趙鵬 尹中輝

摘 要：掘進(jìn)機(jī)模型部件及其結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常難以滿足用戶需求。為了改善掘進(jìn)機(jī)模型產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)工作量大、開發(fā)周期長(zhǎng)、效率水平低等狀況，提出一個(gè)基于VB6.0的掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。以CSG為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以藍(lán)光數(shù)字礦山地理信息平臺(tái)為主要平臺(tái)，采用VB6.0編程語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速化、模塊化與參數(shù)化，不僅大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，而且實(shí)現(xiàn)了資源的合理配置與重復(fù)利用，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī);CSG;藍(lán)光數(shù)字礦山地理信息平臺(tái);VB6.0

DOI：10. 11907/rjdk. 191324 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）008-0092-04

Parametric Design System of Roadheader Model Based on VB6.0

ZHAO Peng，YIN Zhong-hui

（College of Computer Science and Engineering， Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract： The model of the roadheader model and its structure are complex and diverse， and the traditional design cannot often meet the needs of users. In order to improve the design of the roadheader model product which involves large workload，long development cycle and low efficiency. A design model of the roadheader model based on VB6.0 is proposed. Using CSG as the basic data structure， the Blu-ray digital mine geographic information platform is the main platform， and the software is realized by VB6.0 programming language. The software realizes the rapid， modular and parameterized product design， which not only greatly shortens the product development cycle， but also realizes the rational allocation and reuse of resources and improves the competitiveness of enterprises.

Key Words：roadheader;CSG ;Blu-ray digital mine geographic information platform;VB6.0

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0804406）;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016ZDJS02A05）

作者簡(jiǎn)介：趙鵬（1994-），男，山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹腔鄣V山信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué);尹中輝（1995-），男，山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹腔鄣V山信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于煤礦大斷面煤巖掘進(jìn)，以及隧道、水利工程等巷道掘進(jìn)的設(shè)備[1]。掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一體化集成度高，主要由本體部、行走部、截割部等部分組成，每個(gè)部分又包括許多驅(qū)動(dòng)設(shè)備及零部件。如果對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致工作量大、開發(fā)周期長(zhǎng)、效率低下等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)向著集成化、智能化方向發(fā)展[2]，VB6.0[3]、VB.net[4]、VC++[5]等多種編程語(yǔ)言已廣泛應(yīng)用于三維建模與仿真領(lǐng)域。目前在三維模型設(shè)計(jì)中，主流設(shè)計(jì)軟件有SolidWorks[6-7]、CAD[8]、CAXA[9]、UG2.0[10]等，這些軟件各有優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)與其它模型的差異，往往很難找到一個(gè)完全適合于掘進(jìn)機(jī)建模的軟件。針對(duì)以上問(wèn)題和現(xiàn)狀，本文提出一種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法[11]，利用VB6.0與藍(lán)光數(shù)字礦山地理信息平臺(tái)相結(jié)合的二次開發(fā)技術(shù)[12]，對(duì)產(chǎn)品自頂向下進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而完成掘進(jìn)機(jī)各結(jié)構(gòu)部分的模型設(shè)計(jì)，并通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速組合裝配。

1 CSG體素構(gòu)造原理

三維造型技術(shù)中將三維幾何分為規(guī)則實(shí)體與不規(guī)則實(shí)體。對(duì)于不規(guī)則實(shí)體采用二維輪廓繪制方法，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維模型，對(duì)于規(guī)則實(shí)體將利用CSG（Constructive Solid Geometry）體素構(gòu)造表示法，該方法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的形體表示方式之一[13]。該構(gòu)形方法的描述既符合空間形體構(gòu)形過(guò)程，又能滿足計(jì)算機(jī)實(shí)體造型要求[14]。體素構(gòu)造表示法將復(fù)雜實(shí)體看成由若干較簡(jiǎn)單的最基本體素（如立方體、圓柱體、圓錐體等）[15]，經(jīng)過(guò)一些有序的布爾運(yùn)算構(gòu)造出來(lái)的。在三維實(shí)體模型系統(tǒng)中，可以將實(shí)體建模分為兩部分，即體素定義與體素布爾運(yùn)算（交、并、差）[16]。因此，利用CSG體素構(gòu)造原理，本文將復(fù)雜的三維實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述為一棵CSG樹。在CSG樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，葉子節(jié)點(diǎn)表示基本體素，中間節(jié)點(diǎn)為體素間的布爾運(yùn)算（見圖1）。相較于傳統(tǒng)CAD建模，利用CSG原理可以將本系統(tǒng)中掘進(jìn)機(jī)模型的復(fù)雜部件快速分解為基本體元，抽調(diào)出復(fù)雜模型中的基本實(shí)體模型，為模型系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)作鋪墊，也提高了模型構(gòu)建效率。

