（材料加工工程专业论文）模具虚拟检测及动态过程模拟软件开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 i 近十几年来，c a d c a m c a e 技术的迅速发展及广泛应用，深刻地影响着并不断改 变备行各业传统的技术方式，对模具行业也产生了非常重要的推动作用。一大批国内 外优秀的三维软件如u g 、p r o e 、c a t i a 等的广泛使用，极大地改变了传统的模具设 计、制造的方式，提高了模具的生产效率和模具的质量。但从应用情况来看还存在一 些问题，最突出的问题是精通三维设计的技术人员不熟悉模具相关工艺，而很多模具 专家或模具使用者又缺乏三维设计的技术。虽然一些三维软件都提供了模其装配等功 能，但是其静态装配功能根本无法真实反映模具的使用情况和性能。为了进步优化 模具结构和性能，本文进行了有关模具虚拟检测及动态过程模拟软件的开发研究，取 ， 得了，以下主要成果： ( 1 ) 基于s t l 文件格式和o p e n g l ，独立开发了一套模具虚拟检测及动态过程模 拟软件，经实际使用表明，实现了流畅的模具动态装配、工作过程的模拟以及d i s a 拔模面的检测，基本上达到了预期的目标。 ( 2 ) 针对传统的s t l 文件格式信息冗余等缺点，进行了优化设计，实现了存储 量少、信息无冗余的自定义f a k e 文件。该文件还建立了面和相关点的关联，能够方 便实现对点、线、面的三维快速拾取，为软件的后续完善和修改奠定了良好的基础。 ( 3 ) 在分析讨论三维空间的碰撞检测的各种算法和思想的基础上，采用八叉树 空间划分并结合a a b b 层次包围盒的干涉算法，实现了模具的实时干涉检测，达到了 比较满意的效果。 ( 4 ) 软件实现了很强的人机交互功能，内容包括设罱实体颜色、显隐实体、实 体点选功能、多角度观察、运动参数设置、信息查询、任意截丽剖切、点线面观察实 体、打印视区图形、帮助文件和安装程序以及光栅位图字体显示等等，方便了用户的 使用。 、 关键词：模具虚拟检测动态过程模拟s t l 文件碰撞检测人机交互 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t d e c e n n a r yy e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o n o ft h e c a d c a m c a e t e c h n o l o g yd e e p l ya f f e c t e da n dc o n t i n u o u s l yc h a n g e d t r a d i t i o n a lf a s h i o n s i ne v e r yf i e l d i ta l s oh a da ni m p o r t a n tp r o m o t i n ge f f e c to nt h em o u l di n d u s t r y w i d eu s eo f an u m b e r o f o u t s t a n d i n g d o m e s t i co rf o r e i g n3 d s o f t w a r e ，s u c ha su g 、p r o e 、c a t i a a n d s oo n ，h u g e l ya l t e r e dt h ep a s tm e t h o d so fm o u l d d e s i g na n dm a n u f a c t u r ea n di m p r o v e d t h e p r o d u c te f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h em o u l d ；n e v e r t h e l e s s ，t h e r ew e r em a n yp r o b l e m si n a p p l i c a t i o n t h em o s tp r o m i n e n tp r o b l e mw a st h a tt h et e c h n i c i a n sw h o w e r es k i l l e di n3 d m o d e l i n gw e r en o tf a m i l i a rw i t hr e l a t i v em o u l dt e c h n i q u e s ；o nt h ec o n t r a r y , m a n ym o u l d e x p e r t s o ru s e r sl a c k e dt h et e c h n i q u e so f3 d m o d e l i n g t h o u g h s o m e3 ds o f t w a r eo f f e r e d m o u l da s s e m b l yf u n c t i o n ，i t ss t a t i c a s s e m b l yf u n c t i o nc o u l dn o tr e a l l yi n d i c a t e m o u l d s o p e r a t i o n b e h a v i o