基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计
秦悦
摘 要： 为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案。软件设计分为机械结构的视觉成像采集部分、图形三维渲染部分和实体建模部分。在MultiGen Creator三维建模软件中进行机械结构三维虚拟视景仿真的软件开发，根据机械结构的外形测量参数配置工程文件，使用批处理模块进行信息加载和图像处理，实现机械结构三维虚拟模拟设计。仿真结果表明，该软件能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高。
关键词： 三维虚拟仿真； 视景仿真； 机械结构模拟； 软件设计； 图像处理
中图分类号： TN911.73?34； TP391.91 文献标识码： A 文章编号： 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
随着机械设计工业的快速发展，对机械结构设计的精度和时效性提出了更高的要求，机械内部结构组成单元复杂，各个零部件的尺寸精密度较高[1]，传统的工业制图方法进行设计误差较大，不能有效满足精度设计和精准诊断的应用需求。而计算机图形与图像处理技术的快速发展并有效应用在机械结构模拟设计中[2]，通过高精度的计算机测量计算，从而改善机械结构的制图精度。为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，结合虚拟现实VR技术和视景仿真技术[3]，本文提出一种基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案，通过机械结构三维虚拟设计软件开发，改善机械内部结构绘图的精准性，为机械设计、机械制造和机械故障诊断提供更为有效的手段。
1 软件总体设计构架
基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件采用循环传输和多线程加载方案进行机械测量参数加载，采用接触式射频识别进行机械结构的三维信息测量，这是一种远程传感测量方法，能有效满足机械部件测量的精准度要求。系统的数据传输模块由模块FRINF?16CCL?M和主单元FRINF?16M组成。后端服务器采用Java+MySQL并行程序加载方式搭建，视景仿真构架下的机械结构三维虚拟模拟系统主要由机械结构信息采集单元、机械结构信息存储数据库、Web网络应用服务器单元及服务后台组成。采用Multigen Creator建模软件进行视景仿真，对机械内部结构进行纹理和质地渲染，渲染出质感极强机械结构的三维虚拟模型。在服务后台通过纹理映射和人机交互，输出三维虚拟图像，在网络通信输出终端进行人机对话，建立OpenFlight数据库，实现机械设计和故障诊断分析等应用功能[4]。根据上述设计原理和总体结构构架分析，得到本文设计的基于三维虚拟的机械结构模拟仿真系统结构组成如图1所示。
根据图1所示的系统总体结构模型，进行功能模块化分析，软件系统的功能模块主要由图形微处理器模块、总线集成模块、3D几何建模模块、机械结构测量数据采集模块、对外接口模块、数据建模模块和机械图像输出模块等组成，功能模块结构图如图2所示。
根据上述系统的总体设计构架，进行机械结构三维虚拟模拟系统优化设计，首先进行工程文件构建，采用4类基本实体对象（三维虚拟信息处理、视景仿真、中间件和感知视场）构建软件系统的应用业务适配层，结合 Mobile GIS 服务构建视景仿真软件的客户端/服务器端，对机械结构的三维虚拟模拟中，三维视景仿技术主要采用的是纹理映射（Texture Mapping）的三维渲染技术[5]，采用多线程自上而下开发模式，在三维仿真模型中构建渲染画面，确定机械结构关键部位点的位置和方向，结合三维虚拟场景的层次化结构进行虚拟位图显示和图像增强，实现对机械结构的亮点特征分析。
2 系统模块化设计与实现
2.1 机械结构的三维虚拟模拟实体建模
对机械结构的三维模拟仿真建立在MultiGen Creator专业化的建模工具基础上。通过工程文件配置，使用MultiGen Creator的结构化软件界面输入视景仿真的参量模型，采用由“点”连接成“面”的设计方式进行三维纹理信息渲染[6]。进入Creator的主界面，在三维虚拟视景仿真端的网格空间中采用纹理映射方法调整网格的大小。在选择好三维映射的网格和机械结构的测量单位模型后，开始建造三维虚拟模型。采用高程数据特征分解方法进行原始的机械结构数据的线性化处理，使得机械结构三维模拟得到的图形具有真实物体的光泽感。对特征数据进行剪切和自适应筛选，添加/dev、/etc主要目录。在VirtualBox虚拟机中将选定的材质赋给模型，在Windows编辑图像处理代码，通过Map Texture Tools选择贴图方法进行机械结构的二次曲面重构[7]，调整模板文件，输出机械结构的三维虚拟模拟实体建模结构，得到机械结构的三维虚拟模拟实体建模的实现过程如图3所示。
