基于UG的CAD模型切层方法研究∗

杨 根 林 何

（1.西安工程大学工程训练中心 西安 710048）（2.西安工程大学机电工程学院 西安 710048）

1 引言

面曝光快速成形技术制作零件的原理是零件的CAD三维模型经过相关软件分层处理后，将切层数据存储为能生成零件截面形状的视图文件，由该文件驱动视图发生器，截面视图通过光学系统聚焦在树脂表面，实现对树脂的选择性固化［1］。与激光式快速成形技术相比，面曝光快速成形系统减少了激光扫描路径规划，简化系统结构，系统成本低等优点，因此面曝光快速成形技术可用于微小零件的快速制作领域［2］。

根据快速成形原理，快速成形技术都必须将CAD三维模型进行分层处理，目前按照数据格式不同主要分两种，一种是软件将CAD模型转换为STL格式文件，再通过切层软件进行分层处理［3～5］，这种格式文件是对CAD模型的近似处理，当零件结构比较复杂、尺寸较大、精度要求较高时，存在切层时间长，丢失几何模型的误差拓扑信息以及存在数据存储量大等缺点；另外一种是CAD三维模型的直接分层，该方法是对三维模型几何拓扑信息进行分层处理，避免了模型三角化所带来的近似误差，具有切层处理速度快，减少了预处理时间，切层截面轮廓清晰，数据存储量较小等优点［6～8］。为此，国内外许多学者针对基于三维软件对CAD模型进行直接切层进行了相关研究，Weiyin Ma等研究了基于NURBS曲面CAD模型的直接分层算法和自适应直接分层算法［5］；张建平、景天佑等分别利用Solid⁃Works、Pro/ENGINEER软件进行二次开发完成对CAD模型分层处理［9～11］；W.Cao等是利用 AutoCAD软件对模型进行直接分层处理研究［6］。

UG NX10.0是Siemens PLM Software公司为用户提供的一款数字化产品开发设计、管理的系统，其内容涵盖了产品从模型、钣金设计、装配、仿真分析计算、数控加工、工程图的绘制到企业生产一线的全过程［14］，为用户提供了一整套专业的工具集，简化了产品设计开发流程。许多企业不仅直接利用UG软件进行产品的建模、分析和制造，而且UG作为通用软件为用户提供了二次开发工具，允许用户结合产品特点开发专业的设计分析系统，进行深度定制。在制造业各个领域产品的研发过程中，UG二次开发技术得到广泛应用。因此，本文提出利用对UGNX10.0软件的二次开发完成对CAD模型切层处理，将切层截面视图保存为指定的图片格式，该视图通过软件处理可直接应用于面曝光快速成形系统。

2 切层功能实现

UG NX10.0软件具有强大的三维CAD/CAM/CAE功能，标准的UG软件不具备切层功能，但是在工程图环境下UG软件具有剖视图功能，开发者可以使用该功能对工程图中的模型视图任一位置进行剖切，并在指定位置显示截面信息。UG软件为用户提供了丰富的二次开发工具，为了方便用户进行二次开发，NX Open是NX提供的二次开发编程语言工具集，主要包括Common API、Journaling、Classic APIs、Knowledge Driven Automation、Block UIStyler等。利用对UG二次开发来实现对CAD模型的直接切层，NX Open封装了多种函数库，例如函数UF_DRAW_create_simple_sxview是用于创建一个简单的剖视图［14］。在工程图模式下，将CAD模型载入UG工程图中，通过调用该函数可以实现根据选定的水平剖切线与零件的二维视图相交生成模型截面视图，按照开发者设定的层厚进行剖切，将模型切层截面信息在工程图指定位置显示且保存在指定文件夹中，面曝光快速成形系统制作零件时将加载此截面视图作为视图文件。

Common API是UG与外部应用程序之间的接口，支持C/C++语言，无缝集成到C++程序中，可充分发挥C语言编译、运算效率高和功能强大等特点。本文选用Visual Studio 2015和UG NX10.0作为开发平台，利用UG10 Open Wizard作为开发向导创建工程项目，建立模板库，生成动态链接库（*.dll）文件，以动态链接库的形式与UG软件集成来实现切层功能。在面曝光快速成形系统中，对模型切层处理后，将截面信息存储为图片格式，可以利用截面图形生成掩膜作为视图文件快速制作三维模型。

UG二次开发应用程序框架，如图1所示，利用Visual Studio 2015开发切层应用程序步骤如下［15］：

1）注册环境变量，设置开发环境、项目工程路径，在工程目录下分别创建Application和Startup文件夹。

2）UG通过记事本建立菜单、编写菜单程序代码，从而实现菜单的添加、修改以及本文显示，菜单文件保存为*.men文件，存放于Startup文件夹下。

3）启动UG→所有应用模块→块UI样式编辑器，进入UG/Open UI Styler对话框设计界面，通过选择控件栏中的相关控件，将设计完成的对话框保存后，可生成*.cpp、*.dlx、*.hpp三个文件，并将这三个文件存放在Application文件夹。