圖1 構(gòu)造CSG樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)與平臺(tái)

基于VB6.0的掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以VB6.0、OLE（Object Linking and Embedding，對(duì)象鏈接與嵌入）為技術(shù)支持，以COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型）為規(guī)范，以藍(lán)光數(shù)字礦山軟件為平臺(tái)，將VB的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口）函數(shù)與藍(lán)光平臺(tái)相結(jié)合作為二次開發(fā)接口工具，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。藍(lán)光數(shù)字礦山地理信息平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱為藍(lán)光軟件平臺(tái)）不僅具備CAD、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、三維可視化等功能 [17]，而且該平臺(tái)的所有數(shù)據(jù)庫(kù)、符號(hào)線性庫(kù)等都是開放的。國(guó)際通用三維文件.3dt格式具有較強(qiáng)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，任意對(duì)象可由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接生成圖形，并進(jìn)行三維建模、渲染以及數(shù)據(jù)庫(kù)重建，極大方便了設(shè)計(jì)人員調(diào)用與二次開發(fā)。三維文件.3dt格式如圖2所示。.3dt格式文件主要記錄了三維實(shí)體的點(diǎn)（坐標(biāo)）、面（點(diǎn)生成面）、文本、線、紋理、層、體、線、漫游路線數(shù)目等，數(shù)據(jù)參數(shù)均通過(guò)VB寫入。藍(lán)光軟件平臺(tái)可對(duì).3dt格式文件生成的三維圖形進(jìn)行渲染、縮放、漫游等操作，實(shí)現(xiàn)三維可視化。

計(jì)算機(jī)編程常用開發(fā)語(yǔ)言如C++、C、VB等均可用于藍(lán)光軟件平臺(tái)的二次開發(fā)，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。隨著VB的發(fā)展與功能的逐步完善，VB已成為使用人數(shù)最多、應(yīng)用范圍最廣的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及軟件開發(fā)工具之一。VB6.0是一種可視化編程語(yǔ)言，其使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，提供了功能完備的應(yīng)用程序與集成開發(fā)環(huán)境，其具有的RAD快速應(yīng)用程序開發(fā)功能與良好的GUI圖形用戶界面均方便開發(fā)人員在Windows環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序。在參數(shù)化建模過(guò)程中，模型零件數(shù)量及尺寸等數(shù)據(jù)的冗雜往往會(huì)加大設(shè)計(jì)人員工作量、降低效率。VB6.0具有多種數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)能力，可隨時(shí)對(duì)SQL Server 2008、Access等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用與存儲(chǔ)，改善系統(tǒng)參數(shù)化模型選取、調(diào)用、篩選工作流程，設(shè)計(jì)人員只需篩選合適的零件即可完成相關(guān)設(shè)計(jì)，既縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，又節(jié)約了成本。

圖2 三維文件.3dt格式

2.2 系統(tǒng)參數(shù)化開發(fā)工作流程

參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖3所示，具體如下：①用戶登錄，進(jìn)入系統(tǒng)用戶設(shè)計(jì)主界面;②設(shè)計(jì)主頁(yè)分為6部分，分別為本體部設(shè)計(jì)、行走部設(shè)計(jì)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、截割部設(shè)計(jì)、鏟板部設(shè)計(jì)、后支撐部設(shè)計(jì)[18];③進(jìn)入相應(yīng)設(shè)計(jì)部分，根據(jù)開采礦體選擇對(duì)應(yīng)部件分類設(shè)計(jì);④根據(jù)尺寸型號(hào)輸入?yún)?shù)，驗(yàn)證是否符合參數(shù)規(guī)范要求，若符合則運(yùn)行設(shè)計(jì)程序，并存儲(chǔ)為.3dt格式，若不符合則返回上一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證;⑤設(shè)計(jì)其它部件并將其裝配整合，生成三維模型。

