基于三維虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)計(jì)

秦悅

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(jué)成像采集部分、圖形三維渲染部分和實(shí)體建模部分。在MultiGen Creator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(kāi)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

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.73?34； TP391.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0054?03

Abstract： In order to improve the precision of the mechanical design and the accuracy of the mechanical fault diagnosis， a design scheme of the 3D virtual simulation software for mechanical structure analog is proposed. The software design is divided into three parts： visual imaging acquisition part of mechanical structure， graphic 3D rendering part and solid modeling part. Software development for 3D virtual scene simulation of mechanical structure is conducted in MultiGen Creator 3D modeling software. Project files are configured according to the measured outline parameters of mechanical structure. Information loading and image processing are performed by using batch processing module to realize 3D virtual simulation design of mechanical structure. The simulation results show that the software can effectively realize the 3D simulation of mechanical structure， and has high fitting degree.

Keywords： 3D virtual simulation； visual simulation； mechanical structure analog； software design； image processing

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(guò)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(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬設(shè)計(jì)軟件開(kāi)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(kù)、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Multigen Creator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(guò)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(kù)，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，得到本文設(shè)計(jì)的基于三維虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型，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，功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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(lèi)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 Mobile GIS 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（Texture Mapping）的三維渲染技術(shù)[5]，采用多線程自上而下開(kāi)發(fā)模式，在三維仿真模型中構(gòu)建渲染畫(huà)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。endprint

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MultiGen Creator專(zhuān)業(yè)化的建模工具基礎(chǔ)上。通過(guò)工程文件配置，使用MultiGen Creator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(kāi)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(guò)Map Texture Tools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)，得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬實(shí)體建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

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MultiGen Creator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Face Tools中選擇面的類(lèi)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Insert Materials tool工程模塊中，通過(guò)Geometry Tools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(kāi)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]，如圖4所示。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)三維虛擬視景開(kāi)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)Lynx Prime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(guò)socket函數(shù)創(chuàng)建套接字，首先定義Vega Prime API 非類(lèi)型的變量s，初始化內(nèi)核的 socket函數(shù)，配置仿真類(lèi)、仿真循環(huán)，采用socket進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)參量配置，通過(guò)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(lái)解析.acf ，通過(guò)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（Face Level）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(kù)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(kù)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(kāi)發(fā)環(huán)境是Windows 7操作系統(tǒng)，利用Visual C++ 7.0進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。CPU為Intel Pentium 4 500 MHz，內(nèi)存為2.5 GB，采用OpenGL和Vega Prime軟件聯(lián)合編程進(jìn)行視景仿真設(shè)計(jì)，得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模擬仿真輸出如圖5所示。

分析圖5得知，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(jué)效果較好，能有效指導(dǎo)機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

4 結(jié) 語(yǔ)

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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