计算机辅助设计(概论及硬件).ppt

计算机辅助设计 曾建江 计算机辅助设计 nComputer Aided Design （CAD） n使用计算机帮助人们进行产品和工程设计 领域中的各项工作 n设计人员通过人一机交互操作的方式进行 产品设计构思和论证，产品总体设计，技 术设计，零部件设计，有关零件的强度、 刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工 信息(工程图纸或数控加工信息等)的输出， 以及技术文档和有关技术报告的编制。 nCAD/CAM技术是一项综合性的高新技术， 该技术的应用和发展，已引起一场深刻的 产品设计与制造的技术革命，对产品结构 、产业结构、管理结构、生产方式以及人 才知识结构等产生重大的影响。 n1989年，美国国家工程科学院将CAD/CAM 技术评为当代十项最杰出的工程技术成就 之一 n伴随着计算机技术和计算机图形学技术的 发展而迅速发展起来的 nCAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造 行为，而只是实现这些行为的先进手段或 工具。 n人们设计和制造行为，则由专业技术人员 的创造能力和工作经验，以及现代设计方 法等所提供的科学思维方法和实施办法来 确定。 CAD系统软件结构 专业CAD系统 通用CAD系统 图形语言连接 API：GKS/PHIGS/GL CGI 设备相关服务 操作系统通信接口 非图形设备图形工作站图形设备 GKS元文件 图形元文件CGM IGES/ STEP 其他 系统 内部 数据库 外部 数据库 内容 CAD硬件 CAD软件系统： 光栅图形学 图形变换 几何造型技术 真实感图形学 图形标准 n曲线曲面 n实体 n参数化 n特征 n新的几何建模 方法 nOPENGL n图形交换标准 nCAD系统集成化： nCAE nCAPP nCAM nPDM、CIMS、CE、ERP nCAD热点： n网络化CAD系统：系统构成、模型压缩 n智能化CAD系统 n逆向工程 参考文献 n朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版 社 n施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B 样条，北京航空航天大学出版社 n童秉枢，现代CAD技术，清华大学出版社 n唐荣锡，CAD/CAM技术，北航出版社 n蔡青等， CAD/CAM系统的可视化、集成化、 智能化、网络化，西北工业大学出版社 n范玉青，现代飞机制造技术，北航出版 CAD硬件 n高质量的计算机图形离不开高性能的计算 机图形硬件设备。一个图形系统包括： n图形处理器 n图形输出设备 n图形输入设备构成。 CAD软件系统：光栅图形学 n光栅显示器上显示的图形，称之为光栅图 形。光栅显示器象素个数是有限的，象素 的颜色和灰度等级也是有限的，象素是有 大小的，所以光栅图形只是近似的实际图 形。 n如何使光栅图形最完美地逼近实际图形， 便是光栅图形学要研究的内容。 CAD软件系统：图形变换 n几何变换 n窗口区到视图区的坐标变换 n二维图形的几何变换 n三维几何变换 n图形的投影变换 CAD软件系统：几何造型技术 n几何造型技术是一种研究在计算机中，如 何表达物体模型形状的技术。 n在几何造型系统中，描述物体的三维模型 有三种 n线框模型 n表面模型 n实体模型。 数字建模模型表示方法 n线框模型 n表面模型（注重几何描述，曲面） n实体模型 （注重几何体之间的拓扑关系） o边界表示（Brep） o构造几何表示（CSG） 数字建模 n数字建模，即如何构造、计算几何外形 ； n形状分析，包括曲面的奇性分析、凸性分析 、基于有限元的曲线曲面工程可用性分析等； n形状修正与变形，即在形状分析的基础上修 改模型，直至满足设计者的意图。 数字建模 曲 面 造 型 技 术 曲面造型技术的研究领域包括 曲面求交 曲面拼接 曲面变形 曲面重建 曲面简化 曲面转换 曲面位差 曲面表示 曲 面 造 型 技 术 在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包括以下几类： 参数曲面造型技术 隐式曲面造型技术 细分曲面造型技术 变形曲面造型技术 基于形状混合的曲面造型技术 其它曲面造型技术 曲面造型技术:参数曲线曲面描述 n曲线 o参数三次样条 oBezier曲线 oB样条曲线 oNURBS非均匀有理B样条曲线 n曲面 oFerguson曲面 oCoons曲面 oBezier曲面 oB样条曲面 oNURBS曲面 NURBS曲面（90个） 具有几何运算下的封闭性 ； 定义了一个半空间，将空间分为 ： 曲面的内侧 曲面的外侧 曲面之上 用于计算机动画中，如人体的肌肉、水滴、云、烟 等物体的造型和表现 曲面造型技术: 隐式曲面造型技术 形状修改 n修改控制顶点、微分几何特性 n权因子、重节点、重顶点 n裁减（Trim） n过过渡（Blend） n布尔操作（Bool） 切矢的修改 CAGD目前的研究热点 n计算机辅助几何设计（CAGD） n曲面造型新方法 n曲面转换 n复杂形体建模 n约束求解 曲面造型新方法 n传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或 权因子来局部改变曲面形状 ，修改不方便 n设计方法有扫掠法(Sweeping)，蒙皮法 (Skinning)，放样(Lofting)法和旋转法， n修改时调整生成曲线形状来改变曲面形状 n现有造型手段过于简单、不便用户使用， 难以实现曲面的有效修改 变形曲面造型技术 1986, Sederberg和Parry: 自由变形(Free-Form Deformation,FFD) ; 1990, Coquillart: 广义FFD方法(Extended Free-Form Deformation,EFFD); 1992, Hsu等:直接操纵物体变形的方法(Direct Manipulation of Free-Form Deformation,DFFD); 1982, Barr: 拉伸、均匀张缩、扭转和弯曲等变形的数学表示（非 自由变形） ; B样条表示的变形造型; RFFD;轴变形方法(Axial Deformation)等. 变形造型：假定物体有很好的弹性，在外力（拉 深、 压缩、扭转、弯曲）的作用下，要发生变形 自由变形法 能量优化法（Minimal Energy） n以曲线曲面拥有最小物理变形能为目标， 运用各种约束及施加外载荷的方式控制曲 线曲面造型方法 n首先要解决的是确定优化过程的目标函数 （从物理变形能、从几何性质出发） n约束条件：型值点、切矢、法矢、几何连 续性等 n数学规划法求解优化结果 细分曲面 2 M 3 M 0 M 1 M s 初始控制网格 网格序列 的极限 k M 初始网格 几何规则 拓扑规则 细分极限曲面 Geris Game v 基于形状混合的曲面造型技术 Shape Blending、Shape Interpolation、Shape Averaging、 Shape Transition、Shape Evolving、Morphing/Metamorphosis AB 根据处理对象不同，形状混合技术的研究主要有以下几个方面: 二维曲线或多边形的形状混合技术； 二维图象混合方法和基于体素的三维物体混合方法； 三维曲面的形状混合技术 v 其它曲面造型技术 PDE曲面、 能量优化、 流曲线曲面造型技术； 散乱点曲面拟合造型方法、蒙皮(Skinning)造型技术、广义 Sweeping造型技术、基于变分原理的造型技术、分形造型技 术、小波曲线曲面的造型方法等 当今CAD/CAM软件 n国外 n高端 n中低端 n国内 综合型:三维实体特征参数化造型 nCATIA IBM和Dassault达索系统公司 nPro/EngineerPTC nUGEDS 功能全：曲面、实体三维设计、装配、CAM、工程图绘制 、工程分析等， 包含专业设计模块如：钣金设计、模具设计、管道设计、 曲面反求 从设计、分析到制造，贯穿整个产品生命周期 中档 nSOLID EDGEEDS nSOLID WORKSIBM和Dassault nInventor（MDT） Autodesk 功能少：一般有三维实体设计、装配、仿真、高级渲 染、工程绘图 但一般没有CAM、曲面造型、有限元分析 模块少：solid edge有钣金设计、管道设计、焊接设 计模块 用户界面友好、易操作、价格低 专业型 n反求软件，大型软件中的一个模块 nSurfacerImageware(EDS) n平面变立体 立体浮雕CAD/CAM系统 nARTCAM英国DELCAM公司 n二维视图建三维实体 nMicroCADAM / HelixCSC公司 （CADAM ） 国内 nCAXA（二维、三维） n中科院凯思博宏PICAD（二维） n广东高华（二维） n北航和广州红地的金银花（ACIS平台） 主流的几何平台 nACIS Spatial nParasolid UGS nGranite one PTC nCAA Catia nShape manager Autodesk CAD软件系统：真实感图形学 n真实感图形学是计算机图形学中的一个重 要组成部分，它的基本要求就是在计算机 中生成三维场景的真实感图形（或图象） 。随着计算机图形学和计算机技术的发展 ，真实感图形学在我们的日常工作、学习 和生活中已经有了非常广泛的应用。计算 机辅助、多媒体教育、虚拟现实系统、科 学计算可视化、动画制作、电影特技模拟 、计算机游戏等许多方面，真实感图形学 都发挥了重要的作用 CAD软件系统：图形标准 n应用程序员接口API：GKS，PHIGS， OPENGL n语言连接规范 n计算机图形接口的标准化：设备无关 n图形数据交换标准：IGES、STEP CAD/CAM技术的作用 n建立一个产品的CAD系统，即建立一种新 的设计和生产技术管理体制 n组织平行作业 n产品设计阶段用三维几何模型模拟零件、 部件、设备的装配和安装，及早发现结构 布局和系统安装的空间安干涉 n组织迅速有效的发图更改。 n进行产品的性能仿真 n提前进行产品的外观造型设计 CAD/CAM软件产业特点 n高投入、高效益、高风险 n注意： n全盘吸收已有的软件开发成果 n把握时机不断创新 n发挥优势，独树一帜 n注意技术积累 n形成巩固的技术和经营核心 CAD软件发展 n计算机图形系统：用来绘制或显示直线、 圆弧或曲线组成的二、三维图形 n工程绘图系统：可交互绘制各种工程图纸 n模仿技术人员的手工设计，效率低，不直观 n几何造型系统：三维几何造型 n向集成化、特征造型和参数化发展 n产品模型系统 n支持产品生命周期统一的数据模型 n从二维绘图到三维建模； n从零件设计到产品设计； n从建物理样机到电子虚拟样机； n从工程分析到产品优化以及串行作业到并 行工程的过程。 