三維虛擬的機械結構仿真軟件設計論文

三維虛擬的機械結構仿真軟件設計論文

　　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構模擬仿真軟件設計方案。軟件設計分為機械結構的視覺(jué)成像采集部分、圖形三維渲染部分和實(shí)體建模部分。在MultiGenCreator三維建模軟件中進(jìn)行機械結構三維虛擬視景仿真的軟件開(kāi)發(fā)，根據機械結構的外形測量參數配置工程文件，使用批處理模塊進(jìn)行信息加載和圖像處理，實(shí)現機械結構三維虛擬模擬設計。仿真結果表明，該軟件能有效實(shí)現機械結構的三維模擬，對各個(gè)部位的擬合程度較高。

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

　　0引言

　　隨著(zhù)機械設計工業(yè)的快速發(fā)展，對機械結構設計的精度和時(shí)效性提出了更高的要求，機械內部結構組成單元復雜，各個(gè)零部件的尺寸精密度較高[1]，傳統的工業(yè)制圖方法進(jìn)行設計誤差較大，不能有效滿(mǎn)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構模擬設計中[2]，通過(guò)高精度的計算機測量計算，從而改善機械結構的制圖精度。為了提高機械設計的精密度和機械故障診斷的準確度，結合虛擬現實(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械結構模擬仿真軟件設計方案，通過(guò)機械結構三維虛擬設計軟件開(kāi)發(fā)，改善機械內部結構繪圖的精準性，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軟件總體設計構架

　　基于三維虛擬的機械結構模擬仿真軟件采用循環(huán)傳輸和多線(xiàn)程加載方案進(jìn)行機械測量參數加載，采用接觸式射頻識別進(jìn)行機械結構的三維信息測量，這是一種遠程傳感測量方法，能有效滿(mǎn)足機械部件測量的精準度要求。系統的數據傳輸模塊由模塊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，視景仿真構架下的機械結構三維虛擬模擬系統主要由機械結構信息采集單元、機械結構信息存儲數據庫、Web網(wǎng)絡(luò )應用服務(wù)器單元及服務(wù)后臺組成。采用MultigenCreator建模軟件進(jìn)行視景仿真，對機械內部結構進(jìn)行紋理和質(zhì)地渲染，渲染出質(zhì)感極強機械結構的三維虛擬模型。在服務(wù)后臺通過(guò)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(jìn)行人機對話(huà)，建立OpenFlight數據庫，實(shí)現機械設計和故障診斷分析等應用功能[4]。根據上述設計原理和總體結構構架分析.進(jìn)行功能模塊化分析，軟件系統的功能模塊主要由圖形微處理器模塊、總線(xiàn)集成模塊、3D幾何建模模塊、機械結構測量數據采集模塊、對外接口模塊、數據建模模塊和機械圖像輸出模塊等組成.根據上述系統的總體設計構架，進(jìn)行機械結構三維虛擬模擬系統優(yōu)化設計，首先進(jìn)行工程文件構建，采用4類(lèi)基本實(shí)體對象（三維虛擬信息處理、視景仿真、中間件和感知視場(chǎng)）構建軟件系統的應用業(yè)務(wù)適配層，結合MobileGIS服務(wù)構建視景仿真軟件的客戶(hù)端/服務(wù)器端，對機械結構的三維虛擬模擬中，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(xiàn)程自上而下開(kāi)發(fā)模式，在三維仿真模型中構建渲染畫(huà)面，確定機械結構關(guān)鍵部位點(diǎn)的位置和方向，結合三維虛擬場(chǎng)景的層次化結構進(jìn)行虛擬位圖顯示和圖像增強，實(shí)現對機械結構的亮點(diǎn)特征分析。

