扫描的数据转化成三维CAD数据模型，首先需采用图像分割算法，从CT图像中提取出所需的二维几何信息，然后将这些二维轮廓随转换成具有一定扫描切片层厚的三维原始CT轮廓，再用高级轮廓分割算法提取出各个表面的CT轮廓进行表面拟合，形成三维CAD表面模型，接着进行修改与再设计，得到最终所需的三维实体模型。图6-12所示为采用CT扫描技术获得所需物体的三维CAD数据模型的主要步骤。

图6-12 采用CT扫描技术获得所需物体的三维CAD数据模型的主要步骤