CAD技术的发展趋势 nCAD和CAM系统的集成化 n(1) 提高CAD系统的集成度，即要求在整 个产品设计过程中的各个阶段，每一设计 步骤都能有效地使用CAD技术，这就要求 一个CAD系统(硬件和软件)的功能要齐全， 软件集成度要高； n(2) CAD和CAM集成，即要求设计信息能 自动地转换成CAM系统的信息； n（3）CAX的集成。 发展趋势 ：CAD系统的智能化 n产品设的过程是一个复杂的综合、分析和反复修 改的过程，设计人员只有具备多学科的专门知识 与丰富的经验才能得到一个较佳的设计结果。 n产品设计是一项创造性的活动，设计过程中很多 工作是非数据计算性的，不是以数学公式为核心 的，而是通过反复思考、推理和判断来解决的 n目前以分析计算和图形为核心的CAD系统是不能 解决上述问题的。对于同一设计对象，由于设计 人员的不同，可能设计出不同的结果，即设计结 果与设计者的经验和掌握专业知识的程度有关。 n特别是在概念设计和构思及评价阶段，专 家在该领域的经验十分重要，而在这一阶 段还没有条件采用仿真技术来处理。 n在CAD系统中引进人工智能(Artificial Intelligeuce)技术 n专家系统(Expert System)是将人工智能技 术首先引入产品设计领域的。 （1）专家系统 发展趋势 ：CAD软件的标准化 nCAD软件的标准化，其实是指图形软件的 标准。图形标准是一组由基本图素(点、线 和面)与图形属性(线型和颜色等)构成的通 用标准图形系统。当应用程序调用这些图 形标准子程序时即可生成图形和图像，并 通过交互显示设备实现图形的输入和输出 发展趋势 ：CAD系统的网络化 n(1) 共享网络资源。在网络内的各台计算机可以 共享程序和数据及其他资源。 n(2) 平衡负载。当在网络上的某台计算机工作特 别繁重时，可把一部分工作分配到其他计算机去 完成，特别是要处理复杂计算或图形时，可把这 些任务交给具有高速计算能力和处理图形能力强 的计算机。 n(3) 提高系统的性能价格比。在网络系统中可用 一些小型机、工作站和微机来代替价格昂贵的大 型计算机，它们共同完成要在大型机上处理的工 作任务。 n(4) 提供远距离的数据通信介质。 CAD硬件 n高质量的计算机图形离不开高性能的计算 机图形硬件设备。一个图形系统包括： n图形处理器 n图形输出设备 n输入设备构成。 CAD硬件系统 n工作站和个人计算机 n图形显示器 n图形处理器 n图形输入设备 n图形输出设备 图形显示设备的发展： 画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 存储管式显示器 刷新式光栅扫描显示器 图形显示设备 n绝大多数是基于阴极射线管(CRT Cathode Ray Tube)的监视器 n存储管式显示器，随机扫描显示器(又称矢 量显示器)，但是这些显示器的缺点是很明 显的，图形表现能力也很弱 n光栅扫描显示器是图形显示技术走向成熟 的一个标志 光栅扫描的显示系统 n光栅扫描显示系统 n特点：光栅扫描 n扫描线 n帧 n水平回扫期 n垂直回扫期 n绘图过程 n分辨率：显示质量和存储数据量 n屏幕分辨率：屏幕最大区域内水平扫描线数 和每线上的点数（垂直象素数） n图像分辨率： n象素分辨率：象素点的宽度与长度的比例 n点间距：用毫米度量的一个象素点中心到下 一个象素点中心的距离 n17英寸，显示区域：12.901 x 9.675 对角线16.125英寸，分辨率1024 x 768 n点间距： ndp水平 =(12.901/1024)x25.4mm=0.32mm ndp垂直=(9.675/768)x25.4mm=0.32mm 柱面、球面点距定义示意图 带宽T与分辨率、帧频F的关系 带宽刷新率x分辨率/0.744 带宽问题 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 -依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流 显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：=2*帧频 彩显：彩显： 图形输入设备 n键盘 n鼠标 n跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受 到的推或拉的压力来实现定位和选择。 n数据手套则是通过传感器和天线来获得和 发送手指的位置和方向的信息。 n光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕 上操作，拾取位置。 n在线虚拟现实 n数字化仪是一种把图形转变成计算机能接 收的数字形式专用设备，其基本工作原理 是采用电磁感应技术。 n图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计 算机中以象素信息进行存储的设备。 n三维扫描仪 三维扫描仪(测量机)分类 n接触式 n三坐标测量机（CMM coordinate measure machine） n机械手 n非接触式 n光学测量 n声学测量 n磁学测量 n破坏式自动断层扫描 接触式测量机 n工作方式：点触发，连续或间断式数据采 集 n特点：不受物体表面颜色及光照的限制， 对物体边界也能产生准确的测量结果 n缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测 头不可