基于SolidWorks的CAD模型直接切层研究.pdf

西 安 工 程 大 学 学 报 J o u r n a l o f Xi a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y 第 2 4卷第 4期 总 1 0 4期 2 0 1 0年 8月 V o 1 2 4 N o 4 S u m N o 1 0 4 文章编号 1 6 7 4 6 4 9 X 2 0 1 0 04 0 5 2 5 05 基 于 S o l i d Wo r k s 的 C A D模型直接切层研究 张建平 胥光申 金 京 罗 声 西安工程大学 机电工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 针对面曝光快速成形 系统的需要 提 出了基于 S o l i d Wo r k s 的 C A D模 型直接切层方法 利 用 S o l i d Wo r k s 在工程图环境下的剖切功能 实现对 C A D模型的直接切层 解决 了对复杂 C A D模型 切层 时出现的截 面错位问题 论述 了用于多种曝光模式的截面填充样式的实现方法 以该切层方 法得到的 C A D模型的截面图形作动态掩膜 利用面曝光快速成形 系统成功制作 出了三维 实体原 一型 表 明该直接切层方法适用于面曝光快速成形 系统 关键词 面曝光 快速成形 切层 C A D模型 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识码 A 0 引 言 光 固化快速成形技术是以光敏树脂为原料 选用对光敏树脂敏感的光源 照射零件模型的分层截面部 分 使得该区域液态光敏树脂产生光聚反应而固化 形成零件的一个薄层截面实体 再移动升降台 逐层累 加形成整个实体零件 光固化快速成形按照对树脂曝光方式不同可分为扫描式光 固化快速成形 和面曝光快速成形 扫描 式光固化快速成形以激光器作光源 激光束按照零件模型的分层轮廓扫描截面部分 形成零件的一个 薄层截面实体 面曝光快速成形利用视图发生器生成模型截面的整层轮廓图形的掩膜 利用该掩膜照射光 敏树脂形成零件的一个薄层截面实体 面曝光快速成形与扫描式光固化快速成形相比 减少了规划激光束 扫描路径环节 简化了快速成形系统的结构 缩短了单层固化时间 提高了零件制作效率 面曝光快速 成形技术已经成了光固化快速成形技术的一个重要发展方 向 无论是面曝光快速成形还是扫描式快速成形 均需对模型进行分层处理 目前 用于光固化快速成形 的模型切层方法按照使用 的数据格式分有两种 分别是基于 S T L模型 的切层方法和 C A D模型的直接切层 方法 基于 S T L模型的切层方法要求将 C A D模型文件转换成 S T L模型文件 再将其导人切层软件中进行 切层处理 S T L 格式文件利用许多小三角面片近似逼近模型外表面 在切层时会产生截面轮廓误差 为 了提高切层精度 最有效的办法是减小三角形面片的弦高 这时面片数量较多 模型逼近程度较高 但是过 多的面片使 S T L文件过大 分层处理时间显著增加 传统的S T L模型文件切层方法在计算每一层轮廓时 需要遍历所有三角面片 致使查找效率低 运算量大 C A D模型直接切层方法直接利用模型的几何拓 扑信息进行切层处理 避免了模型三角化带来的误差 提高了切层精度 减少了预处理时间 它在数据 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 8 基金项目 国家 自 然科学基金资助项 目 5 0 7 4 5 0 1 7 5 0 8 7 5 1 9 4 通讯作者 胥光申 1 9 6 4 男 陕西省西安市人 西安工程大学教授 E m a i l x u g s 9 8 8 1 2 6 锄 5 2 6 西安工程大学学报 第 2 4卷 存储量和计算精度方面都有较大改善 直接切层有两种途径 一种途径是对 C A D模型中的中性数据文件 如 S T E P D X F 等进行数据读取和求交处理 另一种是在 C A D软件系统中利用 C A D软件的剖切功能求模 型与切平面的交线 大部分 C A D软件中具有剖切功能 例如 A u to C A D中的 s o l s e c t 命令 及论文中提出 的 S o l i d Wo r k s 软件中的模型实体和工程图环境下的剖切功能等 采用这种软件 自带的剖切功能可以避免 研究人员进行复杂的求交运算 虽然利用 S T L文件格式切层软件也可应用于面曝光快速成形 但是不能体现出面曝光快速成形从切 层到模型制作整个过程的快速性优势 因此 由于 C A D模型直接切层方法具有高精度的切层信息和方便 的切层处理等特点 本文提出一种利用 Sol i d Wo r k s 对 