基于CAD/CAPP結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體圖形顯示處理技術(shù)研究

陳智淵,石 鑫

（1.青海師范大學(xué)民族師范學(xué)院，海南藏族自治州 813000；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024）

當(dāng)前，隨著CAD/CAPP技術(shù)的深入應(yīng)用以及應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，特別是在計(jì)算機(jī)輔助的機(jī)械制造加工領(lǐng)域的運(yùn)用，極大地加速了機(jī)械加工過程自動(dòng)化的進(jìn)程，促進(jìn)了三維CAD的無縫集成，提高了工藝決策的可靠性與靈活性，保證了零件設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的可行性[1-2]。雖然CAD/CAPP技術(shù)擁有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，市面上的各種典型CAD/CAM系統(tǒng)卻不具備完善的CAPP功能，這中斷了CAD到CAPP的轉(zhuǎn)變進(jìn)程，不能將CAD處理后的幾何信息轉(zhuǎn)化為CAPP所需的基于特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而加以利用。

通常，在計(jì)算機(jī)輔助車削自動(dòng)加工系統(tǒng)中，基于CAD/CAPP結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體圖形文件是系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源，關(guān)系到數(shù)據(jù)傳遞過程能否順利進(jìn)行，是整個(gè)自動(dòng)加工系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了獲得CAPP模塊所需的特征信息，就需要對CAD回轉(zhuǎn)體的幾何信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以確認(rèn)轉(zhuǎn)換文件的正確性。為此，本文通過OpenGL對轉(zhuǎn)換后的CAPP特征信息進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重構(gòu)，繪制三維立體效果圖，亦包含其他顯示處理內(nèi)容，以期為CAD/CAM系統(tǒng)集成提供新的技術(shù)支持。

1 CAD/CAPP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用文本格式（.txt）進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。文本格式的數(shù)據(jù)文件是最終提供給下一模塊使用的數(shù)據(jù)文件，是根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)一的文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立的，包含全部的拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?。根?jù)回轉(zhuǎn)體零件工程圖信息進(jìn)行加工特征的定義和零件特征模型的描述,建立的系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

另外，該文本格式的數(shù)據(jù)文件包含3種存儲格式，即零件圖點(diǎn)數(shù)表、零件幾何關(guān)系數(shù)表、各幾何數(shù)據(jù)表。具體解釋如下（文本格式數(shù)據(jù)文件解釋時(shí)Z值為相對坐標(biāo)下X坐標(biāo)值，X值為相對坐標(biāo)下Y坐標(biāo)值）。

（1）零件圖點(diǎn)數(shù)表：ppon（nr，2）。

圖1 系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 System file data structure

表中每一個(gè)點(diǎn)（Z,X）代表了某個(gè)圖素的終止點(diǎn)，對應(yīng)的面號即為rela()中該圖素的指針；共有nr個(gè)點(diǎn)數(shù)，按照左逆時(shí)針從1～nr依次對零件圖進(jìn)行排列。

（2） 零件幾何關(guān)系數(shù)表: rela[np,1]

屬性碼表示圖素的特征：

1—外腔圓柱面，2—外端面，3—外錐面，4—外螺紋面，5—外圓弧面，6—外空刀槽，7—內(nèi)腔圓柱面，8—內(nèi)端面，9—內(nèi)錐面，10—內(nèi)螺紋面，11—內(nèi)圓弧面，12—內(nèi)空刀槽。

指針：圖素對應(yīng)幾何數(shù)據(jù)的指針。

rela()的行號1～np對應(yīng)各圖素的編號。

外、內(nèi)指將零件圖從左到右看作兩個(gè)部分，外形即是外腔，內(nèi)形即是內(nèi)腔。

（3）各幾何數(shù)據(jù)表（以外腔為例）。

外腔圓柱面：OCYLG[ ，3]。

其中，特征值1—外圓柱面；2—內(nèi)圓柱面。外腔端面：OEDFG[ ，3]。

其中，特征值1—左端面；2—右端面。外腔錐面：OCONG[ ，5]。

其中，特征值1—外腔外錐面；2—外腔內(nèi)錐面，錐角用弧度度量。

外腔螺紋面 ：OTHRG[，4]。

其中，特征值1—普通螺紋；2—細(xì)牙螺紋。

外腔圓弧面： OCURG[，7]。

其中，旋向1—順旋；2—逆旋。

同理易得，內(nèi)腔圓柱面ICYLG[ ,3]、內(nèi)腔端面IEDEG[ ，3]、內(nèi)腔錐面 ICONG[ ，5]、內(nèi)腔螺紋 ITHRG[ ，4]以及內(nèi)腔圓弧面ICURG[ ，7]，各數(shù)表結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的外腔圖素大體相同，對應(yīng)數(shù)據(jù)的存放順序如圖2所示。與之相對應(yīng)的內(nèi)腔面存放順序與圖2結(jié)構(gòu)相同。這樣，刀位點(diǎn)計(jì)算模塊或后置處理模塊只要按上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)即可全部取出輸入模塊的全部信息。

2 文件數(shù)據(jù)的讀取

通過上述分析，基于特征的零件結(jié)構(gòu)信息主要由對應(yīng)的特征值和主要屬性（如圓心、半徑、拱度）構(gòu)成。針對回轉(zhuǎn)類零件的特點(diǎn)，并依據(jù)數(shù)據(jù)的相互關(guān)系及存儲順序，采用循環(huán)結(jié)構(gòu)將讀取的圖素?cái)?shù)據(jù)保存在VC++的動(dòng)態(tài)數(shù)組類（CObArray）中[3]。應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)主要包含3種類型，說明如下：

