基于CAD/CAPP结构的回转体图形显示处理技术研究

陈智渊,石 鑫

（1.青海师范大学民族师范学院，海南藏族自治州 813000；2.中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，南昌 330024）

当前，随着CAD/CAPP技术的深入应用以及应用领域不断扩大，特别是在计算机辅助的机械制造加工领域的运用，极大地加速了机械加工过程自动化的进程，促进了三维CAD的无缝集成，提高了工艺决策的可靠性与灵活性，保证了零件设计与工艺设计的可行性[1-2]。虽然CAD/CAPP技术拥有上述诸多优点，但是，市面上的各种典型CAD/CAM系统却不具备完善的CAPP功能，这中断了CAD到CAPP的转变进程，不能将CAD处理后的几何信息转化为CAPP所需的基于特征的数据结构而加以利用。

通常，在计算机辅助车削自动加工系统中，基于CAD/CAPP结构的回转体图形文件是系统的主要数据来源，关系到数据传递过程能否顺利进行，是整个自动加工系统能否正常运行的关键环节。为了获得CAPP模块所需的特征信息，就需要对CAD回转体的几何信息进行转换，以确认转换文件的正确性。为此，本文通过OpenGL对转换后的CAPP特征信息进行三维数据重构，绘制三维立体效果图，亦包含其他显示处理内容，以期为CAD/CAM系统集成提供新的技术支持。

1 CAD/CAPP结构设计

本系统采用文本格式（.txt）进行数据的存储。文本格式的数据文件是最终提供给下一模块使用的数据文件，是根据系统统一的文件数据结构建立的，包含全部的拓扑信息和几何信息。根据回转体零件工程图信息进行加工特征的定义和零件特征模型的描述,建立的系统文件数据结构如图1所示。

另外，该文本格式的数据文件包含3种存储格式，即零件图点数表、零件几何关系数表、各几何数据表。具体解释如下（文本格式数据文件解释时Z值为相对坐标下X坐标值，X值为相对坐标下Y坐标值）。

（1）零件图点数表：ppon（nr，2）。

图1 系统文件数据结构Fig.1 System file data structure

表中每一个点（Z,X）代表了某个图素的终止点，对应的面号即为rela()中该图素的指针；共有nr个点数，按照左逆时针从1～nr依次对零件图进行排列。

（2） 零件几何关系数表: rela[np,1]

属性码表示图素的特征：

1—外腔圆柱面，2—外端面，3—外锥面，4—外螺纹面，5—外圆弧面，6—外空刀槽，7—内腔圆柱面，8—内端面，9—内锥面，10—内螺纹面，11—内圆弧面，12—内空刀槽。

指针：图素对应几何数据的指针。

rela()的行号1～np对应各图素的编号。

外、内指将零件图从左到右看作两个部分，外形即是外腔，内形即是内腔。

（3）各几何数据表（以外腔为例）。

外腔圆柱面：OCYLG[ ，3]。

其中，特征值1—外圆柱面；2—内圆柱面。外腔端面：OEDFG[ ，3]。

其中，特征值1—左端面；2—右端面。外腔锥面：OCONG[ ，5]。

其中，特征值1—外腔外锥面；2—外腔内锥面，锥角用弧度度量。

外腔螺纹面 ：OTHRG[，4]。

其中，特征值1—普通螺纹；2—细牙螺纹。

外腔圆弧面： OCURG[，7]。

其中，旋向1—顺旋；2—逆旋。

同理易得，内腔圆柱面ICYLG[ ,3]、内腔端面IEDEG[ ，3]、内腔锥面 ICONG[ ，5]、内腔螺纹 ITHRG[ ，4]以及内腔圆弧面ICURG[ ，7]，各数表结构与对应的外腔图素大体相同，对应数据的存放顺序如图2所示。与之相对应的内腔面存放顺序与图2结构相同。这样，刀位点计算模块或后置处理模块只要按上面的数据结构读取数据即可全部取出输入模块的全部信息。