C A D模型进行直接切层的切层方法 1 切层功能实现 S o l i d Wo r k s 软件是基于 Win d o w s 开发的三维设计软件 提供了供用户进行 S o l id Wo r k s 二次开发的接 口 利用对 Sol id Wo r k s 二次开发来实现 C A D模型的直接切层 将 C A D模型载入 S o l i d Wo r k s 工程图中 按 照一定 的层厚在 y向进行剖切 得到模型切层截面信息 以备面曝光快速成形系统制作模型时调用 S o l i d Wo r k s 软件在工程图环境下有可用的剖切功能 利用该功能 设计人员可以对工程 图中零件任一位置进行 剖切 并显示截面信息 为了方便用户对 S o l i d Wo r k s 二次开发 S o l i d Wo r k s 软件提供给用户很多 A P I 函数 在这些 A P I 函数中有显示剖面的函数 D r a w in g D o c C r e a t e S e c t i o n V i e w A t4 该函数实现了在工程图环境下 根据选定的水平剖切线与二维零件图相交位置生成模型 y向截面图 并将截面图放置在某一位置显示 对 S o l i d Wo r k s 的二次开发的工具有多种选择 任何支持 O L E和 C O M 的编程语言都可 以用于 S o l i d Wo r k s 的二次开发 本文选用 V i s u a l C 6 0作为开发工具 利用 A T L C O M Wp p w i a r d向导 建立 A I L 模板库 生成动态链接库 D L L 文件 即S o l id Wo r k s 功能插件来实现切层功能 对模型切层后 将截面信息以图片格式存储 在面曝光快速成形系统 中可以利用截面图形生成掩膜进 行三维实体模型的快速成形制作 1 1 切层算法 切层算法主要是控制剖切线的位置 根据输入的零件高度及切层厚度 动态 控制剖切线 的位置 完成整个切层过程 图 1 是切层算法流程图 如图 1 所示 首先需要给切层程序输入层厚 模型高度及切层 图片保存路径 等信息 接下来是判断过程 每切一层就要将层厚值与中间值 z相加一次 切下 一 层前需要判断此时z值是否超过了模型高度值 如果超过 切层程序结束 未 超过 则切下一层 切层过程主要包括 画剖切线 调用切层函数放置剖面 调整 显示窗口并保存为图片格式层文件 1 2 切层程 序说 明 插件开发时需要注意的是相对 坐标与绝对 Y 坐标的区别 在控制水平切割 线时 利用控制水平切割线的 l 坐标来实现 在放置零件图之前 给定 X Y值时是 以图纸的左下顶点作为原点坐标的 这个坐标系为绝对坐标系 但是放置零件图 后 坐标系的原点将改变成所放置零件的中心点 这个坐标系为相对坐标系 因 此在控制 y 坐标时 要选用相对坐标系 起始水平切割线的位置在 l 坐标值为 一 H 2 日为零件高度值 的位置上 2 截面错位 当所切的模型包含的特征较多 形状较复杂时 在放置剖面图时会产生图2 所示的 截面错位 现象 图2 a 中杯子模型的高度为 1 2 m m 在杯子底部中间 位置拉伸一细圆柱体 设定切层厚度为0 1 m m 图2 b 和2 c 分别给出了杯子 第 1 4 层 图片和第 1 9 层图片信息 其中的0 0 为细小圆柱的截面位置 P P 2 点 J 唐田 和 保 存 路 辑 上 l Z D I 上 I Z D 卜一 J 画鸯 日 切线 8 用Cr mt e S e c ti o n Vie w At 4 函数 上 调用Vie wZ o o m To 2 函数 调整 剖面在窗口的显示 1L 保 存剖面 文件 上 l 册 4 除 当 前 剖 面I 结 束 图 1 切层算法 为放置剖面时的剖面参考点 图2 b 中的0 与P 重合 而图2 c 中的0 与 不在同一点上 将两张截 面图按P 点重合叠在一起时 会发现0 与0 不重合 即产生了截面错位 按照这种切层图片制作出来 第 4期 基于 S o l i d Wo r k s的 C A D模型直接切层研究 5 2 7 的杯子与原模型不相符 出现这种现象的原 因在于 切层程序 中 p D r a w i n g D o c 一 I C r e a t e S e c t i o n V i e w A t 4 这个函数包含几个参数 其中之一就是放置剖视图的位置坐标 在每次调用这个函数时 位置坐标值是固 定的 剖视图的参考点坐标是改变的 在放置剖视图时 软件始终以完全显示剖视图时的最大轮廓的中心 点作为放置参考点 如 P 与 P 2 图2 c 与图2 b 相比较 多了杯子把手特征 因此它们所生成完全剖 视图的中心点位置会相对杯子发生变化 也就是发生了截面错位现象 利用错位的切层图片制作零件实体 时 各层 间会出现堆积错位 