（机械电子工程专业论文）磨削加工冷却润滑过程的可视化实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 “磨削加工冷却润滑过程的可视化实现 的研究，开发及应用是湖北省数 字制造重点实验室开放基金的资助项目。本论文围绕磨削加工冷却润滑过程的 可视化虚拟平台的设计、开发及实现过程而展开。本文主要研究工作如下： 1 基于m f c 和o p e n g l 的软件开发环境，实现了磨削加工冷却润滑过程的可 视化平台。该平台主要功能包括：三维场景管理，虚拟场景的逼真显示等功能， 提供实现对对象的编辑，如磨床，工件，润滑液等的属性设置。 2 设计并实现了多视点、多角度、全方位的视点观测方法。并建立了整套随 任意控制视点进行局部或全局的观测场景的方法。为用户进行围观和宏观观察仿 真进程提供了便利的途径。 3 设计了基于粒子系统的润滑液的仿真效果，把粒子系统的行为模型和几何 模型统一起来，对粒子系统的属性及随机性作了理论性的分析研究，并对粒子系 统进行了参数化设计和实时绘制。 4 利用o p e n g l 的纹理映射技术及原理实现了虚拟场景中场景和物体的贴图， 让场景中的磨床和工件更逼真。 磨削过程是一个复杂的过程，在进行磨削加工时，大量热量传入工件形成局 部高温，对工件表面质量和使用性能影响极大，导致工件产生尺寸精度和形状精 度误差，也影响到砂轮的使用寿命，为了抑制零件表面温度升高和解决磨削热损 伤，常用的方法是向磨削区供给充分的冷却液。但是传统的研究必须对磨削进行 实际操作，这样既会承担一定的风险，也会造成一定的经济损失。随着软件功能 的发展和完善，本系统有助于克服传统研究的弊病，可以用很短时间模拟实际磨 削加工过程，因此可以缩短决策时间，避免资金和人力的浪费。磨削区系统流体 特性的研究对完善磨削理论具有指导意义。从长远角度看，它有助于提高我国机 械制造业的发展，加快新产品的开发研究，实现向超精密磨削、研磨、抛光以及 超精密复合磨削、超高速磨削、高效深磨、磨削自动化、数据化、智能化和虚拟 化等方面发展。为数字制造技术中的一个新的研究领域虚拟磨床的研究打下 理论基础。 关键字：磨削，冷却润滑液，o p e n g l ，纹理映射，粒子系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ev i s u a lr e a l i z a t i o no fg r i n d i n ga n dc o o l i n gl u b r i c a t i o n p r o c e s sb a s e do no p e n g li st h ep r o j e c tw h i c hi si m b u r s e db ye x o t e r i cs u s t e n t a t i o n f u n di n s i g n i f i c a n tf i g u r em a n u f a c t u r el a b o r a t o r yi nh u b e ip r o v i n c e t h i sp a p e r d e v e l o p sw i t ht h ed e s i g n , d e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o n o ft h e ”v i r t u a ls c e n e s i m u l a t i o np l a t f o r mo fg r i n d i n ga n dl u b r i c a t i o np r o c e s s ”，a n di t sm a i nr e s e a r c h w o r k a n dr e s u l t sa r e 弱f o l l o w s ： 1 t h ev i r t u a ls i m u l a t i o np l a t f o r mo fg r i n d i n ga n dl u b r i c a t i o np r o c e s si sa n s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb a s e do nm f ca n do p c n g l , i t sm a i nf u n c t i o n i n c l u d e st h em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n t , t h el i f e l i k e d i s p l a y i n go ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n t ，p r o v i d e st h em a n a g e m e n to f t h er e a l i z e do b j e c t ， s u c h 弱t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lb o d yo fg r i n d e ra n dp a r t i c l es y s t e m sd e m o n s t r a t i o n , a n do b j e c ta l t e m a n tc o n t r 0 1 2 t h em u l t i - v i e w p o i n t ，t h em u f t i - p e r s p e c t i v e sa n dt h eo m n i - d i r e c t i o n a l o b s e r v a t i o nm e t h o dh a v eb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，w h i c hm i g h to p t i o n a l l yc o n t r o l t h ev i e w p o i n tt oo b s e r v ep a r t i a lo rt h eo v e r a l ls c e n ea sn e c e s s a r y , p r o v i d i n gt h e c o n v e n i e n tw a yf o rt h eu s e rt oc a r r yo nm a c r o s c o p i ca n dt h em i c r o s c o p i co b s e r v a t i o n o ft h es i m u l a t i o np r o c e s s 3 t h es i m u l a t i o ne f f e c to fc o o l i n gl u b r i c a n tb a s e do np a r t i c l es y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d , u n i f y i n gt h eb e h a v i o rm o d e la n dg e o m e t r i c a lm o d e lo fp a n i c l es y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er a n d o m n e s so fp a n i c l es y s t e mt h e o r e t i c a l l y , d e s i g n e dt h e p a n i c l es y s t e mo nt i m ew i t hp a r a m e t e r 4 i no r d e rt od e m o n s t r a t ev i r t u a ls c e n ea n dm o d e lm o r er e a l i s t i c a l l y , t h e t e c h n o l o g ya n dt h e o r yo ft h et e x t u r ei no p e n g l h a sb e e na d o p t e d g r i n d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ，g r e a td e a lo fq u a n t i t yo fh e a tc o n d u c ti n t o w o r k p i e c ea n d r e s u l ti nb r u s h - f i r eh i 【g ht e m p e r a t u r e ，d u r i n gt h eg r i n d i n g , i ti n f l u e n c e t h ee x t e r n a lq u a l i t ya n du s ec a p a b i l i t yo ft h ew o r k p i e c eg r e a t l y , t h a tr e s u l ti nt h e d i m e n s i o na n df i g u r ep r e c i s i o ne r r o ro ft h ew o r k p i e c e ，a n dl i f eo ft h eg r i n d i n gw h e e l a l s o i no r d e rt op r e v e n tt h et e m p e r a t u r ef r o mi n c r e a s i n ga n ds e t t l eh o td a m n i f i c a t i o n ， t h en o r m a lw a yi st os u p p l yt h ec o o l i n gl i q u i df o rt h er e g i o no fg r i n d i n g b u t , t r a d i t i o n a lr e s e a r c hm u s to p e r a t ep r a c t i c a l l y , w h i c hi sn o to n l yd a n g e r o u sb u ta l s o w a s t i n gr e s o u r c e s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec o n s u m m a t i o no fs o f t w a r e f u n c t i o n ，t h ev i r t u a ls i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do no p e n