圖3 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

2.3 系統(tǒng)功能

由于地下巷道掘進(jìn)情況復(fù)雜，不同煤巖的普氏系數(shù)與掘進(jìn)開采礦體類型不同，部件參數(shù)也有很大不同。因此，根據(jù)對(duì)用戶需求的分析，將掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為7個(gè)模塊，主要功能模塊有本體部設(shè)計(jì)、行走部設(shè)計(jì)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、截割部設(shè)計(jì)、鏟板部設(shè)計(jì)、后支撐部設(shè)計(jì)、整機(jī)組合設(shè)計(jì)等模塊，其中截割部設(shè)計(jì)又可分為兩個(gè)二層功能模塊，分別為截割頭設(shè)計(jì)模塊與懸臂設(shè)計(jì)模塊。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的各層子系統(tǒng)進(jìn)行劃分，使每個(gè)模塊間的內(nèi)部邏輯組織關(guān)系更加清晰明了。為了能更高效地生成部分模型，滿足用戶不同需求，對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)沒(méi)有先后順序限制。

掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

3 掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)是人機(jī)交互的重要部分，也是用戶對(duì)軟件的第一印象，因此是軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分[19]。以鏟板部分設(shè)計(jì)為例，如圖6所示為鏟板部分設(shè)計(jì)界面，根據(jù)具體需求可將鏟板分為星輪式、刮板式、扒爪式3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。VB6.0工具箱可提供用于創(chuàng)建用戶界面的多種可視化部件對(duì)象，從而完成多個(gè)窗體控件對(duì)系統(tǒng)的整體UI布局。布局時(shí)采取分模塊輸入相關(guān)參數(shù)（主要有主鏟板、左右兩側(cè)鏟板、星輪半徑及主從動(dòng)輪半徑等）的方式，設(shè)計(jì)時(shí)需要保證系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔明了、參數(shù)位置清晰，設(shè)計(jì)人員可以直接參考工程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在對(duì)鏟板部分的設(shè)計(jì)中，選擇需要生成的樣式，然后用戶只需在設(shè)計(jì)頁(yè)面模塊中的TextBox控件框中輸入對(duì)應(yīng)尺寸參數(shù)，即可完成參數(shù)化建模。后臺(tái)程序自動(dòng)驗(yàn)證參數(shù)是否正確，如果尺寸參數(shù)無(wú)誤，則參數(shù)化建模完成。

參數(shù)設(shè)置代碼如下：

Global po_N As Long '點(diǎn)個(gè)數(shù)

Global f_N As Long '面?zhèn)€數(shù)

Global lin_N As Long '線個(gè)數(shù)

Global C_n As Long '層個(gè)數(shù)

Global s_n As Long '體個(gè)數(shù)

鏟板刮板

Public Sub cguanban（r As Double，n As Double）

Call Inig_3dt

For i =0 To n-1

Call add_point（r*Cos（i*80/n*3.1415926/180），0，-r*Sin（i*80/n*3.1415926/180），0，0，0）

Call add_point（r*Cos（i*60/n*3.1415926/180），0.05，-r*Sin（i*60/n*3.1415926/180），0，0，0）

Dialog.filter =”3DT文件|*.3dt”

Dialog.filename=”刮板”

