基于裝配特征的機(jī)械零件三維建模研究與實現(xiàn)

杜浩

(湖北工業(yè)大學(xué),湖北 武漢 430068)

鑒于機(jī)械產(chǎn)品的復(fù)雜性，直觀的三維圖形在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。機(jī)械產(chǎn)品的三維建模與二維建模相比具有更大的優(yōu)勢:①三維建模更為形象直觀，使得設(shè)計人員對機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計一目了然；②三維建模可以實現(xiàn)參數(shù)化、模塊化設(shè)計，即通過修改某參量的數(shù)值來改變機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與尺寸；③三維建模有利于實現(xiàn)CAD、CAM、CAE、CAPP、PDM、ERP等機(jī)械產(chǎn)品信息化軟件的集成，即實現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計制造的信息集成及信息流自動化傳播，使得機(jī)械產(chǎn)品的制造精度與設(shè)計一致；④三維建模使得機(jī)械設(shè)計中方便的對所需零件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化零件的形狀，保證零件工作時的可靠性，因此實現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品三維圖形的建模具有重要的理論及實際價值。

OpenGL是一種大型的專業(yè)圖形圖像處理接口，被廣泛應(yīng)用于CAD、內(nèi)容創(chuàng)作、能源、娛樂、游戲開發(fā)、制造業(yè)、制藥業(yè)及虛擬現(xiàn)實等行業(yè)領(lǐng)域中。鑒于OpenGL在圖形圖像處理上的優(yōu)越性能，因此可用OpenGL與VC++6.0來對機(jī)械零件三維圖形進(jìn)行建模。王蘭美等詳細(xì)介紹了Windows NT系統(tǒng)環(huán)境在VC++中運(yùn)用OpenGL進(jìn)行三維建模的機(jī)制；強(qiáng)大再等研究了運(yùn)用OpenGL進(jìn)行三維仿真的優(yōu)點、仿真幾何模型的構(gòu)建、模型運(yùn)動軌跡的確定、仿真過程的動態(tài)顯示以及仿真真實感實現(xiàn)的具體算法與策略，取得了較好的視覺效果。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們將此方法引入機(jī)械行業(yè)，對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維建模。李麗榮等運(yùn)用3DSMAX軟件對武裝直升機(jī)等進(jìn)行三維建模，并將其裝換成OpenGL程序降低了復(fù)雜模型的難度，減小了建模的工作量；呂希奎等基于OpenGL與VC++6.0，從圖形圖像學(xué)角度對高速列車進(jìn)行了可視化方仿真，取得了較好的效果。由于機(jī)械零件的三維建模直接影響后續(xù)的裝配工藝，因此建模時需考慮其裝配特征。文章在深入分析機(jī)械零件裝配特征的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用機(jī)械零件裝配特征參數(shù)對零件進(jìn)行三維建模的方法，通過OpenGL與VC++6.0，建立機(jī)械零件的三維模型，研究在VC++6.0中運(yùn)用OpenGL進(jìn)行建模的基本思路，并通過實例驗證文章方法的正確性。

1 裝配特征建模

零件的設(shè)計與裝配密不可分，零件的設(shè)計需要考慮其裝配問題。零件的設(shè)計合理性可以從零件的裝配檢驗出來:包括零件能否按圖紙正常裝配、零件之間是否存在干涉現(xiàn)象、需要有一定運(yùn)動的零件工作狀態(tài)是否正常、零件的使用壽命是否在允許范圍等。因此，零件的三維建模不僅需要考慮零件的基本尺寸，還需要考慮零件所使用的材料、表面粗糙度等。基于以上原因，文章將零件的裝配特征B表述為:構(gòu)成零件的面信息P（包括平面、柱面、錐面、球面、螺旋面及其它曲面）、零件的公差信息T（形狀公差Tf、位置公差Tp）、零件的材料信息M。因此，用數(shù)學(xué)式來表達(dá)零件的裝配特征可如式（1）所示。

式(1)中面信息P及公差信息T可以表示為:

式（2）中P1、P2、P3……Pn可以是平面、柱面、錐面、球面、螺旋面及其它曲面，至此，聯(lián)立式（1）、（2）、（3），可以得到零件的裝配特征。

2 基于OpenGL的機(jī)械產(chǎn)品三維建模

（1）OpenGL的三維建模流程。OpenGL在屏幕上顯示三維圖像的主要原理如圖1所示:

圖1 OpenGL的處理流程

在屏幕上顯示圖像的處理流程可以表述為:①創(chuàng)建對象:OpenGL規(guī)定所有的圖形單元都用頂點來進(jìn)行描述。先將已有的頂點數(shù)據(jù)通過求值器構(gòu)造幾何要素(包括點、線、多邊形、圖像、位圖等)，通過數(shù)組等創(chuàng)建對象。②設(shè)置觀察點:將對象置于某三維坐標(biāo)系（空間）中，選擇較優(yōu)的視覺場景觀察點。③進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)化，也就是通過對象的數(shù)學(xué)描述以及相對應(yīng)的顏色像素，進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將它們變?yōu)轱@示屏幕上的像素，即光柵化。④設(shè)置顏色:通過光照條件及紋理獲得對象的顏色或者自定義。⑤顯示:將上述獲得的像素存放在幀緩沖區(qū)中進(jìn)行緩存便于將像素在屏幕上顯示。