2 文件数据的读取

通过上述分析，基于特征的零件结构信息主要由对应的特征值和主要属性（如圆心、半径、拱度）构成。针对回转类零件的特点，并依据数据的相互关系及存储顺序，采用循环结构将读取的图素数据保存在VC++的动态数组类（CObArray）中[3]。应用程序读取的数据主要包含3种类型，说明如下：

（1）几何图素的类型都可分为直线或弧线；

（2）直线段用起止点坐标表示；

图2 数据存放顺序Fig.2 Data save order

图3 圆弧纵向切割Fig.3 Arc longitudinal cutting

图4 回转体二维图形Fig.4 Two-dimensional graph of revolving part

（3）弧线段用起止点坐标和拱度表示。

另外，由于车削加工的零件主要是回转体零件，故其沿中心线对称剖面的特征都是相同的，而且剖面上的坐标也是相对中心线对称的。在这样的条件下本系统可将回转体零件视图简化为1/2中心线剖面形式。由这个剖面可以换算出该回转体的全部信息，也就是说采用这样的处理不会丢失信息。经这样简化后的零件具有以下特点：零件图是由外轮廓线绕母线旋转构成，是一个封闭的单连域；零件图是一个二维截面图；各几何图素都是由直线、弧线组成，且每个图素具有特定的工艺特征，如空刀槽对应3条直线段，需要采用上插值的方法进行数据读取。

3 图形构造算法

在进行回转体零件的构造时，实际上就是利用已知的轴线与母线，来构造对应的旋转曲面，这也是基于回转体零件的圆周对称的特点所决定的[4]。构造旋转曲面时，需要使用到旋转成形算法，包含两个步骤。

（1）横向切割。

横向切割是指在已知轮廓线上逐段均匀地分割成若干个点，并把所有分割点坐标按次序存入所设置的3个二维数组x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]的过程。程序中横向分割点的个数即为横向切割密度值，其值越大，则所生成的曲线轮廓就越接近于原图形曲线轮廓，与此同时数据的计算量也会相应增大。

（2）纵向切割。

纵向切割要对横向切割形成的全部点进行三维回转操作，还需对每点的圆周轨迹进行插值点的坐标计算。插值点数就是密度值大小，这就是说，纵向插值点数越多，分割越细，所生成真实感图形横截面越圆滑，但数据的计算量也相应增大。

圆弧纵向切割如图3所示。由横向切割得到母线轮廓的全部坐标点数组x[i，j]，y[i，j]，z[i，j]，进行纵向切割计算时，假设绕x轴作圆周回转操作，要计算圆周轨迹上的n个点的坐标，设回转步长t为2π/n，可得回转变换矩阵T：

设母线上任一点坐标为（x,y,z），则回转后的点坐标为：

其中z=0，至此，就获得了回转体零件全部的三维空间坐标。构造算法对应的程序如下：

4 OpenGL对零件图形的处理

图4为CAD系统输入的回转体二维图形。OpenGL具备绘制三维图形的所有功能，本系统调用OpenGL主要实现功能如下：窗口初始化、回转体旋转造型、坐标变换、光照和材质设置、雾化和纹理贴图等[5]。该应用程序中的各种功能均是通过ActiveX有效实现系统集成的。如通过回转体选择造型即可获得回转体零件的三维实体，如图5所示；另外，通过设置材质与光照，就可更为准确模拟真实的外部光照效果，实现该回转体在计算机辅助应用中的真实感效果，显示处理功能亦包含雾化、纹理贴图等特殊处理效果。

图5 三维造型Fig.5 3D model

5 结束语

本研究通过设计合理的CAD/CAPP回转体零件图形文本结构，采用旋转曲面构造算法，实现了基于母线和外轮廓构造图形零件的目的。结合OpenGL技术完成了对回转体零件的交互式显示处理，涵盖材质与光照设置、雾化以及反走样等功能，这样就为CAD/CAM系统集成技术提供了新的技术支持，目前已在本校工训实践中得到了有效应用。

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