三維虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真軟件設(shè)計(jì)

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

關(guān)鍵詞：三維虛擬仿真；視景仿真；機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬；軟件設(shè)計(jì)；圖像處理

0引言

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度和時(shí)效性提出了更高的要求，機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成單元復(fù)雜，各個(gè)零部件的尺寸精密度較高[1]，傳統(tǒng)的工業(yè)制圖方法進(jìn)行設(shè)計(jì)誤差較大，不能有效滿足精度設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)診斷的應(yīng)用需求。而計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展并有效應(yīng)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)中[2]，通過高精度的計(jì)算機(jī)測(cè)量計(jì)算，從而改善機(jī)械結(jié)構(gòu)的制圖精度。為了提高機(jī)械設(shè)計(jì)的精密度和機(jī)械故障診斷的準(zhǔn)確度，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)計(jì)方案，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬設(shè)計(jì)軟件開發(fā)，改善機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)繪圖的精準(zhǔn)性，為機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和機(jī)械故障診斷提供更為有效的手段。

1軟件總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

基于三維虛擬的機(jī)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(jìn)行機(jī)械測(cè)量參數(shù)加載，采用接觸式射頻識(shí)別進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維信息測(cè)量，這是一種遠(yuǎn)程傳感測(cè)量方法，能有效滿足機(jī)械部件測(cè)量的精準(zhǔn)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(wù)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(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)信息采集單元、機(jī)械結(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫、Web網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器單元及服務(wù)后臺(tái)組成。采用MultigenCreator建模軟件進(jìn)行視景仿真，對(duì)機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行紋理和質(zhì)地渲染，渲染出質(zhì)感極強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型。在服務(wù)后臺(tái)通過紋理映射和人機(jī)交互，輸出三維虛擬圖像，在網(wǎng)絡(luò)通信輸出終端進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，建立OpenFlight數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)和故障診斷分析等應(yīng)用功能[4]。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理和總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架分析.進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)采集模塊、對(duì)外接口模塊、數(shù)據(jù)建模模塊和機(jī)械圖像輸出模塊等組成.根據(jù)上述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行工程文件構(gòu)建，采用4類基本實(shí)體對(duì)象（三維虛擬信息處理、視景仿真、中間件和感知視場(chǎng)）構(gòu)建軟件系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，結(jié)合MobileGIS服務(wù)構(gòu)建視景仿真軟件的客戶端/服務(wù)器端，對(duì)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位點(diǎn)的位置和方向，結(jié)合三維虛擬場(chǎng)景的層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬位圖顯示和圖像增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的亮點(diǎn)特征分析。

2系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實(shí)體建模

對(duì)機(jī)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(diǎn)”連接成“面”的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行三維紋理信息渲染[6]。進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的測(cè)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(jìn)行原始的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的線性化處理，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模擬得到的圖形具有真實(shí)物體的光澤感。對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切和自適應(yīng)篩選，添加/dev、/etc主要目錄。在VirtualBox虛擬機(jī)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(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的二次曲面重構(gòu)[7]，調(diào)整模板文件，輸出機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實(shí)體建模結(jié)構(gòu).根據(jù)上述設(shè)計(jì)流程，在工程實(shí)例中進(jìn)行機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的外形測(cè)量參數(shù)配置工程文件，使用批處理模塊進(jìn)行信息加載和圖像處理。以工程實(shí)例為背景，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實(shí)體。（1）在FaceTools中選擇面的類型，將待貼紋理的面定義為標(biāo)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(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實(shí)體模型并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整[9].

2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬視景開發(fā)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬視景仿真軟件的設(shè)計(jì)和要求，需要建立一個(gè)LynxPrime圖形界面，其實(shí)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(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)參量配置，通過公用vpApp定制第一個(gè)參數(shù)（af），指定機(jī)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(jī)交互接口，持續(xù)調(diào)用beginframe（），實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)圖像與套接字綁定（bind），進(jìn)行機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬設(shè)計(jì)。（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(wù)器端釋放WSACleanup函數(shù)，終止對(duì)套接字庫的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)信息的對(duì)象存儲(chǔ)、虛擬計(jì)算服務(wù)以及遠(yuǎn)程調(diào)用。

3軟件測(cè)試分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬模擬仿真中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。軟件開發(fā)環(huán)境是Windows7操作系統(tǒng)，利用VisualC++7.0進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。CPU為IntelPentium4500MHz，內(nèi)存為2.5GB，采用OpenGL和VegaPrime軟件聯(lián)合編程進(jìn)行視景仿真設(shè)計(jì).采用本文方法進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的三維虛擬模擬仿真，能有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模擬，對(duì)各個(gè)部位的擬合程度較高，視覺效果較好，能有效指導(dǎo)機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

4結(jié)語

為了提高機(jī)械設(shè)計(jì)的精密度和機(jī)械故障診斷的準(zhǔn)確度，提出基于三維虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，軟件能有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模擬，對(duì)各個(gè)部位的擬合程度較高，在機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械故障診斷等工程實(shí)踐中具有較好的指導(dǎo)意義。

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作者:秦悅 單位:成都理工大學(xué)