秦悅

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MultiGen Creator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(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

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.91 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0054?03

Abstract： In order to improve the precision of the mechanical design and the accuracy of the mechanical fault diagnosis， a design scheme of the 3D virtual simulation software for mechanical structure analog is proposed. The software design is divided into three parts： visual imaging acquisition part of mechanical structure， graphic 3D rendering part and solid modeling part. Software development for 3D virtual scene simulation of mechanical structure is conducted in MultiGen Creator 3D modeling software. Project files are configured according to the measured outline parameters of mechanical structure. Information loading and image processing are performed by using batch processing module to realize 3D virtual simulation design of mechanical structure. The simulation results show that the software can effectively realize the 3D simulation of mechanical structure， and has high fitting degree.

Keywords： 3D virtual simulation； visual simulation； mechanical structure analog； software design； image processing

0 引 言

隨著機械設計工業(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(tǒng)的工業(yè)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(fā)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(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(tǒng)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(tǒng)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Multigen Creator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，得到本文設計的基于三維虛擬的機械結構模擬仿真系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

根據圖1所示的系統(tǒng)總體結構模型，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，功能模塊結構圖如圖2所示。

根據上述系統(tǒng)的總體設計構架，進行機械結構三維虛擬模擬系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)的應用業(yè)務適配層，結合 Mobile GIS 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（Texture Mapping）的三維渲染技術[5]，采用多線程自上而下開發(fā)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。endprint

2 系統(tǒng)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MultiGen Creator專業(yè)化的建模工具基礎上。通過工程文件配置，使用MultiGen Creator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Map Texture Tools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，得到機械結構的三維虛擬模擬實體建模的實現過程如圖3所示。

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MultiGen Creator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Face Tools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Insert Materials tool工程模塊中，通過Geometry Tools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(huán)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]，如圖4所示。

2.2 機械結構三維虛擬視景開發(fā)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Lynx Prime圖形界面，其實現步驟描述為：

（1） 創(chuàng)建套接字。利用API函數直接調用視景模型，通過socket函數創(chuàng)建套接字，首先定義Vega Prime API 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(huán)，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(xù)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（Face Level）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(zhí)行程序代碼后，機械結構信息數據庫根文件系統(tǒng)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(fā)環(huán)境是Windows 7操作系統(tǒng)，利用Visual C++ 7.0進行程序設計。CPU為Intel Pentium 4 500 MHz，內存為2.5 GB，采用OpenGL和Vega Prime軟件聯合編程進行視景仿真設計，得到機械結構的三維虛擬模擬仿真輸出如圖5所示。

分析圖5得知，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(fā)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

[1] 王永強，尹韶輝，李葉鵬，等.磁流變平整加工中平動對平整度的影響[J].機械工程學報，2017，53（1）：206?212.

[2] 陳新.一種基于計算機仿真的機械零件精度加工模擬技術[J].科技通報，2013，29（3）：169?171.

[3] 羅澤峰，單廣超.基于網絡和虛擬多媒體技術的海戰(zhàn)平臺視景仿真實現[J].物聯網技術，2015，5（3）：91?92.

[4] 王勇杰，岳云康.三維紋理圖像特征準確識別技術仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（5）：295?298.

[5] 劉慧，周可法，王金林，等.改進NSCT和IHS變換相結合的遙感影像融合[J].中國圖象圖形學報，2014，19（2）：322?327.

[6] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137?141.

[7] 李嬋，萬曉霞，謝偉.照明光源對多光譜圖像采集精度影響的研究[J].激光雜志，2016，37（12）：44?47.

[8] 林永峰，陳亮.面向安全性分析的嵌入式軟件測試方法研究[J].現代電子技術，2016，39（13）：80?83.

[9] 劉國柱.Virtools嵌入式服務器與虛擬現實協同設計平臺[J].科技通報，2012，28（2）：13?16.endprint