最终导致制作失败 故切层 时产生的错位问题必须解决 a 杯子模型 b 杯子第 1 4层信息 c 杯子第 1 9层信息 图 2 杯子切层信息 为了解决这一问题 需要建立一个统一的基准来保证各层剖视图放置参考点不发生变化 采用对零件 模型外围加如 图3 a 所示 的边框 可以解决截面错位问题 在切层方向上给模型外围添加一个边框 边框 壁与零件模型不相连 边框高度为零件的高度 这种做法的好处在于软件始终以最外边框轮廓的中心点来 确定剖视图放置参考点 边框截面在所有切层中都不 变 因此所生成的切层不会出现截面错位问题 所加 边框的厚度要尽量小 便于利用面曝光快速成形系统制作过程模型后 边框容易清理 a 带边框的杯子模型 b 带边框杯子第 1 4 层信息 c 带边框杯子第 1 9 层信息 图 3 带边框杯子切层信息 图3 a 为在图2 a 的杯子基础上 外围添加一边框 并在边框中心位置拉伸一小圆柱体 P 切层厚度 仍设定为0 1 m m 现比较其第 1 4层截面 图3 b 与第 1 9层截面 图3 c 放置剖面时软件以全剖视 图最大轮廓中心点作为参考点 在图3 a 所示模型中 最大轮廓始终为边框轮廓 使得放置参考点始终为 边框 中心点 如图3中的 P P 点 同时 P P 2 点也为模型中的圆柱 P剖切时的截面位置 这两点相对杯 子各部分固定 0 与 0 两点重合 因此 这种加边框的处理方法避免了截面错位现象的发生 在切层之前 并不是所有的模型都要加边框处理 对于截面视图规则的轴对称图形的模型 就不需加 边框 是否加边框要视实际的C A D模型的形状及特征复杂程度而定 3 剖面填充 面曝光快速成形可以有多种曝光模式 例如单次曝光模式 二次曝光模式等 单次曝光模式是指一次 生成整个截面图形的掩膜 一次曝光一层 整层固化时固化层内应力较大 二次曝光模式是指将一层分 成两次曝光 要求每一层切片有两个截面图片 将截面分成几部分进行分别填充 通过分别调用这两张图 片进行曝光固化 可以减小零件由于树脂固化产生的应力变形 面曝光快速成形系统制作零件时 掩膜图中截面图形 曝光部分为 白色 其他部分为黑 色 对于单次曝 光模式而言 在生成层掩膜图形时 需要截面部分完全填充成 白色 S o l i d Wo r k s 软件虽然 能够设置图纸颜 5 2 8 西安工程大学学报 第 2 4卷 色和剖面线颜色 但是保存成图形格式文件后背景颜色仍是白色 因此在 S o l i d Wo r k s 软件中不能改变图纸 的颜色 只能将截面实体部分填充成黑色 在面曝光快速成形 系统制作过程中 调用层 图片时需将 图片作 反色处理 反色处理的过程为先将图片解压 再用 2 5 5 减去当前层图片的 R G B值 S o l i d Wo r k s 软件 自带 了多种 I S O标准的剖面填充样式 但是没有适合面曝光快速成型的填充样式 这 就要求开发一种或者多种填充样式 S o l i d Wo r k s 安装文件 中的 s l d w k p m文件是截面填充库文件 其 中包 含了 S o l i d Wo r k s 软件 自带的截面填充样式 同时用户也可以在其中进行填充样式的开发 对于单次面曝光模式 要求截面实体部分完全填充为黑色 通过调小填充直线间距实现截面实体部分 为黑色填充的效果 但是两条直线的间距不能过小 间距过小时 会加大计算机的运算时间 切层的速度很 慢 因此要根据计算机硬件配置情况适当选择直线间距值 在 S o l i d Wo r k s 的 系统选项一 工程图 区域剖面线 填充 选项卡中 有设置剖面线样式 的选项 包 括现用户所开发的截面填充样式 但是这种设置只适用于手动添加剖面线 当用户运行所开发的插件时 剖面设置不起作用 为了能够让 S o l i d Wo r k s 软件 自动加载所开发 的截面填充样式 可将所开发的样式放置 在填充样式库文件中的第一个填充样式位置 4切层 方法验证 利用所开发的切层软件完成图4 a 所示的带边框杯子模型的切层处理 利用面曝光快速成形系统完 成了对该模型的制作 其中 杯子高度 1 2 ra m 边框厚度 0 1 m m 切层厚度 O 1 n l m 切 层 数 1 2 0层 曝光 模式 整层曝光模式 在 S o l i d Wo r k s 环境中 导人杯子模型到工程图 将其放置在图纸的合适位置 加载插件 并打开切层对 话框 输入层厚 模型高度和层图片保存路径 点击确定按钮开始切层 图 4 b 为得到的某一层切层 图片 这时的切层图形的截面实体部分为全黑色 背景为白色 面曝光快速成形系统控制程序中包含切层图片的 按顺序加载解压 反色处理 掩膜生成等功能 图4 c 所示图形为第 3 6层 的掩膜 截面部分为 白色 背景 为黑色 图4 d 是利用面曝光快速成形系统制作出的杯子实体 