三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)仿真軟件設計

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摘要：為了提高機械設計的精密度和機械故障診斷的準確度，提出基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設計方案。軟件設計分為機械結(jié)構(gòu)的視覺成像采集部分、圖形三維渲染部分和實體建模部分。在MultiGenCreator三維建模軟件中進行機械結(jié)構(gòu)三維虛擬視景仿真的軟件開發(fā)，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的外形測量參數(shù)配置工程文件，使用批處理模塊進行信息加載和圖像處理，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬設計。仿真結(jié)果表明，該軟件能有效實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的三維模擬，對各個部位的擬合程度較高。

關(guān)鍵詞：三維虛擬仿真；視景仿真；機械結(jié)構(gòu)模擬；軟件設計；圖像處理

0引言

隨著機械設計工業(yè)的快速發(fā)展，對機械結(jié)構(gòu)設計的精度和時效性提出了更高的要求，機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成單元復雜，各個零部件的尺寸精密度較高[1]，傳統(tǒng)的工業(yè)制圖方法進行設計誤差較大，不能有效滿足精度設計和精準診斷的應用需求。而計算機圖形與圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展并有效應用在機械結(jié)構(gòu)模擬設計中[2]，通過高精度的計算機測量計算，從而改善機械結(jié)構(gòu)的制圖精度。為了提高機械設計的精密度和機械故障診斷的準確度，結(jié)合虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)和視景仿真技術(shù)[3]，本文提出一種基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設計方案，通過機械結(jié)構(gòu)三維虛擬設計軟件開發(fā)，改善機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)繪圖的精準性，為機械設計、機械制造和機械故障診斷提供更為有效的手段。

1軟件總體設計構(gòu)架

基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件采用循環(huán)傳輸和多線程加載方案進行機械測量參數(shù)加載，采用接觸式射頻識別進行機械結(jié)構(gòu)的三維信息測量，這是一種遠程傳感測量方法，能有效滿足機械部件測量的精準度要求。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊由模塊FRINF⁃16CCL⁃M和主單元FRINF⁃16M組成。后端服務器采用Java+MySQL并行程序加載方式搭建，視景仿真構(gòu)架下的機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)信息采集單元、機械結(jié)構(gòu)信息存儲數(shù)據(jù)庫、Web網(wǎng)絡應用服務器單元及服務后臺組成。采用MultigenCreator建模軟件進行視景仿真，對機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行紋理和質(zhì)地渲染，渲染出質(zhì)感極強機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型。在服務后臺通過紋理映射和人機交互，輸出三維虛擬圖像，在網(wǎng)絡通信輸出終端進行人機對話，建立OpenFlight數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)機械設計和故障診斷分析等應用功能[4]。根據(jù)上述設計原理和總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架分析.進行功能模塊化分析，軟件系統(tǒng)的功能模塊主要由圖形微處理器模塊、總線集成模塊、3D幾何建模模塊、機械結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)采集模塊、對外接口模塊、數(shù)據(jù)建模模塊和機械圖像輸出模塊等組成.根據(jù)上述系統(tǒng)的總體設計構(gòu)架，進行機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬系統(tǒng)優(yōu)化設計，首先進行工程文件構(gòu)建，采用4類基本實體對象（三維虛擬信息處理、視景仿真、中間件和感知視場）構(gòu)建軟件系統(tǒng)的應用業(yè)務適配層，結(jié)合MobileGIS服務構(gòu)建視景仿真軟件的客戶端/服務器端，對機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬中，三維視景仿技術(shù)主要采用的是紋理映射（TextureMapping）的三維渲染技術(shù)[5]，采用多線程自上而下開發(fā)模式，在三維仿真模型中構(gòu)建渲染畫面，確定機械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位點的位置和方向，結(jié)合三維虛擬場景的層次化結(jié)構(gòu)進行虛擬位圖顯示和圖像增強，實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)的亮點特征分析。

2系統(tǒng)模塊化設計與實現(xiàn)