根据上述设计流程，在工程实例中进行机械结构三维虚拟模拟分析。按步骤安装完MultiGen Creator软件后，根据机械结构的外形测量参数配置工程文件，使用批处理模块进行信息加载和图像处理。以工程实例为背景，进行机械结构的三维虚拟模拟实体。
（1） 在Face Tools中选择面的类型，将待贴纹理的面定义为标志牌[8]，维持图形显示速度，调整网格的大小。
（2） 在Insert Materials tool工程模块中，通过Geometry Tools把面变换为体，根据需要的材质、模型的颜色、透明度进行纹理映射和图形渲染，将选定的材质赋给模型，在OpenFlight建模环境中打开图形观察器，生成机械结构的三维虚拟模拟实体模型并进行参数调整[9]，如图4所示。
2.2 机械结构三维虚拟视景开发实现
根据机械结构的三维虚拟视景仿真软件的设计和要求，需要建立一个Lynx Prime图形界面，其实现步骤描述为：
（1） 创建套接字。利用API函数直接调用视景模型，通过socket函数创建套接字，首先定义Vega Prime API 非类型的变量s，初始化内核的 socket函数，配置仿真类、仿真循环，采用socket进行机械结构参量配置，通过公用vpApp定制第一个参数（af），指定机械结构三维模拟自定义变量地址族，用函数configure（）用来解析.acf ，通过TCP/IP协议用配置人机交互接口，持续调用beginframe（），实现机械三维虚拟图像在二维位图上像素值特征提取。
（2） 利用纹理映射技术使得输出的三维虚拟机械结构图像与套接字绑定（bind），进行机械结构的表面层次（Face Level）渲染，调用bind函数，在三维图形观察器中组织机械结构模拟的视景数据。
（3） 调用recvfrom接收三维虚拟图形输出。定义整型变量为len，在编译生成可执行程序代码后，机械结构信息数据库根文件系统配置到数据交换端口，使用批处理模块进行图像处理，实现机械结构三维虚拟模拟设计。
（4） 关闭套接字。在图形输出和信息处理完成之后，调用closesocket函数关闭套接字，在UDP的服务器端释放WSACleanup函数，终止对套接字库的调度，实现了对机械结构信息的对象存储、虚拟计算服务以及远程调用。
3 软件测试分析
为了测试本文方法在实现机械结构三维虚拟模拟仿真中的应用性能，进行仿真实验分析。软件开发环境是Windows 7操作系统，利用Visual C++ 7.0进行程序设计。CPU为Intel Pentium 4 500 MHz，内存为2.5 GB，采用OpenGL和Vega Prime软件联合编程进行视景仿真设计，得到机械结构的三维虚拟模拟仿真输出如图5所示。
分析图5得知，采用本文方法进行机械机构的三维虚拟模拟仿真，能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，视觉效果较好，能有效指导机械设计制造。
4 结 语
为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案。实验对比分析发现，软件能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，在机械设计和机械故障诊断等工程实践中具有较好的指导意义。
参考文献
[1] 王永强，尹韶辉，李叶鹏，等.磁流变平整加工中平动对平整度的影响[J].机械工程学报，2017，53（1）：206?212.
[2] 陈新.一种基于计算机仿真的机械零件精度加工模拟技术[J].科技通报，2013，29（3）：169?171.
[3] 罗泽峰，单广超.基于网络和虚拟多媒体技术的海战平台视景仿真实现[J].物联网技术，2015，5（3）：91?92.
[4] 王勇杰，岳云康.三维纹理图像特征准确识别技术仿真研究[J].计算机仿真，2012，29（5）：295?298.
[5] 刘慧，周可法，王金林，等.改进NSCT和IHS变换相结合的遥感影像融合[J].中国图象图形学报，2014，19（2）：322?327.
[6] 葛立志.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真[J].舰船电子工程，2015，35（3）：137?141.
[7] 李婵，万晓霞，谢伟.照明光源对多光谱图像采集精度影响的研究[J].激光杂志，2016，37（12）：44?47.
[8] 林永峰，陳亮.面向安全性分析的嵌入式软件测试方法研究[J].现代电子技术，2016，39（13）：80?83.
[9] 刘国柱.Virtools嵌入式服务器与虚拟现实协同设计平台[J].科技通报，2012，28（2）：13?16.