ra n d p e r f o r m a n c e i n o r d e rt o o p t i m i z e m o u l d ss t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e ，t h e s o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt o v i r t u a l l y e x a m i n ea n ds i m u l a t em o u l d d y n a m i c a l l yi nt h i sp a p e r t h em a i na c h i e v e m e n t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do ns t lf i l ea n do p e n g l ，as o f t w a r ef o r v i r t u a l l ye x a m i n i n g a n d s i m u l a t i n gm o u l dd y n a m i c a l l yw a sd e v e l o p e d t h r o u g ha p p l i c a t i o n ，t h ea n t i c i p a t i v ea i m w a sa c h i e v e da n das m o o t hs i m u l a t i o no fm o u l dd y n a m i ca s s e m b l ya n dw o r kp r o c e d u r e a n d c h e c k i n go f d i s a m o u l d st a p e rf a c ew a sr e a l i z e d ( 2 ) a i ma tt h ef l a wo fr e d u n d a n ti n f o r m a t i o n t r a d i t i o n a ls t lf i l ew a so p t i m i z e dt o u s e r - d e f i n e df a k ef i l et h a th a sn or e d u n d a n ti n f o r m a t i o na n dn e e d sl e s sm e m o r y i ta l s o e s t a b l i s h e dt h er e l a t i o nb e t w e e nf a c e sa n dr e l a t i v e p o i n t s ，w h i c h w a su s e f u lt os e l e c t p o i n t s 、l i n e sa n df a c e s i n3 d s p a c ea n dw o u l d h a v ea n i m p o r t a n tb a s a le f f e c to n t h es e q u e n t c o n s u m m a t i o na n de d i t i o n ( 3 ) b a s e do na r i t h m e t i c a n a l y s e s o fc h e c k i n gc o l l i s i o ni n3 ds p a c e ，r e a l - t i m e i n t e r f e r e n c ec h e c k i n gf u n c t i o nw a sr e a l i z e db y u s i n gt h ea r i t h m e t i co f o c t r e es p a c ep a r t i t i o n w i t hh i e r a r c h i c a lb o u n d i n gv o l u m e so f a a b ba n da p e r f e c tr e s u l tw a sa c h i e v e d r t 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) g o o d h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew a sr e a l i z e di nt h i ss o f t w a r es u c ha s s e t t i n gs o l i db o d yc o l o r ，d i s p l a y i n g o rh i d i n gs o l i db o d y , p i c k i n ga n ds e l e c t i o no fs o l i db o d y 、i e w i n gf r o mm a n ya n g l e so rw i t hp o i n t s 、l i n e sa n df a c e s ，s e a i n gm o t i o np a r a m e t e r s ， i n q u i r i n gi n f o r m a t i o n ，a r b i t r a r y