基于VC++和Pro/E的纏繞芯模的逆向設(shè)計

田會方，張 毅

(武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

如今大多數(shù)三維CAD軟件突出的功能是三維幾何造型，其強大的三維造型功能可以方便地建立各種復(fù)雜模型，其中Pro/E是使用非常廣泛的三維建模軟件之一。對于纖維纏繞的芯模，可以利用Pro/E進行建模。然而，其所建立的模型局限于幾何信息和拓撲信息，遠遠不能滿足后續(xù)的仿真、評價等實際工作過程中的信息需求。同時由于虛擬現(xiàn)實造型語言VRML作為一種中性語言，具有場景交互、逼真自然等基本特征，大多數(shù)的三維CAD軟件都可以導(dǎo)出VRML格式文件?；诖耍衫萌SCAD軟件建立三維纏繞芯模的模型，然后將其導(dǎo)出為VRML(.wrl虛擬現(xiàn)實建模語言)格式文件，由于導(dǎo)出的VRML文件丟失了芯模的特征參數(shù)信息，僅包括芯模的幾何數(shù)據(jù)信息，因此需要從以下兩方面著手解決:①利用三維建模軟件建立芯模模型，然后輸出為VRML，即為三維芯模的幾何顯示數(shù)據(jù)文件，再用OpenGL對其解析，生成三維模型;②通過特征匹配，實現(xiàn)對特征參數(shù)的獲取，最后將重要的參數(shù)信息反映到對話框上［1－2］。

綜上可知，纏繞芯模的幾何顯示信息和特征參數(shù)信息所需零件的信息均可從三維CAD軟件中通過轉(zhuǎn)化、提取、解析和匹配來獲得，利用OpenGL等語言對纏繞芯模進行重新繪制，進而建立三維CAD與VC++操作平臺連接的橋梁。芯模逆向設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 芯模逆向設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1 VRM L文件格式分析

1.1 VRM L文件結(jié)構(gòu)

VRML格式的文件可由大多數(shù)三維CAD軟件導(dǎo)出，其擴展名為.wrl。VRML文件是文本文件，可以方便地由文本文件編輯器進行編寫和修改。一個典型的VRML格式文件一般由文件頭、節(jié)點和路由組成。其中節(jié)點是VRML格式文件最基本單位，即VRML文件是由很多節(jié)點組合而成的，一個最簡單的VRML文件至少包含一個節(jié)點。節(jié)點由節(jié)點名和一對花括號構(gòu)成，花括號內(nèi)可包含多條描述節(jié)點的語句。三維模型主要涉及的節(jié)點有Shape造型節(jié)點、IndexedFaceSet面集節(jié)點、Appearance外觀節(jié)點、Transform坐標變換節(jié)點、Material材料節(jié)點、Coordinate坐標節(jié)點和Nor-mal法向量節(jié)點等。其中IndexedFaceSet面集節(jié)點用于三維模型表面的幾何造型，其平面造型先由封閉折線勾畫出平面的邊界，再進行表面的填充，形成三維模型的表面［3］。構(gòu)造平面邊界線的過程是:首先設(shè)定3個以上的節(jié)點坐標，然后按照點坐標的索引號的順序進行連接，形成平面封閉的邊界線。

VRML文件語法結(jié)構(gòu)如下:#VRML V2.0 utf8節(jié)點名{域值…}

Scrip t{#腳本節(jié)點…}ROUTE…#路由

1.2 Pro/E逆向生成的VRM L文件解析

三維建模軟件Pro/E生成的VRML文件格式的節(jié)點可以分為構(gòu)建零件幾何模型和設(shè)置零件場景描述兩大類型。

對于構(gòu)建零件幾何模型數(shù)據(jù)的VRML節(jié)點，Pro/E生成的VRML文件使用IndexedFaceSet節(jié)點來描述具體的零件三維模型，IndexedFaceSet面集節(jié)點為Shape造型節(jié)點的geometry域的域值，用來構(gòu)建模型面的幾何造型，方法是使用三角形面片來具體描述三維幾何模型的一個面。這樣在MFC程序中讀取VRML文件時，依次讀取，直至讀完芯模面中的所有三角面片，即可形成一個包含很多三角面片的面集［4－5］。