g lh e l pt og e to v e rt h e d i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t eg r i n d i n ga c t u a l l y , a n ds h o r t e n s 武汉理工大学硕士学位论文 t h et i m eo fd e c i s i o n m a k i n g ，a v o i dw a s t i n go ff i n a n c i n ga n dm a n p o w e r a n di ti s p r o v i d e dw i t hd i r e c t i o ns i g n i f i c a n c ef o ri t sr e s e a r c ho ft h el i q u i dc h a r a c t e r i s t i ci n g r i n d i n ga n dc u t t i n gp r o c e s s f r o ml o n gr u n ，i tr e d o u n dt oa d v a n c et h ed e v e l o p m e n t o fm e c h a n i s mm a n u f a c t u r e ，q u i c k e nt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fn e wp r o d u c t ， r e a l i z et h ed e v e l o p m e n to fe x c e e d i n gc l o s eg r i n d i n ga n dc u t t i n g ，r u b b i n g ，p o l i s h i n g a n de x c e e d i n gc l o s em u l t i p l eg r i n d i n ga n dc u t t i n g ，e x c e e d i n gh i g hs p e e dg r i n d i n g a n dc u t t i n g ，h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g , a u t o m a t i z a t i o no fg r i n d i n ga n dc u t t i n g ， i n t e l l i g e n t i z e a n dv i r t u a ls i m u l a t i o n a n di tw i l l p o u rt h en e wv i g o ri n t ot h e d e v e l o p i n gn e w f i e l do fv r g r i n d i n gi nf i g u r em a n u f a c t u r e k e y w o r d ：g r i n d i n ga n dc u t t i n g ，r e f r i g e r a t i o nl u b r i c a t i n gl i q u i d ，o p e n g l ，t e x t u r e m a p p i n g ，p a n i c l es y s t e m i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理峥大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：乡丝日期：型丛7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 签字日期：铲妒一日 够毳导师签名：郯铟盈 签字日期：孵年媚刁日 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 i i 磨削加工冷却润滑过程的可视化实现的研究目的和意义 磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法。磨削过程是一个复杂的过程， 受众多的输入因素影响，产生各种物理、力学现象。在进行磨削加工时，大约 6 0 - 9 5 的热量传入工件形成局部高温，对工件表面质量和使用性能影响极大， 导致工件产生尺寸精度和形状精度误差，也影响到砂轮的使用寿命n 1 。为了抑制 零件表面温度升高和解决磨削热损伤，常用的方法是向磨削区供给充分的冷却 液。但是传统的研究必须对磨削进行实际操作，这样既会承担一定的风险，也 会造成一定的经济损失( 如加工材料的浪费，润滑液的浪费，以及对砂轮的磨 损等) 。怎样才能克服传统研究的弊病，而又能对磨削加工进行有效的研究呢? 长期以来人们一直在致力于突破一种纯数字化的交互方式，以获取一种图文并 茂、生动形象，并使人有身临其境之感的和谐的人机交互环境，也正是在这种 需求的推动之下，虚拟仿真技术迅速发展起来，并取得令人瞩目的成就，被认 为是2 1 世纪可能使社会发生巨大改变的几个关键技术之一。