s e l e c t i o n a n a t o m y , p r i n t i n gp i c t u r e i n v i e w p o r t ，h e l p d o c u m e n t s ，i n s t a l l i n gp r o g r a m ，d i s p l a yo f r a s t e rb m pc h a r a c t e r sa n ds oo n k e y w o r d s ：m o u l d v i r t u a l l ye x a m i n ed y n a m i cs i m u l a t i o n s t lf i l e c o l l i s i o nc h e c k h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i v e 1 1 j 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 众所周知，c a d c a e c a m 技术己成为当代各行各业进行产品设计、加工制造、 辅助分析的基础。作为电子信息技术的一个重要组成部分，它是促进科研成果的开发 和转化，促进传统产业和学科的更新与改造，增强企业及其产品在市场上竞争能力， 加速国有经济发展和国防现代化的一项关键性高技术，也是进一步向计算机集成制造 发展的重要技术基础。 模具行业是c a d ，c a e c a m 技术应用最为广泛、最为成功的行业之一。近十几年 来，随着计算机软硬件技术突飞猛进的发展，国内外模具行业都普遍采用三维 c a d c a m 技术进行模具的设计和制造。三维软件的普及和深入使用，使得其c a d 部分不再是应用行业研究和开发的重点，而在三维设计的基础上对相关产品功能工艺 进行有效的模拟、分析、优化等则成为当前研发的热点之一。 近几年来，三维c a d c a m 技术在我国模具行业的应用也取得了明显的进步，但 从应用情况来看还存在一些问题，最突出的问题，是精通三维设计的技术人员不熟悉 模具相关工艺，而很多模具专家或模具使用者又缺乏三维设计的技术，虽然p r o e 、 u g 、c a t i a 等三维软件都提供了模具装配等功能，但是其静态装配功能根本无法真 实反映模具的使用情况和性能。因此，开发一套模具的虚拟检测及动态过程模拟软件， 对于优化模具结构、改善模具性能有很重要的现实意义和实用价值。 1 2 课题的发展、应用与研究概况 模具工业是国民经济的基础工业，模具生产的重要特点是生产率高、材料利用率 高、生产互换性好，非常适用于现代化大规模生产的企业，诸如汽车、航空、仪表、 电二子行业等。c a d 技术的迅猛发展，软硬件水平的进一步完善，为模具行业提供了 强有力的技术支持，为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃。 ( 1 ) c a d 技术的发展概况 华中科技大学硕士学位论文 c a d 技术是在计算机及其相关软硬件不断发展中快速发展起来的。c a d 技术产 生于上世纪6 0 年代，那时，德国、法国等西方国家都开始研究计算机图形学理论和 绘图机的制造技术。7 0 年代，c a d 开始实用化，从二维的电路设计发展到三维的飞 机、汽车、船舶等设计，出现了许多开发c a d 系统的公司，如c v 、i b m 等。8 0 年 代，超大规模集成电路的出现使计算机成本大幅下降，计算机硬件和软件产品的功能 都达到了新的水平，而且价格大大降低，使c a d 系统的硬件配置和软件开发适应于 中小型企业的承受能力，特别是c a d 技术在个人计算机实现以后，c a d 技术市场得 以开辟和发展。9 0 年代，随着现代先进设计与制造技术的大量出现，c a d 技术作为 基础和前提，正与各种先进设计、制造技术、网络技术等迅速集成、飞速发展，极大 地推动着国民经济的发展。 用于c a d 系统的图形支撑系统一般应具有的主要功能为：计算机图形处理、三 维产品建模、有限元建模和分析、机构运动分析、数据信息交换、工程数据管理、二 次开发工具等等。其中三维产品建模是其中的核心技术。从历史发展来看，三维产品 建模经历了线框、表面建模、实体建模、参数化造型及变量化造型技术等五个阶段： 线框造型是计算机辅助设计技术发展过程中最早应用的三维建模模型。这种模型 由一系列空间直线、圆弧和点等基本图元组合而成，用来描述产品的轮廓，在计算机 内生成相应的三维映像。这种模型数据存储量小、各种变换的计算量少，但是存在着 严重的不足，如构造的图形含义不确切，不能反映物体的几何特征。其代表产品有6 0 年代美国l o c k h e e d 飞机公司研制的c a d a m 系统。 曲面造型是利用各种曲线、曲面来拟合逼进物体的表面，又称表面建模。目前已 有多种曲面造型方法，如样条函数、参数样条曲线和曲面、j l 斯曲面等。但是曲面造 型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯 性矩等。代表产品有英国的d u c t 系统。 传统的实体造型就是以几何造型为基础的实体造型。在实体造型系统中，三维形 体均以实体表示，其几何信息和拓扑信息完备，复杂的形体通过简单体素的布尔运算 而构成。代表产品有美国斯坦福大学的g e o m o d 系统。 