肖任賢 張軍艦 馮浩 潘海鵬

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院機電工程學院，江西景德鎮(zhèn)333403）

0 引言

目前，機器人施釉已經(jīng)在陶瓷領域有所應用，然而，在施釉作業(yè)中，施釉機器人噴槍運動軌跡的生產(chǎn)一直是制約施釉機器人廣泛應用的瓶頸。為了生成施釉機器人的噴槍軌跡，我們提出了基于STL模型生成施釉機器人噴槍軌跡的方法，使得離線編程系統(tǒng)可以有效利用各種數(shù)據(jù)格式的工件CAD模型規(guī)劃施釉機器人的噴槍軌跡。本文先對STL模型進行讀取、顯示，在此基礎上通過調(diào)用OpenGL平移、旋轉(zhuǎn)函數(shù)對已讀出的STL模型進行校正，較直接對其進行坐標平移、旋轉(zhuǎn)變換省去了繁瑣的矩陣運算，提高了效率，便于對STL模型進行切片，使施釉機器人的離線編程系統(tǒng)能根據(jù)工件模型生成正確的噴槍軌跡。

STL文件是若干個空間小三角形面片的集合，它是通過三維實體模型的三角網(wǎng)格化獲得的。每個三角形面片由三角形三個頂點坐標(xi,yi,zi)(其中i=1, 2,3)和其指向模型外部的法向量{n1,n2,n3}組成；其法向量{n1,n2,n3}與三角形三個頂點（xi,yi,zi）滿足右手定則：即右手環(huán)握三角形，四指指向三角形頂點的排序方向，則拇指所指方向即為該三角形面片的法矢量方向。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲方式的不同，STL文件可分為ASCII碼和二進制碼兩種存儲方式。與ASCII格式文件相比，二進制文件要小得多，大約是ASCII格式文件的1/5，兼于ASCII格式文件可以讀取，便于測試，故選用其作為可視化的研究對象。

為了能夠正確地讀取STL模型的原始數(shù)據(jù)，更好地利用OpenGL技術(shù)將三維圖形顯示出來，并實現(xiàn)對其操作，我們在充分了解STL文件的基礎上，還必須理解它的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，ASCII碼格式的STL文件是逐行給出三角形面片的幾何信息的，其每一行都以一些關鍵字開頭。一般地，一個ASCII碼形式的STL文件格式如下所示：

OpenGL是一個功能非常強大的三維圖形應用程序編程接口（Applicantion Program Interfer,API），它是以美國SGI公司的IRIS GL三維圖形庫為基礎制定的一個通用的開放的三維圖形標準。其包括超過700個函數(shù)，這些函數(shù)可以用于指定物體和操作，用于創(chuàng)建交互式的三維應用程序等。

本文以STL格式文件為數(shù)據(jù)源，根據(jù)文件格式以及內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，采用OpenGL作為三維圖形接口，并以VC++標準IO庫的ifstream類型定義對象，并綁定在STL文件上，再利用標準string類型中的get line逐行讀取綁定的STL文件；最后對讀入的數(shù)據(jù)進行是否為頂點信息的判斷，存儲其中的頂點數(shù)據(jù)。再應用OpenGL編程技術(shù)實現(xiàn)對STL格式文件的顯示。

對STL文件的具體讀取算法如下：

Step1.定義一個臨時的三角形T。

Step2.依次讀取上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中一個facet段，將normal和三個vertex分別存于三角形T的法向量和定點中。

Step3.創(chuàng)建一個三角形鏈表l，在l中添加T。

Step4.判斷STL文件是否讀取完，是，則轉(zhuǎn)至Step5，否，則轉(zhuǎn)至Step2。

Step5.讀取結(jié)束。

STL文件在經(jīng)過上述讀取后，要求讀取結(jié)果以三維圖形的形式顯示出來。在OpenGL函數(shù)庫中，提供了豐富的函數(shù)，用于繪制幾何模型，提供了直接渲染三角形面片的函數(shù)glBegin(GL_TRIANGLES)和glEnd()，因而，利用OpenGL實現(xiàn)STL三維模型真實感圖形顯示更具有優(yōu)勢。

部分程序如下：

由CAD模型轉(zhuǎn)換而來的STL模型所包含的坐標系是在CAD系統(tǒng)構(gòu)建模型時設定的（稱其為模型坐標系），在很大程度上有可能和施釉機器人工作臺坐標系（稱其為任務坐標系）不一致。因此需要離線編程系統(tǒng)在讀取STL模型后對其坐標系進行校正，使得模型坐標系與任務坐標系重合，使離線編程系統(tǒng)能根據(jù)坯體模型生成正確的噴槍軌跡。針對坯體來說，要實現(xiàn)STL模型的校正，通常使用的坐標變換為平移和旋轉(zhuǎn)。對待施釉工件幾何模型的變換實際上是以點的變換為基礎的，即對模型對象一系列的頂點進行變換后，用新的頂點來生成變換后的模型。在一些文獻中用的該校正方法，其中要進行大量的矩陣運算，給程序的調(diào)試與運行帶來了一定的困難。然而在OpenGL的平移和旋轉(zhuǎn)函數(shù)中封裝了坐標變換，可直接對其進行調(diào)用，因此省去了繁瑣的矩陣運算，提高了效率。本文即是通過調(diào)用OpenGL的平移和旋轉(zhuǎn)函數(shù)來實現(xiàn)STL模型校正的。

部分程序如下：

根據(jù)用戶設置的平移、旋轉(zhuǎn)參數(shù)，在繪圖虛函數(shù)中調(diào)用平移旋轉(zhuǎn)函數(shù)如下：

4 實例

圖2 S T L模型的平移Fig.2 Translating an STL model

圖3 S T L模型的旋轉(zhuǎn)Fig.3 Rotating an STL model

在對STL文件進行分析的基礎上，利用VC++6. 0，OpenGL編程技術(shù)對STL文件進行可視化驗證。對從ProE5.0中導出的STL文件進行測試，如圖1所示STL文件的讀取與顯示。

在此基礎上可實現(xiàn)對已顯示的STL文件進行定向定量平移與旋轉(zhuǎn)，操作對話框如圖2、圖3所示，分別是對已顯示的STL模型的平移與旋轉(zhuǎn)的對話框，輸入預定的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對STL模型的平移與旋轉(zhuǎn)操作。

從圖2、圖3可見，通過調(diào)用OpenGL平移、旋轉(zhuǎn)函數(shù)更容易實現(xiàn)對STL模型的校正，而且不需要對矩陣考慮矩陣運算和坐標平移程序的編寫。

5 結(jié)論

本文以VC++6.0為數(shù)據(jù)開發(fā)平臺，結(jié)合OpenGL編程技術(shù)實現(xiàn)對STL文件的讀取與顯示功能，并以此為基礎通過調(diào)用OpenGL的平移、旋轉(zhuǎn)函數(shù)對STL模型的校正，使得模型坐標系與任務坐標系重合，為STL模型切片做好準備，使施釉機器人的離線編程系統(tǒng)能根據(jù)STL模型的切片生成正確的噴槍軌跡。

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7閆濤.基于三角網(wǎng)格交互式數(shù)據(jù)分割技術(shù)的研究與實現(xiàn).碩士學位論文,2009屆

8周峰.噴涂機器人噴槍空間軌跡生成研究.碩士學位論文, 2009屆

9孫波.OpenGL編程實例學習教程.北京:北京大學出版社

10孫鵬.Visual C++6.0完全自學手冊.北京:機械工業(yè)出版社