　　2系統模塊化設計與實(shí)現

　　2.1機械結構的三維虛擬模擬實(shí)體建模

　　對機械結構的三維模擬仿真建立在MultiGenCreator專(zhuān)業(yè)化的建模工具基礎上。通過(guò)工程文件配置，使用MultiGenCreator的結構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”的設計方式進(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整網(wǎng)格的大小。在選擇好三維映射的網(wǎng)格和機械結構的測量單位模型后，開(kāi)始建造三維虛擬模型。采用高程數據特征分解方法進(jìn)行原始的機械結構數據的線(xiàn)性化處理，使得機械結構三維模擬得到的圖形具有真實(shí)物體的光澤感。對特征數據進(jìn)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(guò)MapTextureTools選擇貼圖方法進(jìn)行機械結構的二次曲面重構[7]，調整模板文件，輸出機械結構的三維虛擬模擬實(shí)體建模結構.根據上述設計流程，在工程實(shí)例中進(jìn)行機械結構三維虛擬模擬分析。按步驟安裝完MultiGenCreator軟件后，根據機械結構的外形測量參數配置工程文件，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)行機械結構的三維虛擬模擬實(shí)體。（1）在FaceTools中選擇面的類(lèi)型，將待貼紋理的面定義為標志牌[8]，維持圖形顯示速度，調整網(wǎng)格的大小。（2）在InsertMaterialstool工程模塊中，通過(guò)GeometryTools把面變換為體，根據需要的材質(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(guān)察器，生成機械結構的三維虛擬模擬實(shí)體模型并進(jìn)行參數調整[9].

　　2.2機械結構三維虛擬視景開(kāi)發(fā)實(shí)現

　　根據機械結構的三維虛擬視景仿真軟件的設計和要求，需要建立一個(gè)LynxPrime圖形界面，其實(shí)現步驟描述為：（1）創(chuàng )建套接字。利用API函數直接調用視景模型，通過(guò)socket函數創(chuàng )建套接字，首先定義VegaPrimeAPI非類(lèi)型的變量s，初始化內核的socket函數，配置仿真類(lèi)、仿真循環(huán)，采用socket進(jìn)行機械結構參量配置，通過(guò)公用vpApp定制第一個(gè)參數（af），指定機械結構三維模擬自定義變量地址族，用函數configure（）用來(lái)解析.acf，通過(guò)TCP/IP協(xié)議用配置人機交互接口，持續調用beginframe（），實(shí)現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構圖像與套接字綁定（bind），進(jìn)行機械結構的表面層次（FaceLevel）渲染，調用bind函數，在三維圖形觀(guān)察器中組織機械結構模擬的視景數據。（3）調用recvfrom接收三維虛擬圖形輸出。定義整型變量為len，在編譯生成可執行程序代碼后，機械結構信息數據庫根文件系統配置到數據交換端口，使用批處理模塊進(jìn)行圖像處理，實(shí)現機械結構三維虛擬模擬設計。（4）關(guān)閉套接字。在圖形輸出和信息處理完成之后，調用closesocket函數關(guān)閉套接字，在UDP的服務(wù)器端釋放WSACleanup函數，終止對套接字庫的調度，實(shí)現了對機械結構信息的對象存儲、虛擬計算服務(wù)以及遠程調用。

　　3軟件測試分析

　　為了測試本文方法在實(shí)現機械結構三維虛擬模擬仿真中的應用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗分析。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Windows7操作系統，利用VisualC++7.0進(jìn)行程序設計。CPU為IntelPentium4500MHz，內存為2.5GB，采用OpenGL和VegaPrime軟件聯(lián)合編程進(jìn)行視景仿真設計.采用本文方法進(jìn)行機械機構的三維虛擬模擬仿真，能有效實(shí)現機械結構的三維模擬，對各個(gè)部位的擬合程度較高，視覺(jué)效果較好，能有效指導機械設計制造。

　　4結語(yǔ)

　　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構模擬仿真軟件設計方案。實(shí)驗對比分析發(fā)現，軟件能有效實(shí)現機械結構的三維模擬，對各個(gè)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(shí)踐中具有較好的指導意義。

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