三維虛擬的機械結構模擬軟體設計論文
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，提出基於三維虛擬的機械結構模擬模擬軟體設計方案。軟體設計分為機械結構的視覺成像採集部分、圖形三維渲染部分和實體建模部分。在MultiGenCreator三維建模軟體中進行機械結構三維虛擬視景模擬的軟體開發，根據機械結構的外形測量引數配置工程檔案，使用批處理模組進行資訊載入和影象處理，實現機械結構三維虛擬模擬設計。模擬結果表明，該軟體能有效實現機械結構的三維模擬，對各個部位的擬合程度較高。
關鍵詞：三維虛擬模擬；視景模擬；機械結構模擬；軟體設計；影象處理
0引言
隨著機械設計工業的快速發展，對機械結構設計的精度和時效性提出了更高的要求，機械內部結構組成單元複雜，各個零部件的尺寸精密度較高[1]，傳統的工業製圖方法進行設計誤差較大，不能有效滿足精度設計和精準診斷的應用需求。而計算機圖形與影象處理技術的快速發展並有效應用在機械結構模擬設計中[2]，透過高精度的計算機測量計算，從而改善機械結構的製圖精度。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VR技術和視景模擬技術[3]，本文提出一種基於三維虛擬的機械結構模擬模擬軟體設計方案，透過機械結構三維虛擬設計軟體開發，改善機械內部結構繪圖的精準性，為機械設計、機械製造和機械故障診斷提供更為有效的手段。
1軟體總體設計構架
基於三維虛擬的機械結構模擬模擬軟體採用迴圈傳輸和多執行緒載入方案進行機械測量引數載入，採用接觸式射頻識別進行機械結構的三維資訊測量，這是一種遠端感測測量方法，能有效滿足機械部件測量的精準度要求。系統的資料傳輸模組由模組FRINF16CCLM和主單元FRINF16M組成。後端伺服器採用Java+MySQL並行程式載入方式搭建，視景模擬構架下的機械結構三維虛擬模擬系統主要由機械結構資訊採集單元、機械結構資訊儲存資料庫、Web網路應用伺服器單元及服務後臺組成。採用MultigenCreator建模軟體進行視景模擬，對機械內部結構進行紋理和質地渲染，渲染出質感極強機械結構的三維虛擬模型。在服務後臺透過紋理對映和人機互動，輸出三維虛擬影象，在網路通訊輸出終端進行人機對話，建立OpenFlight資料庫，實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.進行功能模組化分析，軟體系統的功能模組主要由圖形微處理器模組、匯流排整合模組、3D幾何建模模組、機械結構測量資料採集模組、對外介面模組、資料建模模組和機械影象輸出模組等組成.根據上述系統的總體設計構架，進行機械結構三維虛擬模擬系統最佳化設計，首先進行工程檔案構建，採用4類基本實體物件（三維虛擬資訊處理、視景模擬、中介軟體和感知視場）構建軟體系統的應用業務適配層，結合MobileGIS服務構建視景模擬軟體的客戶端/伺服器端，對機械結構的三維虛擬模擬中，三維視景仿技術主要採用的是紋理對映（TextureMapping）的三維渲染技術[5]，採用多執行緒自上而下開發模式，在三維模擬模型中構建渲染畫面，確定機械結構關鍵部位點的位置和方向，結合三維虛擬場景的層次化結構進行虛擬點陣圖顯示和影象增強，實現對機械結構的亮點特徵分析。
2系統模組化設計與實現
2.1機械結構的三維虛擬模擬實體建模