三维可视化仿真， 是今年来发展非常迅速的- - f 7 技术，它是应用计算机对复杂的现实运作系统进 行抽象和简化以形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系 统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不用干扰 实际生产系统，同时由于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产 中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间 的浪费。另外，计算机还可以重复仿真，以优化实施方案。它的一个重要应用 是对制造系统和加工过程的仿真。当前，国外很多国际大型集团公司也都应用 了生产系统的计算机仿真技术来预测和完善其生产，但和国外相比还有相当的 差距。因此在可视化仿真方面尚有许多问题有待我们去探索，去解决。 目前，计算机图形学已进入三维时代，三维图形在人们周围无所不在。科学可 视化、计算机动画和虚拟现实已成为计算机图形学的三大热门话题，而这三大 热门话题的技术核心均为三维图形。随着计算机软硬件的发展以及图形处理能 力的增强，虚拟现实技术的发展也越来越成熟。利用虚拟现实技术对磨削加工 进行可视化仿真，可以让研究者和学习者处在一个虚拟的三维环境中，用动态 武汉理工大学硕士学位论文 或交互方式来了解并学习磨削加工的过程，达到身临其境的观察，这是传统的 学习方法所无法达到的效果。因此可以用虚拟现实技术对磨削过程进行可视化 仿真，这样不仅节省了开支，而且资源可重复使用。 1 2 可视化技术的发展及国内外研究现状 1 2 1 可视化仿真技术的发展 随着计算机与计算机图形学技术的发展，仿真从最早的数字仿真，发展到 了今天的可视化仿真、多媒体仿真与虚拟现实仿真。虚拟现实技术是在综合计 算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科技术的基础 上发展起来的，是九十年代计算机领域的最新技术之一。它以仿真的形式给用 户创造一个反映实体对象变化与相互作用的三维图形环境，通过头盔显示器、 数据手套等辅助传感设备，使人可以“进入 这种虚拟的环境直接观察事物的 内在变化，并与事物发生相互作用，给人一种“身临其境”的真实感瞳1 。 可视化仿真技术的目标是把由数值计算或实验获得的大量数据按照其自身 的物理背景进行有机地结合，用图像的方式来展示数据所表现的内容和相互关 系，便于把握过程的整体演进，发现其内在规律，丰富科学研究的途径，缩短 研究周期。可视化仿真就是将数据结果转换为图形或动画形式，使仿真结果可 视化并具有直观性哺1 。 多媒体仿真技术是指计算机综合处理各种媒体信息，包括文字、图形、动 画、图像、声音、视频等，在各种信息间建立逻辑连接，并集成一个有交互功 能的多媒体系统。多媒体的本质不仅是信息的集成，而且也是设备和软件的集 成，并通过逻辑连接形成一个有机整体，又可实现交互控制，所以说数字化、 集成性和交互性是多媒体的核心h 1 。 虚拟现实技术是指计算机产生的三维交互环境，在使用中，用户是“投入一 到这个环境中去，让用户在人工合成的环境中获得“进入角色的体验。虚拟 现实技术的主要内容是：实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高 分辨显示技术。在“需求牵引和“技术推动 下，近年来虚拟现实已经取得 的一些技术成果，并已集成了一些很有实用前景的应用系统，而且智能虚拟世 界也在不断地发展哺1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 可视化仿真技术是虚拟现实技术中重要部分，它与虚拟现实技术唯一的区 别就是交互方式。虚拟现实技术是通过头盔显示器、数据手套等多传感器辅助 设备交互，而虚拟视景仿真技术主要通过显示器、键盘和鼠标完成交互。虚拟 视景仿真系统模拟人的视觉和听觉所能观察到或希望观察到的事物( 景物) 进 行抽象，并建立基于场景空间下的坐标系对事物用多边形面元加以描述，从而 形成三维场景数据库；以此为基础，根据观察点所在的位置与姿态，通过坐标 变换和投影变换将计算机生成的景象显示在某种二维介质( 如c r t 显示器或投 影设备) 上。 1 2 2 可视化仿真技术的国内外研究现状 美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四 个方面。美国宇航局( n a s 助研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，他们 大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面 技术实验室( h i tl a b ) 进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。d a v es i m s 等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。乔治梅森大学研制出一套 在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。美国w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地的 “3 d 图像和计算机图形实验室 是在s g l 4 d 4 0 0 工作站上建立了空间卫星的虚 拟环境来仿真近地空间和描述3 d 图形卫星模型环绕地球轨道的运行状态，使 得仿真者对仿真对象信息把握更加充分嘲。 德国d a m a s t a d t 的f r a u n h o f e 计算机图形学研究所开发一种名为“虚拟设 计一的组合工具，可使得图像伴随声音实时显示。