零件幾何模型所涉及的VRML節(jié)點之間的關(guān)系如圖2所示。圖2中橢圓為VRML節(jié)點，長方形為節(jié)點的域。

零件場景描述。Pro/E導(dǎo)出的VRML文件使用Viewpoint視點節(jié)點描述三維模型的場景，例如:

圖2 節(jié)點關(guān)系圖

DEF Name Viewpoint{

description"Name"

position 1.68637 0.292726 －0.603758

orientation － 0.0140579 0.990331 0.138012 1.71118

fieldOfView 1.56959

}

其中，description域的域值用來設(shè)置描述視點的字符串Name，position域的域值用來設(shè)置視點在場景中的空間位置，orientation域的域值用來設(shè)置視點在場景中的空間場景，也就是觀察者面對的方向，fieldOfView域的域值用來設(shè)置視點視角大小。

2 在VC++中逆向獲取芯模及其參數(shù)特征

2.1 基于OpenGL的芯模VRML文件格式的解析

2.1.1 OpenGL 的初始化

OpenGL作為三維圖形硬件的軟件接口，可以直接開發(fā)出各種三維幾何物體及動畫。一般在Visual C++中，指定包含OpenGL的頭文件相對路徑。相應(yīng)的頭文件有 gl.h、glu.h 和 glut.h。其中g(shù)l.h包含OpenGL最基本的命令函數(shù)，可以執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入、顏色和光照等;glu.h是OpenGL的實用庫，是對OpenGL核心庫的補充，可以執(zhí)行坐標轉(zhuǎn)換、繪制NURBS曲線和曲面等任務(wù);glut.h是OpenGL的實用工具箱，可以執(zhí)行多窗口繪制、生成層疊式彈出窗口等［6－7］。

初始化OpenGL的步驟為:

(1)獲取進行繪圖的設(shè)備環(huán)境:g_hDC=Get-DC(g_hWnd);

(2)為設(shè)備環(huán)境設(shè)置像素格式，并創(chuàng)建基于該設(shè)備環(huán)境的OpenGL設(shè)備。運用函數(shù):PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd;

(3)當觸發(fā)WM DESTROY消息時釋放Open-GL資源 ReleaseDC(g hWnd，g hDC);wglDeleteContext(g glRes);

(4)初始化OpenGL繪制場景。

2.1.2 VRML 文件的解析

有了Pro/E轉(zhuǎn)換的VRML文件后，接下來就是在VC++中基于OpenGL讀取VRML文件，稱之為VRML文件的解析，而編寫解析器Parser主要包括兩方面的內(nèi)容，即讀取三維幾何模型數(shù)據(jù)和描述零件場景。

由于三維幾何模型由很多表面組成，各種平面組合成不規(guī)則的三維幾何造型。每個表面在VRML中稱為一個面集，也就是說三維幾何模型在VRML中對應(yīng)相同數(shù)量的面集，因此定義零件場景類CSceneGraph3d來管理面集，其定義如下:

class CSceneGraph3d

{

vector＜CGLMesh3d* ＞m_ArrayMesh3d;//定義一個零件所含的面集的數(shù)組

…}

由于描述機械零件的各個面集具有相同的結(jié)構(gòu)，每個面集都對應(yīng)一個 CGLMesh3d對象的Shape節(jié)點，因此可以運用循環(huán)方式解析VRML文件。即依次讀取VRML文件的關(guān)鍵詞，每讀入一次“Shape”節(jié)點，就認為是一個面集，再由CGLMesh3d類的對象轉(zhuǎn)入面集的存儲處理，處理完成之后將它加入到由CSceneGraph3d的對象定義的面集數(shù)組中。

CGLMesh3d*pMesh=newCGLMesh3d;//面集的存儲處理

pSceneGraph→Add(pMesh);