随着c a d c a e c a m 一体化技术的发展，传统的几何造型技术越来越显示不足， 华中科技大学硕士学位论文 如数据库完备性差、工程数据信息不足、设计环境欠佳等。8 0 年代以来，为满足c i m s 技术发展的需要，诞生了特征造型技术。这种面向设计过程、制造过程的方法，克服 r 几何造型的缺陷，是一种理想的产品模型。相对实体建模，特征造型替代了实体造 型的体、面、线和点而进入特征数据结构的是零件、特征、属性和基元，不仅包括了 几何和拓扑信息，而且还包含了制造工艺等信息在内。 前面所述的几种造型技术均属于无约束自由造型技术，进入8 0 年代中期，c v 公 司提出了比无约束自由造型更新颖、更好的算法：参数化实体造型。其主要特点为： 基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。最具代表性的是p r o e 参 数化软件。 但从实际使用来看，参数化技术也带来了新的不足，即“全尺寸约束”这一硬性 规定干扰和约束着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期 及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过 尺寸的改变来驱动形状的改变。当所设计的零件过于复杂，尺寸过多时，改变尺寸的 难度很大。s d r c 开发人员通过比较提出了变量化技术。变量化技术既保持了参数化 技术的原有优点，同时又克服了它的许多不足之处。如1 9 9 3 年推出的i d e a s m a s t e r s e r i e s 软件。 国外c a d 软件技术发展很快，先后推出了数十种用于大、中、小型计算机和工 作站上的商用支撑软件，最为著名的如法国的d a s s a u l t 航空公司的c a t i a 软件，它 具有先进的开放性、集成性、灵活性，参数化及变量化建模、基于特征的设计、精确 实体造型、丰富的曲面功能、透明的有限元分析及自动进行前后处理、高超的机加工 能力等等，主要用于航天和汽车工业设计，如波音7 7 7 和我国的上海桑塔纳等汽车制 造公司：美国p t c 公司开发的通用机械制造自动化软件p r o e ，其长处和独特性表现 在：参数化特征化定义实体造型功能，独特的数据结构提供在工程上的完全相关性； 美国e d s 公司的用于航空航天、汽车工业的机械设计的软件包u g i i ，可以支持目前 市场上所有的工作站平台，拥有较强的模具设计和制造功能。 我国c a d 技术的研究和应用起步较晚，7 0 年代末开始尝试，”七五”期间才进行 有计划、有组织的研究。在浙江大学、清华大学、华中理工大学等的共同努力下，研 华中科技大学硕士学位论文 制成功了多套c a d 支撑系统。它们都较为成功地解决了图形系统与工程数据库、有 限元分析及前后置处理、物性计算、优化设计等子系统的接口，初步形成了开发c a d 支撑软件的能力。经过三十多年的努力，我国c a d 技术在硬件生产、支撑软件的开 发、产品应用软件的开发和应用、基地建设及人才培训方面，都取得了较大的进展， 在国民经济建设中取得了良好的经济效益。 总之，目前国内外二维和三维软件种类繁多，功能强大，已广泛应用于国民生产 生活的方方面面。c a d 技术无论从技术上还是应用上讲，都处于比较成熟、高度发 展的阶段，而且正在向标准化、开放式、集成化、智能化和网络化等方面发展。 ( 2 ) c a e 技术的发展概况 c a e 起始于2 0 世纪5 0 年代中期，而真正的c a e 软件诞生于7 0 年代初期，到8 0 年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用c a e 软件。近4 0 年来，c a e 技术结合迅 速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从 低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取 得了巨大的发展与成就【2 】。 有限单元法作为c a e 的核心，是c a e 应用中最广泛、最成熟的方法，其基本思 想早在1 9 4 3 年数学家c c u r a n t 提出，而现代有限单元法的第一个成功尝试是1 9 5 6 年 t u r n e r 、c l o u g h 等人用于分析飞机结构。2 0 世纪6 0 7 0 年代，有限元技术主要针对 结构分析进行发展，以解决航天航空技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问 题。在商业需求推动下，世界上c a e 的三大公司先后成立，致力于大型商用c a e 软 件的研究与开发： 1 9 6 3 年m s c 公司成立，开发称为s a d s a m 结构分析软件。1 9 6 5 年m s c 参与美 国国家航空及宇航局发起的计算结构分析方法研究，其程序s a d s a m 更名为 m s c n a s t r a n 。 1 9 6 7 年s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n 公司成立，并于1 9 6 8 年发布世 界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1 9 7 1 年推出商用有限元分析软件 s u p e r t a b 。 