德国国家数学与计算机研究 中心( g m d ) 专门成立了一个部门，研究虚拟现实表演，冲突检测，装订在箱子 中的物体的移动，高速变换以及运动控制。英国的b r i s t o l 有限公司发现虚拟 现实应用的焦点应该集中在软件与整体综合技术上，该公司将v i z 分成三大类 别：实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境显示。 日本是当前虚拟视景仿真技术的研究与开发领先的国家之一，主要致力于 建立大规模虚拟现实知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了 很多工作。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人 性化界面。东京大学的广獭研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，现在己经 有了4 项成果：一个类似c a v e 的系统、用h m d 在建筑群中漫游、人体测量和 3 武汉理工大学硕士学位论文 模型随动、飞行仿真器。 我国和一些发达国家相比在该领域还有一定的差距。我国的九五规划、国 家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把虚拟环境仿真列入了研究 项目。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的 单位之一，他们着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现 实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现 了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三 维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统， 提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 浙江大学c 觥c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游 系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同 时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较 高的水平。中视典数字科技有限公司从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维 动画研究与开发也都取的不错的效果，成功开发出拥有自主知识产权的虚拟场 景浏览器软件v r - p l a t f o r m 。 1 3 问题的提出 首先，虚拟现实( v r ) 技术已在欧美、台湾等地区广泛使用，并己广泛应用 城市规划、旅游、产品、房地产、服装展示、展览等领域。但在国内规划领域 目前却应用不多，原因如下： ( 1 ) 从应用来说涉及范围太广，三维数据模型需求量太大，这就使得三维 建模与数据处理的工作量太大。 ( 2 ) 当前所生成的模型在不同环境下很难作到与周边环境的融合，这就 大大降低了模型的三维表现效果。 ( 3 ) 当前市场的三维软件主要擅长对三维模型的建立，而没有将各种三维 建模与虚拟视景仿真等高新技术手段结合在一起的直观展示的软件。 其次，磨削加工传统的研究方法必须对磨削进行实际操作，这样既会承担一 定的风险，也会造成一定的经济损失( 如加工材料的浪费，润滑液的浪费，以 及对砂轮的磨损等) 。 基于以上考虑，提出了研究基于o p e n g l 的磨削加工冷却润滑过程的可视化 4 武汉理工大学硕士学位论文 仿真平台的开发。研究如何利用当前最新的三维建模与虚拟仿真技术，实现对 磨削加工虚拟场景设置和逼真显示等功能。 1 4 本文总体结构 基于上述的工作，对本文的整体结构做如下的安排： 1 5 本章小结 本章从需求分析角度出发，分析了可视化仿真技术的国外研究现状以及可 视化仿真技术在我国的发展历程，从而得出了本课题的研究的目的和意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章可视化平台的系统组成 2 1 可视化平台的功能 作为可视化平台系统也就是虚拟仿真平台系统，它应该具备一般面向大众的 产品设计和展示，像房地产商他能够通过这个平台设计和展示他们的小区建筑。 虚拟仿真平台它作为一个平台，能够提供各种各样的灯光、道具等使用户能够设 计自己的“舞台剧 。它能够使用户方便地调入用户设计自己设计的三维模型， 并能够对模型进行一系列的操作，对用户调入的三维模型添加周边环境、加入场 景的灯光、雾化和粒子效果等，同时，在键盘、鼠标的控制下，能够多方位、多 角度的实现场景的展示。利用此平台开发者可充分展开想象力，置身于身临其境 的虚拟世界中。本系统具有的基本功能如下： ( 1 ) 三维模型的调用和修改：在平台系统中，能够调入用户建立的三维模 型( 如磨床等) ，并通过键盘、鼠标相应地对模型实行一系列的操作( 包括对模型 的位移、缩放、旋转等) 。还可以通过模型的不同位置、不同角度信息等来观察 模型的真实程度。 ( 2 ) 特殊效果：在平台中，还要涉及到灯光、纹理贴图等的设计，用这些 效果来烘托调入模型，使模型更加形象化。 ( 3 ) 粒子系统：粒子系统对于绘制不规则的对象，如液体、火焰、烟雾、 云彩、爆炸等具有独特的优点。粒子系统比较灵活，并在其中加入随机过程，因 此，获得精细的模型不需要大量的设计时间。在本系统中，粒子系统主要用来模 拟绘制润滑液。 ( 4 ) 参数化设计：用户可通过控件改变砂轮的转速以及砂轮与工件的距离， 从而观察润滑液喷射的不同效果。 ( 5 ) 场景漫游：用户可用鼠标控制场景的视角，任意角度的观看磨床加工 的过程。 2 2 可视化软件实施方案论证 在软件平台上，整个视景仿真平台系统的操作系统己经选定为w i n d o w sx p 6 武汉理工大学硕士学位论文 操作系统。 w i n d o w sx p 操作系统是p c 平台窗口环境事实上的工业标准，w i n d o w sx p 操作系统所提供的标准服务有以下几种口1 ： ( 1 ) 提供与设备无关的i o 功能； ( 2 ) 高效的内存管理突破了常规内存限制，允许程序透明地存取扩充内存 和扩展内存： ( 3 ) 支持多任务处理。 下面就开发磨削加工可视化系统开发工具工具进行阐述和选型。 2 2 1 可视化开发环境的选择 可视化软件开发环境工具选定为m i c r o s o f t 公司的m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。 v i s u a lc + + 6 0 编译器具有很优秀的兼容性，它不仅支持a n s i 标准c ，c + + 而且还支持微软的扩展c 、c + + ，以及u n i x 的c 、c h ，是w i n d o w s9 x 上操作 最方便，功能最强大的c 和c + + 编译平台。 v i s u a lc + + 6 0 中的m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 生成w i n d o w sg u i ( 图形用户 接口) 程序。m f c 是v i s u a lc + + 的核心，称为“应用程序框架一，它一方面封装 了w i n d o w s 9 5a p i ，另一方面使用称为“消息映射 的机制把w i n d o w s 消息和命 令传递到窗口、文档、视图以及m f c 应用程序的其他对象。v i s u a lc + + 6 0 支持 w i n 3 2 平台( w i n d o w s9 5 ，9 8 n t 4 0 ，5 0 ) 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 服务( s e r v i c e ) 和控件( c o n t r 0 1 ) 的开发。 v i s u a lc + + 6 0 还有以下特点呻1 ： ( 1 ) v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境( i d e ) v is u a lc + + 6 0 开发环境d e v e l o p e rs t u d i o 是由w i n 3 2 环境下运行的一套 集成开发工具所组成，包括文本编辑器( t e x te d i t o r ) 资源编辑器( r e s o u r c e e d i t o r ) 项目建立工具( p r o j e c tb u i l df a c i l i t i e s ) 优化编译器( o p t i m i z i n g c o m p i l e r ) 增量连接器( i n c r e m e n t a ll i n k e r ) 源代码浏览器( s o u r c ec o d e b r o w s e r ) 集成调试器( i n t e g r a t e dd e b u g g e r ) 等。 ( 2 ) 使用向导( w i z a r d ) 计算机辅助应用程序设计 在v i s u a lc + + 6 0 中可以使用各种向导( w i z a r d s ) 、m f c 类库( m i c r o s o f t 7 武汉理工大学硕士学位论文 f o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 和活动模板库( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y 简称a t l ) 来开发w i n d o w s 应用程序，向导实质上是一种计算机辅助程序设计工具，用于 帮助用户自动生成各种不同类型应用程序风格的基本框架。 ( 3 ) 方便编程的集成数据库访问 v i s u a lc + + 6 0 允许用户建立强有力的数据库应用程序：可以使用o d b c 类 ( 开放数据库) 和高性能的3 2 位o d b c 驱动程序来访问各种数据库管理系统如 v is u a lf o x p r o6 0 、a c c e s ss o ls e v e r 等可以使用d a o 类( 数据访问对象) 通过 编程语言来访问和操纵数据库中的数据并管理数据库对象与结构。 2 2 2 三维物体几何建模技术和工具的选择 本文研究的磨削加工的动态特性的三维可视化问题，涉及到三维图形及动画 的显示。如果直接实现三维图形的几何变换、投影、显示等工作，单是这些矩 阵变换的算法实现便会需要投入相当的精力。如果通过三维应用程序接口来解 决这些问题，这些基本的图形操作将会避免，为开发者带来很大方便。