UGNX的STL在加工中存在问题及文件处理方法

　　1 前言

　　STL文件格式是由美国3D SYSTEM公司于1987年发布的一种数据格式。STL文件不同于其他一些基于特征的实体模型，它是一种将CAD实体数据模型进行三角化处理后的数据文件，是用许多空间三角形小平面逼近原CAD实体模型。UG NX可以将实体文件输出STL文件格式，也可以输入STL文件格式，但并不能将导入文件处理成实体，而是像导入JT文件一样，将其处理成小平面体(Faceted Body)。在UG NX的Modeling模块中可以对小平面体进行简单编辑，而在Manufacturing模块中，很多地方亦支持对STL文件的选择。

　　2 小平面体的编辑

　　图1 小平面体编辑菜单

　　常见的针对STL文件格式的处理软件，如比利时Materialize公司的Magics RP，除了造型功能以外，还可以对模型的三角面进行细化，使数模表面更加光顺。如果模型的三角面片过于细密，会导致文件体积庞大，所以还应该有三角面片的简化功能。在UG NX的Modeling模块中的Edit下有一个Facet Body菜单，展开该菜单可以看到它可以对小平面体进行裁剪(Snip)、简化(Decimate)、光顺(Smooth)和对齐(Alignment)，如图1所示，裁剪操作相对简单，下面主要介绍后3种操作功能。

　　图2 三角面简化前的模型

　　图3 三角面简化后的模型

　　2.1 小平面体简化(Decimate Facet Body)

　　由图2和图3可以看出，经过简化处理，模型的三角面数量大为降低，同时数模的精度也有所损失。在UG NX里，可以通过设定简化方法和极限角(Angle Threshold)来控制简化的结果。此外还可以通过设定边界来对某一区域进行简化，其对话框如图4所示。

　　     图4 Decimate Facet Body对话框  

　　2.2 小平面体光顺(Smooth Facet Body)　　

　　从某种程度来说，光顺的作用与简化相反，它通过增加三角面片的数量来使曲面更加光顺。在UG NX里，我们可以通过设定光顺因子(Smoothing Factor)和修正比(Modification Percentage)来控制光顺的结果。此外同样可以通过设定边界来对某一区域进行操作，其对话框如图5所示。

　　图5 Smooth Facet Body对话框

　　2.3 小平面体对齐(Alignment Facet Body)

　　图6 Best Fit Alignment对话框

　　对齐操作又分为最佳逼近对齐(Best Fit Alignment，其对话框如图6所示)和点集与点集对齐(Point Set To Point Set Alignment)。最佳逼近对齐可以设置分辨率(Resolution)的高低。

　　图7 对齐前的三个车门钣金面

　　图8对齐后的三个车门钣金面

　　如图7和图8所示采用的是最佳逼近对齐，当想要对齐的面形状差异明显的时候，可以采用点集与点集对齐。

　　2.4 评价

　　可以看出，UG NX对STL文件的处理功能并不是很强大，在进行特征造型的时候，绝大多数操作并不支持Facet Body。

　　3 对STL文件进行数控编程时存在的问题

　　STL文件与其它文件格式相比有一些很重要的特点。首先，它便于修复，UG NX修复一个复杂的，残缺不全的(通常是指外来输入的非参数化的)模型，往往需要数个小时，甚至数天的时间。用专用的修复STL文件的工具，则仅需要数十分钟甚至更短。STL文件比较适合用来描述拥有很复杂的曲面的模型，比如人的头骨、手板等。在UG NX中，此类文件往往非常庞大。因此，我们希望可以找到一种新的工艺流程，直接基于STL文件进行数控编程。

　　3.1 创建几何体

　　在对零件进行数控编程之前，一般需要先创建几何体，设定工件、加工边界、加工区域和加工坐标系。在创建几何体的对话框中，我们在实际应用中发现不仅仅可以选择特征以及点、线、面、体等常见体素，还可以选择Facets(见图9)。这使得基于STL文件的数控编程在UG NX中有了初步的可能。但目前还不能选择加工的区域也无法设定加工边界，这会给数控编程带来一定的麻烦。

　　图9 可选择项中包括Facets(小平面体)

　　3.2 创建操作

　　UG NX将铣(三轴)操作大致分为平面铣和型腔铣。平面铣不仅要求设定加工工件，还必须设定加工面，也就是Face Geometry和Cut Area。在Materialize公司开发的针对STL文件进行数控编程的软件Magics Mill中，加工区域的设定是通过对该区域的三角面进行染色来实现的。而在UG NX中，Faceted Body是一个完整的Shell，无法提取其边界，也不能选中模型中的某一个面。故而，对STL文件进行平面铣操作存在很大困难。

　　型腔铣种类繁多，选择Cavity_Mill，可以不需要指定加工面，直接根据工件得到加工路径(见图10)，这里使用STL文件进行编程是可能的。对于简单形状的零件，可以采用这种方法加工，但这样也失去了采用STL文件格式的意义。

　　图10 基于STL文件的NC编程

　　由上可见，无法选择Faceted Body的表面和边界是阻碍STL文件在UG CAM中应用的主要原因。

　　4 结论

　　由于STL文件格式简单而且不需要复杂的CAD系统支持，当数据出现错误时，特别容易修复，现在已经发展成为CAD系统与快速成型系统之间数据交换格式的标准。其优越性也使其越来越受到数控加工行业的重视，因此越来越多的CAM软件开始支持STL格式，而且还出现了面向STL格式的CAM软件。随着对STL格式的研究不断深入，必定会出现高精度，低数据量的STL文件，使得基于STL的数控加工方法得到进一步的普及与应用。UG NX作为全球技术领先的著名商用CADCAMCAE软件，应该采取相应的举措，以在模型修改和数控加工方面更好地支持STL文件格式。