1 9 7 0 年s w a n s o n a n a l y s i ss y s t e mi n c 公司成立，后来重组后改为称a n s y s 公司， 华中科技大学硕士学位论文 ，r 发了a n s y s 软件。 2 0 世纪7 0 8 0 年代是c a e 技术的蓬勃发展时期，这期间许多c a e 软件公司相 继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的m a r c 公司：致力于机 械系统仿真软件开发的m d i 公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的c s a r 公司；致力于结构、流体及流固耦合分析的a d l n d 公司等等。 2 0 世纪9 0 年代以来，c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机软硬件技术的迅 速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对 软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使 得c a e 软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足 了用户的需要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大中小微各类计算机和各种 操纵系统平台上运行。 此外针对各行各业的专用c a e 系统也得到了长足的进步。在模具行业中注塑模 c a e 的商品化软件种类较多，如澳大利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w ，美国a c t e c h 公司的c - - m o l d ，德国i k v 的c a d - - m o u l d 等。其中应用较普遍的是m o l d f l o w 。 ( 3 ) 交换文件格式的发展概况 由于目前市场上三维c a d 软件众多，在某一三维软件平台上进行二次开发虽然 不失为一种选择，但是考虑到目前三维软件本身对计算机硬件有一定的要求，而且还 存在版权问题，因此，模具动态模拟软件初步考虑在一种通用的文件格式的基础上进 行开发。这样不仅能够跳出所有三维c a d 软件的限制，而且适用面更宽。 现在c a d c a m c a e 系统大多是以单元自动化为目标来开发和应用的，各系统 的数据在逻辑结构和物理结构上均存在较大差异，而越来越多的用户需要把他们的数 据在不同的c a d c a m c a e 系统之间交换，因此自二十世纪7 0 年代末以来，国际上 对数据交换进行了大量研究和制订工作，涎生了1 0 余种数据交换技术标准，如i g e s 、 s e t 、v d a f s 、c a d i 、p d e s 等，甚至各种专业的系统格式如d x f 、i s i f 等。其中 最为通用的三维c a d 软件交换格式是i g e s 和s t e p t 3 1 1 ) i g e s 文件格式发展及其存在的问题 i g e s 是国际上产生最早的数据交换规范，自1 9 8 0 年提出i g e s l 0 版后得到了广 华中科技大学硕士学位论文 泛应用，目前几乎所有有影响的c a d c a m 系统都配有i g e s 接e l ，如p r o e 、c a t i a 、 u g 等，i g e s 在以后又得到不断的完善和扩充，版本不断升级，从i g e s l 0 仅包含二 维图形到i g e s 3 0 支持曲面和三维线框几何，i g e s 4 0 支持实体几何造型技术， i g e s 5 0 支持边界表示造型技术。 i g e s 文件中，信息的基本单位是实体，通过实体描述产品的形状、尺寸以及产品 的特性。目前在许多c a d c a m 系统的主要应用是在不同系统间交换工程图纸、零件 模型、运动学仿真和动态实验所需要的几何数据、装配或销售产品所需要的图形文件。 但在具体应用时经常有下列问题出现： a 交换过程中经常会出现错误或数据丢失现象。 b 发送系统前处理器生成的i g e s 文件的实体类型超出了接收系统后处理器可能 接受的实体类型的范围，以及发送系统与接收系统之间实体类型集虽相同，但有关属 性如颜色、字体、线型等代码不同，也将使部分数据丢失。 c i g e s 的目的只是传输工程图形及相关信息，它无法描述c i m s 环境所需的产品 数据的全部信息。 d i g e s 文件本身规模太大，影响数据文件的处理速度，使数据传输效率不高。 e 在转换数据的过程中发生的错误很难确定，常要人工去处理i g e s 文件。 目前i g e s 作为中性交换文件，输出时必须进行前处理，而在输入时必须进行后 处理，此外显示时要进行曲线离散、参数化曲面的三角化、组建装配树等，处理过程 十分繁复。 2 ) s t e p 文件格式发展及其存在的问题 由于i g e s 存在一些问题，它的功能还不能满足c i m s 环境下各c a x 系统的需求， 因此在i g e s 基础上，针对i g e s 的缺点和不足，又产生了其他一些规范。s t e p 正是 在此基础上，适应数据交换标准国际化的需要而产生的，其目的是提供一种不依赖于具 体系统的中性机制，能描述产品整个生命周期的产品数据。 