4）进入Visual Studio编程开发环境创建项目工程文件，选择NX开发向导（NX10 Open Wizard），新建工程项目。编译源文件为目标文件，链接对象为可执行文件，运行可执行文件并进行调试，检查是否运行成功，否则重新编辑再调试。

5）程序编译完成后，将切层程序*.dll文件复制到用户开发的目录Startup文件夹中，启动UG软件导入CAD三维模型，点击切层程序菜单，验证切层程序的实用性和可靠性。

图1 UG二次开发切层程序框架

3 切层算法的实现

如图2所示为切层算法流程图，切层算法的实现首先是切层人员通过选取模型的基准平面，为切层程序指定分层方向，指定零件模型切层的开始、结束位置、切层图片保存路径及切层厚度t等外部信息；然后切层程序调用相关函数获得CAD三维模型高度H以及创建剖面，调整显示窗口并保存剖面为图片格式文件；最后通过动态控制剖切线的位置，调用函数测量该剖面与基准面的距离D，若D≤H，则继续循环切层动作；若D＞H，结束切层程序，完成整个切层过程［10］。

图2 切层算法流程图

UG软件在工程图环境下，具有剖切、显示剖面的功能，开发人员利用该功能对零件在任何位置和方向进行剖切获得所需要截面视图。二次开发过程所需调用的主要函数，如表1所示。

表1 切层程序调用函数

4 剖面填充

对于面曝光快速成形技术而言，包括多种曝光模式，例如整层曝光、分区曝光、交错曝光等模式。整层曝光模式是指掩膜图案生成的视图文件一次曝光固化一层光敏树脂，但是整层曝光固化时固化层内应力较大；交错曝光模式、分区域曝光模式是将每一层切层视图划分为多个截面视图，不同的时间、不同区域分别进行曝光固化，将截面分区域进行填充，分别通过调用相关截面视图进行曝光固化，零件内应力导致的变形可有效得到控制。

在面曝光快速成形系统制作零件时，视图发生器加载的掩膜图案曝光部分填充为白色，用于制作零件，其它部分填充为黑色。UG软件在工程图环境下，可以设置工程图背景为黑色，截面视图填充为白色，因此通过UG软件切层处理的截面视图可以直接用于面曝光快速成形系统制作零件，不再需要经过作反色处理，从而可以保证截面视图轮廓边界的清晰度。

在UG的“首选项-＞制图-＞剖面线/区域填充”选项卡中，UG软件弹出剖面线对话框，其自带了多种ISO标准的剖面填充样式，但是不满足面曝光快速成形系统切层处理所需要的填充样式，这就要求用户结合自身需求开发一种填充样式。UG安装目录SiemensNX 10.0UGII中的xhatch.chx文件中定义了多种剖面线填充样式，在此文件中用户可以添加自身定义的一种或多种剖面填充样式；而本文是通过调用相关函数设置剖面线及填充样式，实现截面视图的填充功能。

5 切层方法验证

启动UG软件导入CAD模型，如图3所示，模型尺寸：25mm×25mm×8mm，加载二次开发切层程序，模型从建模环境转换至工程图环境，打开切层对话框，设定模型所需要切层的视图，视图比例、分层厚度以及图片保存路径等信息后，完成切层准备工作，后续按照系统信息提示指定切层开始位置和结束位置，程序将自动完成整个模型切层。图4为UG二次开发的切层程序处理后得到的第60层切层视图，零件外形轮廓为实体制作部分填充为白色，其余部分为黑色。

为了验证本文论述切层方法的可行性，首先利用面曝光快速成形设备加载本文切层方法得到的视图文件进行零件制作，控制程序将切层图片的按顺序进行加载、解压、生成视图文件，将设备调试工作状态，实验材料选用aidiUV-2230型光敏树脂，在工作台台面上铺一层黑色薄膜垫。实验环境条件：树脂槽温度38℃、室温20℃、曝光辐照度为1.0μW/cm2，曝光模式：整层曝光，切层总数：80层，分层厚度：0.1mm。

图3 CAD模型

图4 第60层切层视图

图5为利用面曝光快速成形系统以切层图形为掩膜制作的模型实物。实验结果表明，本文所述切层方法得到的零件截面视图可直接应用于面曝光快速成形系统。

图5 CAD实物模型

6 结语

本文研究的直接切层方法是借助Microsoft Vi⁃sual Studio 2015软件，对UGNX10.0软件进行二次开发，通过调用相关函数实现对CAD模型的切层处理，CAD模型通过该切层方法可以快速得到截面视图，且该截面视图无需经过反色处理可直接应用于面曝光快速成形系统成功制作出了CAD零件。该切层方法与STL模型文件相比，可以快速获取复杂零件截面数据，具有精度高、处理速度快等优点。通过实验制作模型，结果表明该切层方法适用于面曝光快速成形系统。