（1）幾何圖素的類型都可分為直線或弧線；

（2）直線段用起止點(diǎn)坐標(biāo)表示；

圖2 數(shù)據(jù)存放順序Fig.2 Data save order

圖3 圓弧縱向切割Fig.3 Arc longitudinal cutting

圖4 回轉(zhuǎn)體二維圖形Fig.4 Two-dimensional graph of revolving part

（3）弧線段用起止點(diǎn)坐標(biāo)和拱度表示。

另外，由于車削加工的零件主要是回轉(zhuǎn)體零件，故其沿中心線對稱剖面的特征都是相同的，而且剖面上的坐標(biāo)也是相對中心線對稱的。在這樣的條件下本系統(tǒng)可將回轉(zhuǎn)體零件視圖簡化為1/2中心線剖面形式。由這個(gè)剖面可以換算出該回轉(zhuǎn)體的全部信息，也就是說采用這樣的處理不會(huì)丟失信息。經(jīng)這樣簡化后的零件具有以下特點(diǎn)：零件圖是由外輪廓線繞母線旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，是一個(gè)封閉的單連域；零件圖是一個(gè)二維截面圖；各幾何圖素都是由直線、弧線組成，且每個(gè)圖素具有特定的工藝特征，如空刀槽對應(yīng)3條直線段，需要采用上插值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

3 圖形構(gòu)造算法

在進(jìn)行回轉(zhuǎn)體零件的構(gòu)造時(shí)，實(shí)際上就是利用已知的軸線與母線，來構(gòu)造對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)曲面，這也是基于回轉(zhuǎn)體零件的圓周對稱的特點(diǎn)所決定的[4]。構(gòu)造旋轉(zhuǎn)曲面時(shí)，需要使用到旋轉(zhuǎn)成形算法，包含兩個(gè)步驟。

（1）橫向切割。

橫向切割是指在已知輪廓線上逐段均勻地分割成若干個(gè)點(diǎn)，并把所有分割點(diǎn)坐標(biāo)按次序存入所設(shè)置的3個(gè)二維數(shù)組x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]的過程。程序中橫向分割點(diǎn)的個(gè)數(shù)即為橫向切割密度值，其值越大，則所生成的曲線輪廓就越接近于原圖形曲線輪廓，與此同時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增大。

（2）縱向切割。

縱向切割要對橫向切割形成的全部點(diǎn)進(jìn)行三維回轉(zhuǎn)操作，還需對每點(diǎn)的圓周軌跡進(jìn)行插值點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算。插值點(diǎn)數(shù)就是密度值大小，這就是說，縱向插值點(diǎn)數(shù)越多，分割越細(xì)，所生成真實(shí)感圖形橫截面越圓滑，但數(shù)據(jù)的計(jì)算量也相應(yīng)增大。

圓弧縱向切割如圖3所示。由橫向切割得到母線輪廓的全部坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)組x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]，進(jìn)行縱向切割計(jì)算時(shí)，假設(shè)繞x軸作圓周回轉(zhuǎn)操作，要計(jì)算圓周軌跡上的n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)回轉(zhuǎn)步長t為2π/n，可得回轉(zhuǎn)變換矩陣T：

設(shè)母線上任一點(diǎn)坐標(biāo)為（x,y,z），則回轉(zhuǎn)后的點(diǎn)坐標(biāo)為：

其中z=0，至此，就獲得了回轉(zhuǎn)體零件全部的三維空間坐標(biāo)。構(gòu)造算法對應(yīng)的程序如下：

4 OpenGL對零件圖形的處理

圖4為CAD系統(tǒng)輸入的回轉(zhuǎn)體二維圖形。OpenGL具備繪制三維圖形的所有功能，本系統(tǒng)調(diào)用OpenGL主要實(shí)現(xiàn)功能如下：窗口初始化、回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)造型、坐標(biāo)變換、光照和材質(zhì)設(shè)置、霧化和紋理貼圖等[5]。該應(yīng)用程序中的各種功能均是通過ActiveX有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的。如通過回轉(zhuǎn)體選擇造型即可獲得回轉(zhuǎn)體零件的三維實(shí)體，如圖5所示；另外，通過設(shè)置材質(zhì)與光照，就可更為準(zhǔn)確模擬真實(shí)的外部光照效果，實(shí)現(xiàn)該回轉(zhuǎn)體在計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用中的真實(shí)感效果，顯示處理功能亦包含霧化、紋理貼圖等特殊處理效果。

圖5 三維造型Fig.5 3D model

5 結(jié)束語

本研究通過設(shè)計(jì)合理的CAD/CAPP回轉(zhuǎn)體零件圖形文本結(jié)構(gòu)，采用旋轉(zhuǎn)曲面構(gòu)造算法，實(shí)現(xiàn)了基于母線和外輪廓構(gòu)造圖形零件的目的。結(jié)合OpenGL技術(shù)完成了對回轉(zhuǎn)體零件的交互式顯示處理，涵蓋材質(zhì)與光照設(shè)置、霧化以及反走樣等功能，這樣就為CAD/CAM系統(tǒng)集成技術(shù)提供了新的技術(shù)支持，目前已在本校工訓(xùn)實(shí)踐中得到了有效應(yīng)用。

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