s t e p 是一个系列标准，由许多部分组成： a 描述方法：采用专门开发的形式定义语言e x p r e s s 定义由数据元素、约束与其 他性质组成的实体，并由它们定义产品数据表达的正确性，以保证产品描述的一致性 华中科技大学硕士学位论文 和无二义性。 b 集成资源提供了s t e p 中每个数据元素的唯一表达，并通过解释来满足应用领 域的信息要求。 c 应用协议：为避免数据交换出现数据丢失的现象，s t e p 中以文件形式制定了一 系列应用协议。 d s t e p 提供了四种产品数据的实现方法，即文件交换、应用程序界面、数据库实 现和知识库实现等，实现方法的模式使用形式化语言e x p r e s s 描述，并从应用解释 模型到实现方法语言之间规定了映射规则。 e 致性测试：s t e p 把一致性检验包含在规范的定义中，检验处理器是否实现了 应用协议。 s t e p 实现产品数据交换的方式可分为4 种：中性文件交换、工作格式交换、数 据库交换、知识库交换，其中中性文件交换方式比较成熟。中性文件交换是专门格式 的a c s i i 码顺序文件，采用w s n ( w i n l ls y n t a xn o t a t i o n ) 形式化语法。 比如在两个应用系统之间进行交换数据，系统1 的前置处理器从系统内部读取产 品数据，根据某一产品模式定义完成实体的具体映射并创建实体实例，最后输出s t e p 中性文件。系统2 从s t e p 中性文件中读取实体实例，根据与系统1 相同的产品模式 定义将实体实例映射为本系统的数据类型。系统2 将数据交换给系统1 的过程则是上 述过程的逆过程。 从目前来看，s t e p 文件正处于发展阶段，由于其复杂性及包含信息量大，必须 建立自行开发的系统进行数据处理，因此过程非常复杂。 3 ) s t l 文件格式发展及其存在的问题 s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 是为快速原型制造r p m ( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ) 服务的文件格式，是由美国3 ds y s t e m s 公司于1 9 8 8 年制定的一个接口协议，由3 3 个c a d 软件公司共同制定，被工业界认为是目前的准标准。r p m 技术问世后，各商 用c a d 软件公司纷纷推出了带有s t l 文件输出格式的软件包，包括基于工作站与微 机的软件系统。这种文件格式类似于有限元的网格划分，它将物体表面划分成很多小 三角形，用这些空间三角形小平面来逼近原c a d 实体。文件的数据结构非常简单， 华中科技大学硕士学位论文 而且独立于c a d 系统。但是它也有些缺点，如信息比较冗余，可能存在一些错误等 1 4j l 5 l 。 相对于i g e s 、s t e p 而言，虽然s t l 文件格式实际上是一种输出格式，而非交换 格式，但现行的三维c a d 软件都支持生成s t i 。文件，而且s t l 文件非常简洁，相关 资料研究都很丰富，一些成功的c a e 软件都提供了s t l 接口：此外还能够对设计的 模型数据进行保密。更重要的是i g e s 和s t e p 最终都要离散为三角形才能更快地渲 染，而s t l 本身记载的信息就是已经划分的众多三角形面片，无需这种处理。因此 本课题最终是在s t l 文件格式的基础上进行模具动态模拟的研究。 ( 4 ) 三维图形应用程序接口 为了实现三维模具的显示和动态过程模拟，必然离不开三维图形应用程序接口。 目前，三维图形应用程序接口普遍应用的主要有s g i 等公司推出的o p e n g l 和微软公 司为w i n d o w s 系列操作系统设计的d i r e c t ) ( 等。 1 ) d i r e c t x 发展及其特点 d i r e c t x 是一个用于多媒体应用程序和硬件增强的编程环境，它是微软为了将其 w i n d o w s 建设成适应各种多媒体的公用平台而开发设计的。最初，d i r e c t x 作为微软 游戏软件开发工具包( 简称s d k ) 的一部分提供给那些对设计高级游戏和动画感兴趣 的程序员。1 9 9 6 年，d i r e c t x 成为微软自身s d k 的一部分，而w i n d o w s9 8 内则集成 了d i r e c t x5 0 ，表明它已成为操作系统的一部分。目前d i r e c t x 已发展到9 0 以上版 本。 d i r e c t x 技术实际上是一种a p i ( 应用程序接口) ，每个d i r e c t x 部件都是用户可 调用的a p i 的总和，应用程序使用它可以直接访问计算机的硬件。这样，应用程序就 可以利用硬件加速器( h a r d w a r e a c c e l e r a t o r ) 。如果硬件加速器不能使用，d i r e c t x 还 呵以仿真加速器提供强大的多媒体环境。 d i r e c t x 在多媒体软件和游戏等高级动画软件中取得了巨大的成功，但是，出于其 不可移植性，或多或少地使它的应用受到限制。 2 ) o p e n g l 发展及其特点 o p e n g l 的前身是s g i 公司为其图形工作站开发的i r i s g l 。