依次循環(huán)，直到文件讀取完畢，即可將顯示幾何模型的數(shù)據(jù)讀入CSceneGraph3d對象中。

針對VRML文件的不同節(jié)點信息，用面向?qū)ο蠓椒▽ζ溥M行分析和設(shè)計，建立一系列的類，如:

CGLVrm1Parse用來解析VRML格式的文件;

CGLTransform類用來描述坐標變換;

CGLVector3d類用來描述三維空間矢量;

CGLMaterial則用來描述材質(zhì)。

面集由一系列相鄰的三角面片構(gòu)成，因此可定義一個幾何模型數(shù)據(jù)CGLMesh3d類，用來讀取并顯示幾何模型數(shù)據(jù)，定義如下:

class CGLMesh3d

{

struct VertexIndex//定義一個三角面片的三個頂點索引號的結(jié)構(gòu)體

{

intm_Index1;//第一個頂點的索引1

intm_Index2;//第二個頂點的索引2

intm_Index3;//第三個頂點的索引3

};

…

}

芯模的幾何模型顯示通過處理CAD軟件導(dǎo)出的VRML實現(xiàn)，VRML文件包含描述三維幾何模型所必需的各種信息，再利用OpenGL及MFC編程對三維模型的重新構(gòu)造，顯示幾何模型中的三角面片數(shù)據(jù)來逐個繪制三角面片，最終獲得芯模模型。上述分析可以歸納為:不管多復(fù)雜的三維模型的繪制都能歸結(jié)為一個個三角面片的繪制，因此選擇在VC++和OpenGL環(huán)境中來完成三角面片的繪制，增強了可操作性。

2.2 芯模及其特征參數(shù)的逆向獲取

大多數(shù)的三維CAD軟件都提供二次開發(fā)，例如通過Pro/E的二次開發(fā)，Pro/TOOLKIT可以方便地獲取三維模型的尺寸，其應(yīng)用程序的初始化函數(shù)為:

extern"C"int user_initialize(int argc，char*argv［］，char*version，char*bulid，Wchar_t errbuf［］)

{

ProError status;//用戶添加的接口程序部分

…

return status;

}

終止應(yīng)用程序的函數(shù)為:

extern"C"void user_terminate()

{//用戶添加的終止代碼

…

}

當Pro/TOOLKIT二次獲取參數(shù)信息后，導(dǎo)出與三維模型Pro/E格式(.prt)的文件名同名的.geo格式文件，這樣在.geo格式文件里就包含需要的特征參數(shù)信息，在獲取零件幾何模型的特征數(shù)據(jù)和特征參數(shù)信息之后，就可以在VC++中獲取模型的重要尺寸［8－12］。

3 實例說明

首先利用三維建模軟件Pro/E建立纏繞芯模的模型，然后將該模型輸出為.wrl格式，即VRML格式文件，接著再在VC++中對文件進行解析，讀出三維幾何模型，并利用OpenGL對零件渲染，重繪制［13］，將所需要零件的信息添加到零件模型中去，從而達到對機械零件三維模型的分析、解析目的。圖3為利用Pro/E建立的模型，圖4為用VC++和OpenGL解析的模型，表示了網(wǎng)格纏繞芯模仿真的芯模參數(shù)逆向尺寸獲取的過程。

4 結(jié)論

利用逆向方式可以獲取任意格式芯模的重要尺寸，利用這些關(guān)鍵尺寸，可以為纏繞復(fù)合材料制

圖3 利用Pro/E建立的模型

圖4 用VC++和OpenGL解析的模型

品提供原始數(shù)據(jù)，也可以方便地產(chǎn)生其他相似的芯模。由于在三維CAD中難以實現(xiàn)纖維纏繞的運動仿真，即使利用其二次開發(fā)也不能達到繪制纏繞纖維的目的，因此可采取將三維的CAD轉(zhuǎn)化為中性的VRML文件，再由OpenGL對其渲染和解析，在VC++中生成三維模型，并獲取其關(guān)鍵尺寸，以方便后續(xù)模型的仿真和新的芯模的生成。

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