开发可 视化平台系统，决定采用何种编程接口( a p i ) 是三维应用程序开发的重要环节， 业界现有多种不同的3 da p i 标准，它们各有特点，互有长短。 d i r e c t 3 d ：m i c r o s o f t 推出的d i r e c t x 开发包中的3 d 图形组件，是微软 公司于1 9 9 6 年位p c 开发的a p i ，与w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w sn t 操作系统的兼容性 好，可以绕过图形显示接口( g d i ) 直接进行支持a p i 的各种硬件的底层操作，大 大提高游戏的运行速度，是一系列高层与低层a p i 的组合n 1 。但其移植性比较 差，考虑到与各方面的兼容性，用起来比较麻烦，执行效率上也未见得最优。 3 dg l i d e ：其主要是同3 d 显卡t n t 系列结合。由于与硬件的结合紧密，其 执行效率比d i r e c t 3 d 及o p e n g l 要高。但其可移植性比较差，况且只能用在t n t 系列显卡上，所以应用较少 1 0 i 。 o p e n g l ：o p e n g l 最初用于高端的图形工作站，后来其接口与功能得到了发 展，并走向其他平台，如m sw i n d o w s 、xw i n d o w 、o s 2 和m a co s 等。o p e n g l 是由s g i 公司开发的i r i sg l 演变而来的复杂的3 d 图形设计的标准应用程序接 口n u 。它的特点是可以在不同平台之间进行移植，还可以在客户机服务器系统 中工作，效率也要比d i r e c t 3 d 高。o p e n g l 提供一系列的三维图形单元供开发者 调用；o p e n g l 提供一系列的图形变换函数；o p e n g l 提供一系列的外部设备访问 8 武汉理工大学硕士学位论文 函数，使开发者可以方便地访问鼠标、键盘、空间球、数据手套等这种直观的 三维图形开发环境体现了o p e n g l 的技术优势。o p e n g l 是一种设计良好的低层的 3 da p i ，其运行平台最为广泛，为了获得高质量的三维图形效果以及便于编程 考虑，本文也是采用o p e n g l 作为开发可视化系统平台的三维图形a p i 。 物体的建模是通过获取真实环境的各种数据，然后根据应用的需要，利用 这些数据生成相应的虚拟模型n 羽。虚拟仿真环境的建模包括虚拟对象物体的几 何建模、物理建模和运动建模。本文中，主要涉及到对整个磨床及组件的几何 建模。 三维物体的几何建模描述了虚拟物体的三维造型( 多边形、三角形和顶点) 以及外观( 纹理、表面反射系数、颜色等) 。虚拟物体的三维造型可以借助于特 殊的软件自动生成模型。 作为与硬件无关的接口，o p e n g l 有许多方面不得不仔细考虑、谨慎应用。 磨削加工三维可视化系统根据实际需求以及o p e n g l 的局限性，考虑到如下几 个方面的问题： ( 1 ) o p e n g l 的图元限制：o p e n g l 只能通过点、线、多边形基本图元绘制几 何模型，不具备实体造型的能力。对于实体o p e n g l 在辅助图形库中提供了十 几个三维实体模型，包括球体、长方体、圆柱体等简单的模型，通过这些辅助 函数库可以实现简单实体的绘制，但在建立复杂的三维实体时( 例如磨床模型的 建立) ，利用这些函数是很难实现的。因此，系统必须自己解决模型的建立问题， 实现复杂实体的绘制及渲染功能。 ( 2 ) 多边形绘制的局限：o p e n g l 所绘制的多边形应该是凸多边形而且边与 边不能相交。对于那些凹多边形以及带孔洞的多边形，o p e n g l 是不能正确绘制 的，同时基于o p e n g l 绘制性能的考虑，以多边形顶点个数为3 或4 为最优， 因为对子顶点个数很多的多边形，将其剖分为三边或四边的凸多边形后的显示 速度比直接显示的速度要提高近1 0 倍，另外，如o p e n g l 所绘制的多边形顶 点个数最多为2 5 5 个。因此，系统选择了3 d s 文件作为模型输入文件。 ( 3 ) 材质属性的限制：在同一场景中，需要用不同的材质属性区分不同的实 体。最简单的想法是不同的实体拥有不同的材质属性。基于o p e n g l 显示性能 的考虑，多次设置材质属性会降低o p e n g l 的绘图性能。 早期的方法是在仿真程序中完成几何建模，借助o p e n g l 丰富的图形处理功 能，结合计算机图形学成熟的b e z i e r ，n u r b s 等样条曲面理论设计完成。后来 9 武汉理工大学硕士学位论文 出现了仿真程序和特定的建模工具交互地建立，先使用传统的c a d 软件( 如i d e a s ， a u t o c a d 或3 ds t u d i om a x ) 进行绘制，然后导出为3 d s 文件，最后将3 d s 文件 转换成o p e n g l 可用的显示列表，在需要显示时调用显示列表即可经过一定的图 形格式转换调入到仿真环境中，形成仿真系统中的实体。 3 ds t u d i o 是a u t o d e s k 公司开发的一套用于微机上的制作动画及模型的应 用软件。文件格式是3 d s 格式( 由于3 d s 等文件中对于三维实体的描述是采用 三角形片面逼近的方法，而在o p e n g l 函数中，提供了绘制三角形片面的方法， 所以为三维实体绘制提供了方便) ，该软件非常强大，许多精美的电影动画以及 制作精良的广告产品都是由该软件制作完成的n 引。 