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1、【機械結(jié)構(gòu)論文】三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)仿真軟件設(shè)計
摘要:為了提高機械設(shè)計的精密度和機械故障診斷的準(zhǔn)確度,提出基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)計方案。軟件設(shè)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(shè)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(shè)計;圖像處理
2、0引言
隨著機械設(shè)計工業(yè)的快速發(fā)展,對機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)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(shè)計誤差較大,不能有效滿足精度設(shè)計和精準(zhǔn)診斷的應(yīng)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(yīng)用在機械結(jié)構(gòu)模擬設(shè)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(shè)計的精密度和機械故障診斷的準(zhǔn)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(shè)計方案,通過機械結(jié)構(gòu)三維虛擬設(shè)計軟件開發(fā),改善機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)繪圖的精準(zhǔn)性,為機械設(shè)計、機械制造和機
3、械故障診斷提供更為有效的手段。
1軟件總體設(shè)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(zhǔn)度要求。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊由模塊FRINF16CCLM和主單元FRINF16M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(luò)應(yīng)用服務(wù)器單元及服務(wù)后臺組成。采用MultigenCreator建模軟件進行視景仿真,對機
4、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(wù)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(luò)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(shè)計和故障診斷分析等應(yīng)用功能[4]。根據(jù)上述設(shè)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(shè)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(shè)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
5、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(shè)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MultiGenCreator專業(yè)化的建模工具基礎(chǔ)上。通過工程文件配置,使用M
6、ultiGenCreator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(shè)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(yīng)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
7、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(shè)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(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GeometryTools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
8、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(shè)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,
9、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(shè)計。(4)關(guān)閉套接字。在圖形輸出和信息處
10、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(wù)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(yīng)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(shè)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(shè)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
11、各個部位的擬合程度較高,視覺效果較好,能有效指導(dǎo)機械設(shè)計制造。
4結(jié)語
為了提高機械設(shè)計的精密度和機械故障診斷的準(zhǔn)確度,提出基于三維虛擬的機械結(jié)構(gòu)模擬仿真軟件設(shè)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(shè)計和機械故障診斷等工程實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)