三維虛擬的機械結構仿真軟件設計

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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構三維虛擬視景仿真的軟件開發，根據機械結構的外形測量參數配置工程文件，使用批處理模塊進行信息加載和圖像處理，實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復雜，各個零部件的尺寸精密度較高[1]，傳統的工業制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。而計算機圖形與圖像處理技術的快速發展并有效應用在機械結構模擬設計中[2]，通過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VR技術和視景仿真技術[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，通過機械結構三維虛擬設計軟件開發，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傳輸和多線程加載方案進行機械測量參數加載，采用接觸式射頻識別進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FRINF⁃16CCL⁃M和主單元FRINF⁃16M組成。后端服務器采用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網絡應用服務器單元及服務后臺組成。采用MultigenCreator建模軟件進行視景仿真，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。在服務后臺通過紋理映射和人機交互，輸出三維虛擬圖像，在網絡通信輸出終端進行人機對話，建立OpenFlight數據庫，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，進行機械結構三維虛擬模擬系統優化設計，首先進行工程文件構建，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）構建軟件系統的應用業務適配層，結合MobileGIS服務構建視景仿真軟件的客戶端/服務器端，對機械結構的三維虛擬模擬中，三維視景仿技術主要采用的是紋理映射（TextureMapping）的三維渲染技術[5]，采用多線程自上而下開發模式，在三維仿真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位圖顯示和圖像增強，實現對機械結構的亮點特征分析。

2系統模塊化設計與實現

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仿真建立在MultiGenCre⁃ator專業化的建模工具基礎上。通過工程文件配置，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”連接成“面”的設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格空間中采用紋理映射方法調整網格的大小。在選擇好三維映射的網格和機械結構的測量單位模型后，開始建造三維虛擬模型。采用高程數據特征分解方法進行原始的機械結構數據的線性化處理，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。對特征數據進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賦給模型，在Windows編輯圖像處理代碼，通過MapTextureTools選擇貼圖方法進行機械結構的二次曲面重構[7]，調整模板文件，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，在工程實例中進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，使用批處理模塊進行信息加載和圖像處理。以工程實例為背景，進行機械結構的三維虛擬模擬實體。（1）在FaceTools中選擇面的類型，將待貼紋理的面定義為標志牌[8]，維持圖形顯示速度，調整網格的大小。（2）在InsertMaterialstool工程模塊中，通過Geom⁃etryTools把面變換為體，根據需要的材質、模型的顏色、透明度進行紋理映射和圖形渲染，將選定的材質賦給模型，在OpenFlight建模環境中打開圖形觀察器，生成機械結構的三維虛擬模擬實體模型并進行參數調整[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仿真軟件的設計和要求，需要建立一個LynxPrime圖形界面，其實現步驟描述為：（1）創建套接字。利用API函數直接調用視景模型，通過socket函數創建套接字，首先定義VegaPrimeAPI非類型的變量s，初始化內核的socket函數，配置仿真類、仿真循環，采用socket進行機械結構參量配置，通過公用vpApp定制第一個參數（af），指定機械結構三維模擬自定義變量地址族，用函數configure（）用來解析.acf，通過TCP/IP協議用配置人機交互接口，持續調用beginframe（），實現機械三維虛擬圖像在二維位圖上像素值特征提取。（2）利用紋理映射技術使得輸出的三維虛擬機械結構圖像與套接字綁定（bind），進行機械結構的表面層次（FaceLevel）渲染，調用bind函數，在三維圖形觀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，使用批處理模塊進行圖像處理，實現機械結構三維虛擬模擬設計。（4）關閉套接字。在圖形輸出和信息處理完成之后，調用closesocket函數關閉套接字，在UDP的服務器端釋放WSACleanup函數，終止對套接字庫的調度，實現了對機械結構信息的對象存儲、虛擬計算服務以及遠程調用。

3軟件測試分析

為了測試本文方法在實現機械結構三維虛擬模擬仿真中的應用性能，進行仿真實驗分析。軟件開發環境是Windows7操作系統，利用VisualC++7.0進行程序設計。CPU為IntelPentium4500MHz，內存為2.5GB，采用OpenGL和VegaPrime軟件聯合編程進行視景仿真設計.采用本文方法進行機械機構的三維虛擬模擬仿真，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制造。

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，提出基于三維虛擬的機械結構模擬仿真軟件設計方案。實驗對比分析發現，軟件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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作者:秦悅 單位:成都理工大學