因此本系统先采用3 ds t u d i om a x 给磨床进行几何建模后，导出为3 d s 文件， 然后将3 d s 文件在v c 平台下转换成o p e n g l 识别的文件格式，最后对磨床的模 型进行纹理，光照，颜色等的编辑与绘制。关于润滑液的绘制与仿真将在第四 章中具体讲解。 2 2 3 本文的研究方法和技术路线 磨削加工三维可视化系统的开发就是要在计算机上将磨削加工的工作情况 即动态特性用三维立体图形表现出来，为了能够实现这种功能，要求系统能提 供较为强大的交互功能，如对砂轮的转速和位置能够进行方便地修改。要能体 现很好的交互性及模型的可扩充性，可以通过以下两种方式实现： ( 1 ) 直接利用o p e n g l 编程开发专门的建模工具。这种方法可以利用 o p e n g l 提供的直观编程环境、用户应用程序和操作系统的接口以及一系列图形 变换函数、外部设备访问函数和三维图形单元，用这些函数来建立三维几何模 型和实现交互功能。但是因为o p e n g l 只是通过基本的几何图元如点、线及多 边形来建立三维立体模型的，因此在构建一个仿真系统时，过多的程序语句编 写和运行会占用大量的内存，从而降低程序的效率，并增加程序设计的复杂性， 而且通用性和简便性难以满足，不利于磨削加工可视化系统的开发。 ( 2 ) 基于三维造型软件建立起物体的几何模型，然后借助于转换工具 ( 3 d e x p l o r a t i o n 或d e e pe x p l o r a t i o n ) ，将一定格式类型的文件转换成符合 o p e n g l 格式的木c 类型的文本文件。虽然这种方法可以节省大量的编程，但是 存在如下问题： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 由于转换工具的限制，在转换过程中会丢失许多有用的信息。 由于三维造型软件生成的模型包含的几何信息非常复杂，比如一个简单 的模型就可能包含了上万个甚至更多的面与顶点，而在进行仿真显示时可能只 需要较少的面与顶点，因此要对模型进行删减，采用手工方式将模型删减到仿 真环境需要的模型，这个过程有时候非常耗时，且会产生很多冗余的多边形， 要删除这些多边形，需要重组数据结构。由以上分析比较可知，两种方法各有 优缺点，在磨削加工可视化系统中综合以上两种方式的优点，采用以下方式： 首先基于三维造型软件生成磨床的几何模型，其中造型软件选择a u t o d e s k 公司的3 ds t u d i om a x 软。在3 ds t u d i om a x 中生成磨床模型后，利用3 ds t u d i o m a x 的强大输出转换功能将磨床模型输出为3 d s 格式的文件。设计自定义的数 据结构，将3 d s 文件导入到磨削加工可视化系统中。根据可视化系统的要求， 设计合理的数据结构是可视化系统中模型导入模块成功的关键，它关系到系统 对模型捕捉交互能力的强弱。根据自定义的数据结构，将3 d s 文件导入到磨削 加工可视化系统后，再在此基础上扩充其对行为能力的支持。这样就可以实现 对磨床物理属性的设置，如设置润滑液的材料特性、砂轮的各种参数等等。 本系统采取的技术路线图如图2 - 1 。 2 3 本章小结 图2 - 1 技术路线图 本章从可行性研究的角度出发，对不同可视化软件的优缺点进行了分析和比 较，采用最合适本课题的开发工具，从而确定了本课题可行的研究路线。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章磨削加工过程可视化平台的软件设计 3 1o p e n g l 简介 在上一章中，软件设计方案的论证中，本文采用o p e n g l 的3 da p i 接口。 o p e n g l 即开放性图形库( o p e ng r a p h i cl i b r a r y ) ，是s a n s g i 开发的一套高性 能图形软件处理系统，是图形硬件的软件界面n 幻。o p e n g l 作为一个性能优越的 图形应用程序设计界面( a p i ) ，适用于广泛的计算机环境。从个人计算机到工 作站和超级计算机，o p e n g l 都能实现高性能的三维图形功能。 3 1 1o p e n g l 的基本操作 o p e n g l 被严格定义为“一种到图形硬件的软件接口，从本质上来讲它是一 个可以完全移植并且速度很快的3 d 图形和建模库。o p e n g l 函数库提供了数百 条图形命令，能完成的主要功能有n 耵： ( 1 ) 绘制物体。真实世界和各种物体都可以在计算机中用简单的点、线、 面来描述。o p e n g l 提供了丰富的图形绘制命令，从而可以方便地绘制物体。 o p e n g l 图形库除了提供基本的点、线、面的绘制函数以外，还提供复杂的三维 物体以及复杂的曲线和曲面( 如b e z i e r ，n u r b s 等曲线或曲面) 绘制函数。 ( 2 ) 变换。可以说无论多复杂的图形都是由基本图元组成并经过一系列的 变换来实现的。o p e n g l 提供了一系列的基本变换，如几何变换、取景变换、模 型变换、投影变换及视图变换。其变换有利于减少算法的运行时间，提高三维 图形的实现速度。 ( 3 ) 光照和材质设置。正如在自然界一样，绘制有真实感的三维物体必须 经过光照处理。o p e n g l 具有辐射光( e m i t t e dl i g h t ) 、环境光( a m b i e n tl