验证了此种切层方法能够方便地用于面 曝光快速成形系统 中 a 杯子模型 b 第 3 6层切层图形 c 第 3 6 层掩模图形 d 杯子实体 图 4 切层验证 5 结束语 实现了适用于面曝光快速成形的直接切层方法 该方法利用 V i s u a I C 软件 开发的切层程序作为 s o l i d wo r k s 的插件 可以直接对 3 D模型进行切层处理 并将切层信息保存 该法与 S T L 格式文件的切层方 法相比 减少了对 S T L文件检查 修复的过程 截面轮廓精度更高 为面曝光快速成形系统提供了一种新 型切层方法 参考文献 1 王葵 姜海 蒋克荣 立体光固化快速成型技术的应用及发展 J 新技术新工艺 2 0 0 8 2 5 5 5 6 2 胥光申 用于高精度小尺寸零件制作的光固化快速成型技术的现状与发展 J 机械科学与技术 2 0 0 4 2 3 1 0 1 2 2 3 1 2 2 5 3 X U G u a n g s h e n Z H A O Wa n h u a T A N G Y i p i n g e t a 1 D e v e l o p m e n t o f a r a p i d p r o t o t y p i n g s y s t e m f o r s m a l l s i z e o b j e c t s J 第 4期 基于 S o l i d Wo r k s的 C A D模型直接切层研究 5 2 9 T h e I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y 2 0 0 7 3 1 1 O 9 4 1 9 4 7 4 王伊卿 贾志洋 赵万华 等 面曝光快速成形关键技术及研究现状 J 机械设计与研究 2 0 0 9 2 5 2 9 6 1 0 0 5 王威信 吴延江 张凤军 以 S T L 为接口的 C A D C A E集成应用 J 计算机辅助设计与图形学学报 2 0 0 5 1 7 8 1 8 7 8 1 8 8 2 6 马巧梅 朱林泉 基于 S T L文件的快速分层算法的研究 J 计算机时代 2 0 0 8 4 3 5 3 7 7 温佩芝 黄文明 吴成柯 一种改进的 S T L 文件快速分层算法 J 计算机应用 2 0 0 8 2 8 7 1 7 6 6 1 7 6 8 8 董未名 严冬明 周登文 等 基于 C A D模型的直接快速成型软件 J 计算机辅助设计与图形学学报 2 0 0 4 1 6 3 3 6 0 3 6 7 9 李占利 胡德州 三维模型的直接分层软件研究与开发 J 西安科技学院学报 2 0 0 2 2 2 2 1 8 9 1 9 3 1 0 田启华 马可 赵卫 基于V i s u a l C 的S o l i d Wo r k s 二次开发技术 J 现代机械 2 0 0 5 1 5 2 5 4 1 1 马雷 李涤尘 段玉岗 等 基于二次曝光原理的光固化快速成型工艺研究 J 西安交通大学学报 2 0 0 1 3 5 1 5 7 6 0 Re s e a r c h o n d i r e c t s l i c i n g me t ho d ba s e d o n s o l i d wo r k s f o r CAD mo d e l s Z H A NG J i a n p i n g XU G u a n g s h e n J I N J i n g LU O S h e n g S c h o o l o f Me c h a n i c al E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g X i h n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y X i 锄 7 1 0 0 4 8 C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e n e e d o f Ma s k P r o j e c t i o n S t e r e o l i tho g r a p h y s y s t e m a n e w d i r e c t s l i c i n g me t h o d o f C AD mo d e l b a s e d o n S o l i d Wo r k s i s p r o p o s e d I t i s a c h i e v e d b y s l i c i n g f u n c t i o n w h i c h c a n b e u s e d a t S o l i d W o r k s d r a wi n g e nv i r o n me