2.1機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實體建模

對機械結(jié)構(gòu)的三維模擬仿真建立在MultiGenCre⁃ator專業(yè)化的建模工具基礎(chǔ)上。通過工程文件配置，使用MultiGenCreator的結(jié)構(gòu)化軟件界面輸入視景仿真的參量模型，采用由“點”連接成“面”的設計方式進行三維紋理信息渲染[6]。進入Creator的主界面，在三維虛擬視景仿真端的網(wǎng)格空間中采用紋理映射方法調(diào)整網(wǎng)格的大小。在選擇好三維映射的網(wǎng)格和機械結(jié)構(gòu)的測量單位模型后，開始建造三維虛擬模型。采用高程數(shù)據(jù)特征分解方法進行原始的機械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的線性化處理，使得機械結(jié)構(gòu)三維模擬得到的圖形具有真實物體的光澤感。對特征數(shù)據(jù)進行剪切和自適應篩選，添加/dev、/etc主要目錄。在VirtualBox虛擬機中將選定的材質(zhì)賦給模型，在Windows編輯圖像處理代碼，通過MapTextureTools選擇貼圖方法進行機械結(jié)構(gòu)的二次曲面重構(gòu)[7]，調(diào)整模板文件，輸出機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實體建模結(jié)構(gòu).根據(jù)上述設計流程，在工程實例中進行機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬分析。按步驟安裝完MultiGenCreator軟件后，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的外形測量參數(shù)配置工程文件，使用批處理模塊進行信息加載和圖像處理。以工程實例為背景，進行機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實體。（1）在FaceTools中選擇面的類型，將待貼紋理的面定義為標志牌[8]，維持圖形顯示速度，調(diào)整網(wǎng)格的大小。（2）在InsertMaterialstool工程模塊中，通過Geom⁃etryTools把面變換為體，根據(jù)需要的材質(zhì)、模型的顏色、透明度進行紋理映射和圖形渲染，將選定的材質(zhì)賦給模型，在OpenFlight建模環(huán)境中打開圖形觀察器，生成機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實體模型并進行參數(shù)調(diào)整[9].

2.2機械結(jié)構(gòu)三維虛擬視景開發(fā)實現(xiàn)

根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬視景仿真軟件的設計和要求，需要建立一個LynxPrime圖形界面，其實現(xiàn)步驟描述為：（1）創(chuàng)建套接字。利用API函數(shù)直接調(diào)用視景模型，通過socket函數(shù)創(chuàng)建套接字，首先定義VegaPrimeAPI非類型的變量s，初始化內(nèi)核的socket函數(shù)，配置仿真類、仿真循環(huán)，采用socket進行機械結(jié)構(gòu)參量配置，通過公用vpApp定制第一個參數(shù)（af），指定機械結(jié)構(gòu)三維模擬自定義變量地址族，用函數(shù)configure（）用來解析.acf，通過TCP/IP協(xié)議用配置人機交互接口，持續(xù)調(diào)用beginframe（），實現(xiàn)機械三維虛擬圖像在二維位圖上像素值特征提取。（2）利用紋理映射技術(shù)使得輸出的三維虛擬機械結(jié)構(gòu)圖像與套接字綁定（bind），進行機械結(jié)構(gòu)的表面層次（FaceLevel）渲染，調(diào)用bind函數(shù)，在三維圖形觀察器中組織機械結(jié)構(gòu)模擬的視景數(shù)據(jù)。（3）調(diào)用recvfrom接收三維虛擬圖形輸出。定義整型變量為len，在編譯生成可執(zhí)行程序代碼后，機械結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫根文件系統(tǒng)配置到數(shù)據(jù)交換端口，使用批處理模塊進行圖像處理，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬設計。（4）關(guān)閉套接字。在圖形輸出和信息處理完成之后，調(diào)用closesocket函數(shù)關(guān)閉套接字，在UDP的服務器端釋放WSACleanup函數(shù)，終止對套接字庫的調(diào)度，實現(xiàn)了對機械結(jié)構(gòu)信息的對象存儲、虛擬計算服務以及遠程調(diào)用。

3軟件測試分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬仿真中的應用性能，進行仿真實驗分析。軟件開發(fā)環(huán)境是Windows7操作系統(tǒng)，利用VisualC++7.0進行程序設計。CPU為IntelPentium4500MHz，內(nèi)存為2.5GB，采用OpenGL和VegaPrime軟件聯(lián)合編程進行視景仿真設計.采用本文方法進行機械機構(gòu)的三維虛擬模擬仿真，能有效實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的三維模擬，對各個部位的擬合程度較高，視覺效果較好，能有效指導機械設計制造。

4結(jié)語

為了提高機械設計的精密度和機械故障診斷的準確度，提出基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設計方案。實驗對比分析發(fā)現(xiàn)，軟件能有效實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的三維模擬，對各個部位的擬合程度較高，在機械設計和機械故障診斷等工程實踐中具有較好的指導意義。

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作者:秦悅 單位:成都理工大學