對機械結構的三維模擬模擬建立在MultiGenCreator專業化的建模工具基礎上。透過工程檔案配置，使用MultiGenCreator的結構化軟體介面輸入視景模擬的參量模型，採用由“點”連線成“面”的設計方式進行三維紋理資訊渲染[6]。進入Creator的主介面，在三維虛擬視景模擬端的網格空間中採用紋理對映方法調整網格的大小。在選擇好三維對映的網格和機械結構的測量單位模型後，開始建造三維虛擬模型。採用高程資料特徵分解方法進行原始的機械結構資料的線性化處理，使得機械結構三維模擬得到的圖形具有真實物體的光澤感。對特徵資料進行剪下和自適應篩選，新增/dev、/etc主要目錄。在VirtualBox虛擬機器中將選定的材質賦給模型，在Windows編輯影象處理程式碼，透過MapTextureTools選擇貼圖方法進行機械結構的二次曲面重構[7]，調整模板檔案，輸出機械結構的三維虛擬模擬實體建模結構.根據上述設計流程，在工程例項中進行機械結構三維虛擬模擬分析。按步驟安裝完MultiGenCreator軟體後，根據機械結構的外形測量引數配置工程檔案，使用批處理模組進行資訊載入和影象處理。以工程例項為背景，進行機械結構的三維虛擬模擬實體。（1）在FaceTools中選擇面的型別，將待貼紋理的面定義為標誌牌[8]，維持圖形顯示速度，調整網格的大小。（2）在InsertMaterialstool工程模組中，透過GeometryTools把面變換為體，根據需要的材質、模型的顏色、透明度進行紋理對映和圖形渲染，將選定的材質賦給模型，在OpenFlight建模環境中開啟圖形觀察器，生成機械結構的`三維虛擬模擬實體模型並進行引數調整[9].
2.2機械結構三維虛擬視景開發實現
根據機械結構的三維虛擬視景模擬軟體的設計和要求，需要建立一個LynxPrime圖形介面，其實現步驟描述為：（1）建立套接字。利用API函式直接呼叫視景模型，透過socket函式建立套接字，首先定義VegaPrimeAPI非型別的變數s，初始化核心的socket函式，配置模擬類、模擬迴圈，採用socket進行機械結構參量配置，透過公用vpApp定製第一個引數（af），指定機械結構三維模擬自定義變數地址族，用函式configure（）用來解析.acf，透過TCP/IP協議用配置人機互動介面，持續呼叫beginframe（），實現機械三維虛擬影象在二維點陣圖上畫素值特徵提取。（2）利用紋理對映技術使得輸出的三維虛擬機器械結構影象與套接字繫結（bind），進行機械結構的表面層次（FaceLevel）渲染，呼叫bind函式，在三維圖形觀察器中組織機械結構模擬的視景資料。（3）呼叫recvfrom接收三維虛擬圖形輸出。定義整型變數為len，在編譯生成可執行程式程式碼後，機械結構資訊資料庫根檔案系統配置到資料交換埠，使用批處理模組進行影象處理，實現機械結構三維虛擬模擬設計。（4）關閉套接字。在圖形輸出和資訊處理完成之後，呼叫closesocket函式關閉套接字，在UDP的伺服器端釋放WSACleanup函式，終止對套接字型檔的排程，實現了對機械結構資訊的物件儲存、虛擬計算服務以及遠端呼叫。
3軟體測試分析
為了測試本文方法在實現機械結構三維虛擬模擬模擬中的應用效能，進行模擬實驗分析。軟體開發環境是Windows7作業系統，利用VisualC++7.0進行程式設計。CPU為IntelPentium4500MHz，記憶體為2.5GB，採用OpenGL和VegaPrime軟體聯合程式設計進行視景模擬設計.採用本文方法進行機械機構的三維虛擬模擬模擬，能有效實現機械結構的三維模擬，對各個部位的擬合程度較高，視覺效果較好，能有效指導機械設計製造。
4結語
為了提高機械設計的精密度和機械故障診斷的準確度，提出基於三維虛擬的機械結構模擬模擬軟體設計方案。實驗對比分析發現，軟體能有效實現機械結構的三維模擬，對各個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踐中具有較好的指導意義。
參考文獻
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