OpenGL與VC++6.0之間的圖形接口是通過設(shè)置像素的格式以及關(guān)聯(lián)DC和RC來實現(xiàn)的。首先，設(shè)置像素格式，然后建立RC。其中RC一般以線程為基礎(chǔ)，每個線程必須將RC作為當(dāng)前的RC才能夠執(zhí)行繪圖命令，具體接口的主要實現(xiàn)步驟如下:①新建一個Win32程序(并非控制臺程序)，如建立項目名為OpenGLPart。②配置OpenGL的基礎(chǔ)類庫。在菜單中選擇工程-設(shè)置-連接選項，然后在對象/庫模塊中增加OpenGL所需的類庫，包括opengl32.lib，glu32.lib，glut32.lib。由于程序中要使用OpenGL類庫，因此每個程序中需包含OpenGL類庫的頭文件，即:“#include"gl.h";#include"glu.h";#include"glut.h";”。③定義全局的變量，包括定義渲染的環(huán)境為“HGLRC hRC=NULL;”、設(shè)置GDI的設(shè)備環(huán)境為“HDChDC=NULL;”、獲得當(dāng)前窗口的句柄“HWNDhWnd=NULL”和創(chuàng)建實例“HINSTANCEhInstance”。④運(yùn)用GLvoidReSizeGLScene(GLsizeiwidth,GLsizeiheight)函數(shù)調(diào)整場景，即設(shè)置窗口全屏與否，非全屏模式的可以調(diào)整窗口的寬度與高度。⑤設(shè)置OpenGL，包括屏幕的顏色glClearColor函數(shù)，平滑陰影glShadeModel函數(shù)，深度緩存glClearDepth函數(shù)、glEnable函數(shù)和glDepthFunc函數(shù)，透視修正glHint函數(shù)。⑥向intDrawGLScene(GLvoid)函數(shù)中添加繪制三維模型的代碼，包括設(shè)置場景的中心位置（以X軸、Y軸和Z軸坐標(biāo)來表示），繪制三角形、四邊形甚至三維圖形，給不同的圖形著色，旋轉(zhuǎn)圖形等。設(shè)置紋理映射，主要用于得到三維實體模型更好的視覺效果，這樣可以節(jié)省大量的運(yùn)算時間；使用紋理過濾，提高三維實體模型的清晰度。

（2）機(jī)械產(chǎn)品三維建模實例。機(jī)械產(chǎn)品復(fù)雜多樣，如圖2所示本文以材料為20CrMoTi的簡易階梯軸為例來驗證上述的研究方法。根據(jù)上述裝配特征建模方法，可將各面表示成如式（1）所示形式。此軸共有5個面，因此P="，其中2個圓，一個圓環(huán)以及兩個圓柱面。此處無公差顯示，因此T為空。"，因此通過上述編程步驟，intDrawGLScene(GLvoid)函數(shù)的代碼可寫成如下所示:

圖2 簡易階梯軸

為了使得三維圖形邊界更加清晰，本文引入了多邊形反鋸齒的方法來解決此問題，繪制出來的簡易階梯軸圖形如圖3所示，將此零件的公差信息T和材料信息M等存入到指定的類中，此機(jī)械零件的三維模型就可以建立起來。由于建立之后的三維模型中存入了零件的幾何尺寸、公差信息及材料信息，因此對零件進(jìn)行裝配時，通過零件的面特征P可以判斷其裝配方向，通過零件的公差信息可以判斷零件間的裝配關(guān)系，零件的材料信息可以為裝配后的合理性提供一定的參考。

圖3 Open GL生成零件圖

3 結(jié)語

文章基于零件設(shè)計需考慮其裝配特性這一思想，建立了零件的裝配特征模型，提出了機(jī)械零件的裝配特征參數(shù)。基于Open GL與VC++6.0對機(jī)械零件進(jìn)行三維建模，研究了機(jī)械產(chǎn)品三維建模處理流程，通過對簡易階梯軸實例驗證了本文模型的正確性。

[1]王蘭美，趙繼成，秦華東.OpenGL及其在VC++下的開發(fā)應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2006，39（4）:62-65.

[2]強(qiáng)大再，陸長德，余隋懷，何衛(wèi)平.基于OpenGL的三維仿真實現(xiàn)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1999，18（5）:846-838.

[3]李麗榮，沈春林，陸宇平，張晶敏.基于Open GL的飛行器超低空追擊/攔截三維可視化仿真系統(tǒng)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005,37（3）:269-273.

[4]呂希奎，周小平，賈曉秋.高速列車運(yùn)動仿真可視化建模研究[J].圖形學(xué)報，2013,31（1）:87-91.

[5]Bourjault A.Contribution to methodological approach of au tomated assembly:automatic generation of assembly sequen ce[D].Besancon,France:Universityof Franche-Comté,1984.

[6]Lin AC,Chang TC.An integrated approach to automated assembly planning for three dimensional mechanical produ cts[J].International Journal of Production Reseach,1993,31(5):1201-1227.

[7]Shpitalni M,Elber G.Automatic assembly of three dimensio nal structure via connectivity graphs[J].Annals of the CIRP，1989,38(11):21-28.

[8]周江奇，來新民，金隼.基于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的裝配連接關(guān)系識別和提取[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006,12（8）:1203-1210.

[9]楊奇彪，楊志宏，劉長安，付濤.基于面接觸特性的裝配方向的自動識別與提取[J].山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010,40（1）:73-77.