摘 要： 为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案。软件设计分为机械结构的视觉成像采集部分、图形三维渲染部分和实体建模部分。在MultiGen Creator三维建模软件中进行机械结构三维虚拟视景仿真的软件开发，根据机械结构的外形测量参数配置工程文件，使用批处理模块进行信息加载和图像处理，实现机械结构三维虚拟模拟设计。仿真结果表明，该软件能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高。
关键词： 三维虚拟仿真； 视景仿真； 机械结构模拟； 软件设计； 图像处理
中图分类号： TN911.73?34； TP391.91 文献标识码： A 文章编号： 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
随着机械设计工业的快速发展，对机械结构设计的精度和时效性提出了更高的要求，机械内部结构组成单元复杂，各个零部件的尺寸精密度较高[1]，传统的工业制图方法进行设计误差较大，不能有效满足精度设计和精准诊断的应用需求。而计算机图形与图像处理技术的快速发展并有效应用在机械结构模拟设计中[2]，通过高精度的计算机测量计算，从而改善机械结构的制图精度。为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，结合虚拟现实VR技术和视景仿真技术[3]，本文提出一种基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案，通过机械结构三维虚拟设计软件开发，改善机械内部结构绘图的精准性，为机械设计、机械制造和机械故障诊断提供更为有效的手段。
1 软件总体设计构架
基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件采用循环传输和多线程加载方案进行机械测量参数加载，采用接触式射频识别进行机械结构的三维信息测量，这是一种远程传感测量方法，能有效满足机械部件测量的精准度要求。系统的数据传输模块由模块FRINF?16CCL?M和主单元FRINF?16M组成。后端服务器采用Java+MySQL并行程序加载方式搭建，视景仿真构架下的机械结构三维虚拟模拟系统主要由机械结构信息采集单元、机械结构信息存储数据库、Web网络应用服务器单元及服务后台组成。采用Multigen Creator建模软件进行视景仿真，对机械内部结构进行纹理和质地渲染，渲染出质感极强机械结构的三维虚拟模型。在服务后台通过纹理映射和人机交互，输出三维虚拟图像，在网络通信输出终端进行人机对话，建立OpenFlight数据库，实现机械设计和故障诊断分析等应用功能[4]。根据上述设计原理和总体结构构架分析，得到本文设计的基于三维虚拟的机械结构模拟仿真系统结构组成如图1所示。
根据图1所示的系统总体结构模型，进行功能模块化分析，软件系统的功能模块主要由图形微处理器模块、总线集成模块、3D几何建模模块、机械结构测量数据采集模块、对外接口模块、数据建模模块和机械图像输出模块等组成，功能模块结构图如图2所示。
根据上述系统的总体设计构架，进行机械结构三维虚拟模拟系统优化设计，首先进行工程文件构建，采用4类基本实体对象（三维虚拟信息处理、视景仿真、中间件和感知视场）构建软件系统的应用业务适配层，结合 Mobile GIS 服务构建视景仿真软件的客户端/服务器端，对机械结构的三维虚拟模拟中，三维视景仿技术主要采用的是纹理映射（Texture Mapping）的三维渲染技术[5]，采用多线程自上而下开发模式，在三维仿真模型中构建渲染画面，确定机械结构关键部位点的位置和方向，结合三维虚拟场景的层次化结构进行虚拟位图显示和图像增强，实现对机械结构的亮点特征分析。
2 系统模块化设计与实现
2.1 机械结构的三维虚拟模拟实体建模
对机械结构的三维模拟仿真建立在MultiGen Creator专业化的建模工具基础上。通过工程文件配置，使用MultiGen Creator的结构化软件界面输入视景仿真的参量模型，采用由“点”连接成“面”的设计方式进行三维纹理信息渲染[6]。进入Creator的主界面，在三维虚拟视景仿真端的网格空间中采用纹理映射方法调整网格的大小。在选择好三维映射的网格和机械结构的测量单位模型后，开始建造三维虚拟模型。采用高程数据特征分解方法进行原始的机械结构数据的线性化处理，使得机械结构三维模拟得到的图形具有真实物体的光泽感。对特征数据进行剪切和自适应筛选，添加/dev、/etc主要目录。在VirtualBox虚拟机中将选定的材质赋给模型，在Windows编辑图像处理代码，通过Map Texture Tools选择贴图方法进行机械结构的二次曲面重构[7]，调整模板文件，输出机械结构的三维虚拟模拟实体建模结构，得到机械结构的三维虚拟模拟实体建模的实现过程如图3所示。
