陳智淵,石 鑫

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

當前，隨著CAD/CAPP技術(shù)的深入應(yīng)用以及應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，特別是在計算機輔助的機械制造加工領(lǐng)域的運用，極大地加速了機械加工過程自動化的進程，促進了三維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)計與工藝設(shè)計的可行性[1-2]。雖然CAD/CAPP技術(shù)擁有上述諸多優(yōu)點，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，在計算機輔助車削自動加工系統(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行，是整個自動加工系統(tǒng)能否正常運行的關(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)體的幾何信息進行轉(zhuǎn)換，以確認轉(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

本系統(tǒng)采用文本格式（.txt）進行數(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，包含全部的拓撲信息和幾何信息。根據(jù)回轉(zhuǎn)體零件工程圖信息進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Z值為相對坐標下X坐標值，X值為相對坐標下Y坐標值）。

（1）零件圖點數(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

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

（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，刀位點計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，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)將讀取的圖素數(shù)據(jù)保存在VC++的動態(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）直線段用起止點坐標表示；

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）弧線段用起止點坐標和拱度表示。

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丟失信息。經(jīng)這樣簡化后的零件具有以下特點：零件圖是由外輪廓線繞母線旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，是一個封閉的單連域；零件圖是一個二維截面圖；各幾何圖素都是由直線、弧線組成，且每個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行數(shù)據(jù)讀取。

3 圖形構(gòu)造算法

在進行回轉(zhuǎn)體零件的構(gòu)造時，實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所決定的[4]。構(gòu)造旋轉(zhuǎn)曲面時，需要使用到旋轉(zhuǎn)成形算法，包含兩個步驟。

（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點，并把所有分割點坐標按次序存入所設(shè)置的3個二維數(shù)組x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]的過程。程序中橫向分割點的個數(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，與此同時數(shù)據(jù)的計算量也會相應(yīng)增大。

（2）縱向切割。

縱向切割要對橫向切割形成的全部點進行三維回轉(zhuǎn)操作，還需對每點的圓周軌跡進行插值點的坐標計算。插值點數(shù)就是密度值大小，這就是說，縱向插值點數(shù)越多，分割越細，所生成真實感圖形橫截面越圓滑，但數(shù)據(jù)的計算量也相應(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點數(shù)組x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]，進行縱向切割計算時，假設(shè)繞x軸作圓周回轉(zhuǎn)操作，要計算圓周軌跡上的n個點的坐標，設(shè)回轉(zhuǎn)步長t為2π/n，可得回轉(zhuǎn)變換矩陣T：

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

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。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主要實現(xiàn)功能如下：窗口初始化、回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)造型、坐標變換、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)體零件的三維實體，如圖5所示；另外，通過設(shè)置材質(zhì)與光照，就可更為準確模擬真實的外部光照效果，實現(xiàn)該回轉(zhuǎn)體在計算機輔助應(yīng)用中的真實感效果，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，目前已在本校工訓實踐中得到了有效應(yīng)用。

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