Dialog.ShowSave

Save_3dt（dialog.filename）

End Sub

圖5 鏟板部參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

3.2 ActiveX控件應(yīng)用

窗體控件設(shè)計(jì)是VB6.0可視化的重要組成部分。ActiveX為Microsoft一系列策略性面向?qū)ο蟪绦蚣夹g(shù)與工具，其主要技術(shù)是組件對(duì)象模型（COM）[20]，擴(kuò)展名為OCX，代表“對(duì)象鏈接與嵌入控件（OLE）”。一個(gè)COM組件（ActiveX控件）可由多種開發(fā)語(yǔ)言開發(fā)，具有很強(qiáng)的適用性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了ActiveX控件中的選項(xiàng)卡控件（SSTab）、圖像列表控件（ImageList）等。常用ActiveX控件如表1所示。

表1 常用ActiveX控件

3.3 程序驅(qū)動(dòng)裝配

以往是通過(guò)CAD導(dǎo)入部分零部件，然后根據(jù)各機(jī)構(gòu)關(guān)系手動(dòng)進(jìn)行模型裝配，該裝配方式往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。掘進(jìn)機(jī)建模參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)CSG體素構(gòu)造將模型由復(fù)雜實(shí)體進(jìn)行拆分，再利用VB開發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行組合裝配。在掘進(jìn)機(jī)整機(jī)裝配界面上選擇要組合的各個(gè)部件類型，包括截割方式、懸臂類型、鏟板類型、運(yùn)輸機(jī)類型等，并顯示如圖6所示組合結(jié)果。

圖6 掘進(jìn)機(jī)整體裝配界面

組合裝配是用VB編程語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)定位，然后根據(jù)CSG思想解析實(shí)體構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體遍歷構(gòu)成實(shí)體坐標(biāo)。裝配步驟如下：①在部分設(shè)計(jì)界面上，用戶輸入各零部件具體參數(shù)，定位到實(shí)體基點(diǎn)坐標(biāo)與起點(diǎn)坐標(biāo)，并通過(guò)輸入的TextBox控件框?qū)⒕唧w參數(shù)傳入函數(shù);②在組合界面驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)坐標(biāo)定位實(shí)體間位置關(guān)系（平行、重合、垂直），后臺(tái)通過(guò)計(jì)算距離進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面的關(guān)系配合;③在程序驅(qū)動(dòng)過(guò)程中調(diào)用 Cr_s3dt函數(shù)在原有基礎(chǔ)上插入新生成的零部件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整機(jī)組合。裝配完成的掘進(jìn)機(jī)三維模型如圖7所示。通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)裝配可節(jié)省各部分組合時(shí)間，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

圖7 驅(qū)動(dòng)裝配完成的三維模型

自動(dòng)裝配組合代碼如下：

Public Sub Cr_s3dt（fff As String， ydX As Double， ydY As Double， ydZ As Double， sf As Double） '在原有基礎(chǔ)上插入3dt裝配組合

Open fff For Input As 1

Input #1， tmn， tpn

If kk = 7 Then

Input #1， tpn， tmn， ttn， tln， twn， tcn， tsn， tzn

Else

Input #1， tpn， tmn， ttn， tln， twn， tcn， tsn， tzn， myn '點(diǎn)數(shù)目，面數(shù)目，文本數(shù)目，線（鉆孔）數(shù)目，紋理數(shù)目，層數(shù)目，體數(shù)目，線列表數(shù)，漫游路線數(shù)目

End If

ReDim Preserve lu_F（f_N + tmn）

ReDim Preserve lu_P（po_N + tpn）

For j = 1 To tpn

With lu_P（po_N + j）? ? ? ?'lu_p（） 點(diǎn)

Input #1， .N， .x， .y， .z， .R， .G， .B? ?'對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)縮放

.x = .x * sf + ydX

.y = .y * sf + ydY

.z = .z * sf + ydZ

.N = po_N + .N

End With

Next j

'面

……

End Sub

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)掘進(jìn)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在理論方面，本文給出了詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，可為后續(xù)類似系統(tǒng)開發(fā)提供參考;在應(yīng)用方面，該系統(tǒng)可大大降低設(shè)計(jì)人員工作量，縮短開發(fā)周期。該研究成果可應(yīng)用于三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化以及有限元分析等領(lǐng)域，后續(xù)還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、改善人機(jī)交互界面。

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