根据上述设计流程，在工程实例中进行机械结构三维虚拟模拟分析。按步骤安装完MultiGen Creator软件后，根据机械结构的外形测量参数配置工程文件，使用批处理模块进行信息加载和图像处理。以工程实例为背景，进行机械结构的三维虚拟模拟实体。
（1） 在Face Tools中选择面的类型，将待贴纹理的面定义为标志牌[8]，维持图形显示速度，调整网格的大小。
（2） 在Insert Materials tool工程模块中，通过Geometry Tools把面变换为体，根据需要的材质、模型的颜色、透明度进行纹理映射和图形渲染，将选定的材质赋给模型，在OpenFlight建模环境中打开图形观察器，生成机械结构的三维虚拟模拟实体模型并进行参数调整[9]，如图4所示。
2.2 机械结构三维虚拟视景开发实现
根据机械结构的三维虚拟视景仿真软件的设计和要求，需要建立一个Lynx Prime图形界面，其实现步骤描述为：
（1） 创建套接字。利用API函数直接调用视景模型，通过socket函数创建套接字，首先定义Vega Prime API 非类型的变量s，初始化内核的 socket函数，配置仿真类、仿真循环，采用socket进行机械结构参量配置，通过公用vpApp定制第一个参数（af），指定机械结构三维模拟自定义变量地址族，用函数configure（）用来解析.acf ，通过TCP/IP协议用配置人机交互接口，持续调用beginframe（），实现机械三维虚拟图像在二维位图上像素值特征提取。
（2） 利用纹理映射技术使得输出的三维虚拟机械结构图像与套接字绑定（bind），进行机械结构的表面层次（Face Level）渲染，调用bind函数，在三维图形观察器中组织机械结构模拟的视景数据。
（3） 调用recvfrom接收三维虚拟图形输出。定义整型变量为len，在编译生成可执行程序代码后，机械结构信息数据库根文件系统配置到数据交换端口，使用批处理模块进行图像处理，实现机械结构三维虚拟模拟设计。
（4） 关闭套接字。在图形输出和信息处理完成之后，调用closesocket函数关闭套接字，在UDP的服务器端释放WSACleanup函数，终止对套接字库的调度，实现了对机械结构信息的对象存储、虚拟计算服务以及远程调用。
3 软件测试分析
为了测试本文方法在实现机械结构三维虚拟模拟仿真中的应用性能，进行仿真实验分析。软件开发环境是Windows 7操作系统，利用Visual C++ 7.0进行程序设计。CPU为Intel Pentium 4 500 MHz，内存为2.5 GB，采用OpenGL和Vega Prime软件联合编程进行视景仿真设计，得到机械结构的三维虚拟模拟仿真输出如图5所示。
分析图5得知，采用本文方法进行机械机构的三维虚拟模拟仿真，能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，视觉效果较好，能有效指导机械设计制造。
4 结 语
为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度，提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案。实验对比分析发现，软件能有效实现机械结构的三维模拟，对各个部位的拟合程度较高，在机械设计和机械故障诊断等工程实践中具有较好的指导意义。
参考文献
[1] 王永强，尹韶辉，李叶鹏，等.磁流变平整加工中平动对平整度的影响[J].机械工程学报，2017，53（1）：206?212.
[2] 陈新.一种基于计算机仿真的机械零件精度加工模拟技术[J].科技通报，2013，29（3）：169?171.
[3] 罗泽峰，单广超.基于网络和虚拟多媒体技术的海战平台视景仿真实现[J].物联网技术，2015，5（3）：91?92.
[4] 王勇杰，岳云康.三维纹理图像特征准确识别技术仿真研究[J].计算机仿真，2012，29（5）：295?298.
[5] 刘慧，周可法，王金林，等.改进NSCT和IHS变换相结合的遥感影像融合[J].中国图象图形学报，2014，19（2）：322?327.
[6] 葛立志.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真[J].舰船电子工程，2015，35（3）：137?141.
[7] 李婵，万晓霞，谢伟.照明光源对多光谱图像采集精度影响的研究[J].激光杂志，2016，37（12）：44?47.
[8] 林永峰，陳亮.面向安全性分析的嵌入式软件测试方法研究[J].现代电子技术，2016，39（13）：80?83.
[9] 刘国柱.Virtools嵌入式服务器与虚拟现实协同设计平台[J].科技通报，2012，28（2）：13?16.