i r i s g l 是一个工业 华中科技大学硕士学位论文 标准的3 d 图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是s g i 公司便在i r i s g l 的基础上开发了o p e n g l 。顾名思义，o p e n g l 便是“开放的图形程序接1 2 1 ”。 1 9 9 2 年7 月，s g i 公司发布了o p e n g l 的1 0 版本，随后又与微软公司共同开发 了w i n d o w s n t 版本的o p e n g l ，从而使一些原来必须在高档图形工作站上运行的大 型3 d 图形处理软件，如用于制作电影侏罗纪公园、玩具总动员、泰坦尼克号 而大名鼎鼎的s o f f i m a g e 3 d 也可以在微机上运用。 1 9 9 7 年，由于在w i n d o w s 9 5 下大量3 d 游戏的涌现，游戏开发公司迫切需要一个 功能强大，兼容性好的3 d 图形接口，而当时微软公司自己的3 d 图形接口d i r e c t 3 d v 3 0 的3 d 图形功能实在是糟糕，因而以制作雷神之锤等经典3 d 射击游戏而著名的 i d 公司同其它一些游戏开发公司一道，与软件霸主微软公司对话，强烈要求微软公 司在w i n d o w s 9 5 中加入对o p e n g l 的支持。同时，i d 公司还以o p e n g l 为3 d 图形 接口开发了雷神之锤2 的游戏引擎。雷神之锤2 上市后大受欢迎，以无以伦比 的3 d 图形特效、身临其境的音响效果等特色，摘取了1 9 9 7 年由电脑游戏界的权威杂 志p c g a m e r 评选的“年度最佳游戏”、“最佳动作游戏”和“最佳网络游戏”三项桂 冠。当时由于硬件限制，雷神之锤2 只应用了o p e n g l 的一部分功能。但是雷神 之锤2 获得的巨大成功，使人们第一次在电脑游戏中体会到o p e n g l 的强大功能， 也迫使微软公司最终在w i n d o w s 9 5 的o s r 2 版( 俗称w i n d o w s 9 7 ) 和后来的w i n d o w s 9 8 中加入了对o p e n g l 的支持。这样，不但许多支持o p e n g l 的电脑3 d 游戏得到广泛 应用，而且许多在w i n d o w s 9 5 平台上运行的3 d 图形设计软件如a u t o c a d r l 4 、 3 d s m a x r 2 等也可以运用支持o p e n g l 标准的3 d 加速卡，大大提高其3 d 图形的处 理速度。 o p e n g l 已经发展到了1 4 版本，而且还在向更高版本2 0 迈进。虽然o p e n g l 还 在不断发展完善中，但是它所带来的优秀产品层出不穷。它本身与操作系统平台、所 使用的语言、开发环境都无关，已在c a d 软件如p r o e 、游戏软件如q u a k e 中取得巨 大成功。此外，在各种模拟软件( 如华铸c a e ) 、动画软件( 如3 ds t u d i om a x ) 、仿 真软件o p e ni n v e n t o r 、v r 软件( 如w o r l d t o o lk i t ) 、g i s 软件( 如a r c i n f o ) 甚至医 学可视化研究中也得到广泛应用。相信作为三维图形软件接口，o p e n g l 必将长期处 华中科技大学硕士学位论文 于标准地位。 o p e n g l 和d i r e c t x 动画实现的解决办法是提供两个完整的颜色缓存的硬件或者 软件，当一个缓存用来作图时，另外一个就用来显示，此时作图的缓存要计算的是下 一帧的状态。当画完一帧时，交换两个缓存。刚才用来显示的缓存现在用来作图。如 此循环，只要两帧之间的时间间隔足够短暂，显示的效果就如同电影效果一般连续( 实 际中电影是每秒2 4 帧，但是具体的应用程序往往帧速率不尽相同，随显示刷新率和 显卡以及应用程序不同而有所不同) 1 6 1 1 7 1 1 射。 但是常见的情形是o p e n g l 应用程序占用了大量的c p u 时间。这是因为o p e n g l 渲染场景时，一般需要重绘整个场景。作者曾经看到过一个锅炉监控软件，检查其 c p u 时间竟然高达9 9 ! 就u g 本身而言，经检查发现，随模型复杂程度不同，其 占用c p u 时间也有较大差别，有的4 6 左右，有的8 0 左右。所以要尽量优化程序， 做到尽量少的占用c p u 时间。 d i r e c t x 本身编程难度不高，但其中大量t o m 编程思想隐藏了渲染实现机制，虽 然减轻了设计量，但是程序员开发时需要全面了解的难度很大。而o p e n g l 的渲染机 制相当明确，各种优化可以让用户决定，而且开发的起点较低，移植性好，所以在本 软件中，将采用o p e n g l 作为三维图形的渲染a p i 。 1 3 论文的主要工作 针对以上介绍的研究现状，本课题将利用已有的工具软件在w i n d o w s 平台下结合 o p e n g l 三维图形软件接口，实现对基于s t l 文件的模型进行动态模拟及其实时干涉 检测。具体工作有： ( 1 ) 讨论s t l 文件格式及其优缺点，对s t l 文件进行优化处理。 ( 2 ) 基于o p e n g l 的动画部分的实现。 ( 3 ) 三维碰撞检测算法的实现。 ( 4 ) 软件其他功能的实现。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 软件功能构想 2 软件整体设计 软件功能的基本思想是：建立在s t l 模型基础之上，通过o p e n g l 三维渲染环境 显示三维模型并对模型进行各种交互操纵，赋予各模型材质、运动参数等性质和状态 然后观察预定工艺下模具的动态过程，不断调整，使其达到满意的程度或者发现问题 另外，通过其他功能，从某些有效的侧面了解到实体的其余重要信息。 根据上述思想，软件应具有功能的框架如图2 - 1 所示。 图2 - 1 模具动态装配模拟的功能框架 如图所示，模具动态装配模拟( 包括工作过程模拟) ，主要是包括模型文件、动 画、实时干涉检查和信息查询、参数设置等其他功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 1 模型文件 模型文件是动画操纵的基础，其他功能建立于其上。模型文件主要是s t i 和e p c 文件。s t i 。作为软件实际操纵的模型对象，具有非常重要作用：从三维软件中生成的 s i l 文件，包含了该实体在空间中的几何属性，决定了在软件中的显示状念和位置。 e p c 文件是软件定义的环境文件，记载的信息主要足所加载的模型文件及其路径 以及相关参数。软件在载入e p c 文件时，实际上在载入记载于其中的s t i 。文件，并 蜮予其相关信息。e p c 文件记载了许多s t l 文件，保存了s t l 文件信息及其运动信息， 以二进制格式存储，不能在文档格式下编辑；同时s t l 文件所在的位置也不可更改， 否则读取e p c 文件时将无法找到s t l 文件，等于无效。 f a k e 文件是优化后s t l 文件，记载了s t l 模型文件的足够信息，但是消除了 s t l 中大量冗余信息，从而减少了系统资源占有量。f a k e 文件区别于s t l 文件的最 大不同之处在于，它建立了模型的面与点之间的索引关系，从一定程度上况，也建立 了线和点之间的关系。这个特点使得渲染模型时不会出现面片之间邻接拓扑关系被破 坏，而且将有利于软件对模型点、线、面的快速拾取，实现相当一部分的信息查询功 能。 2 1 2 动画 动画部分是软件的三维可视化核心内容，所有动画将利用o p e n g l a p i 进行渲染。 动画过程直是本软件开发时间最长、也是最关注的部分，当然也是最能发挥创造性 的地方。一切c a d c a m c a e 软件离开动画，就会显得不那么有生意，失去了良好 的视觉效果，让人感到很晦涩，而良好的视觉效果则让人耳目一新。如模具业单普遍 熟知的u g 软件，币是由于其良好的视觉效果，使得益于为大多数设计者所接纳，从 而在市场卜也取得了很好的效益。 奉软件，力图在动画等方面尽量接近u g 的相应功能达到较好的视觉观察效果。 动画部分主要包括交互操纵和模具动态过程模拟。模具动态过程模拟，足定义了 模具运动参数、材质等属性之后进行调试或者演示预定工艺的动画：可以利用重复播 放调试，利用播放进行同步干涉检测。交互操纵用于观察实体，实现对实体进行各种 华中科技大学硕士学位论文 设置，其主要操作有：对实体的平移、旋转、缩放、区域放大、全屏观察恢复视窗、 适合窗口等等。这些都是一般c a d c a e 软件应具有的功能，通过一系列如上操纵， 用户能够很明确地进行各种设置或者修改，达到各种观察效果。 2 1 3 干涉 除了动画部分，与动画相关的实时干涉检查也是软件开发的重点。实时干涉检测 是用来发现预定工艺运动下可能存在的错误设置。真接用两个实体进行三角形对之间 于二涉检测计算，对三角形个数比较少的实体来说是可行的，但是，由于调入的实体三 角形数可能会非常多，这样，就存在当大数量三角形实体干涉检查时过量的运算，从 而导致无法达到实时目的的问题。使用了实体八叉树空间划分预先运算，达到了实时 f 涉检查的目标。 进行干涉检测时，如果存在干涉，则软件应该能够显示干涉区域，以利于用户分 析。由于使用八叉树干涉检测，所以软件考虑使用显示发生干涉区域的八叉树叶节点 区域作为标识。 2 1 4 其他功能 此外，还有许多辅助功能，能够提供对模型的各种设置、查询等，从而达到比较 好的人机交互效果，方便用户的使用。主要有：实体点选功能、参数设置、信息查询、 颜色设置、多视观察、点线面观察、显现隐藏实体、打印当前视区中的图形、对实 体进行任意截面剖切观察等等。其中点选功能、参数设置、信息查询是非常重要的功 能，它们极大地方便了用户进行人机交互，使得软件用户得心应手。 同时也利用f r o n t p a g e 为软件制作了帮助文件，利用i n s t a l l s h i e l d 为软件制作了安 装程序。 2 2 软件界面设计 用户界面犹如一个人的脸，关系到软件的整体形象。一般c a d c a e 软件都要求 对三维图形的视区保留足够大小，所以通常所见的情形是，这些软件要求显示分辨率 达到1 0 2 4 + 7 6 8 。对于游戏等三维软件，由于运行效率以及显存的要求，大多数采取 华中科技大学硕士学位论文 6 4 0 * 4 8 0 的分辨率，而且采用全屏独占模式。由于本软件在动画操纵方面和u g 软件 功能极其相似，所以参考u g 的工作界面，实现菜单栏、工具栏在上面，工具栏本身 呵以浮动；记录实体相关信息的导航管理窗口在左侧，可以浮动。参考v c 编译器的 界