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计算机辅助设计 计算机辅助设计 ComputerAidedDesign CAD 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 CAD 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 1989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 CAD 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 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 曲线曲面实体参数化特征新的几何建模方法 OPENGL图形交换标准 CAD系统集成化 CAECAPPCAMPDM CIMS CE ERPCAD热点 网络化CAD系统 系统构成 模型压缩智能化CAD系统逆向工程 参考文献 朱心雄 自由曲线曲面造型技术 科学出版社施法中 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童秉枢 现代CAD技术 清华大学出版社唐荣锡 CAD CAM技术 北航出版社蔡青等 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范玉青 现代飞机制造技术 北航出版 CAD硬件 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 图形处理器图形输出设备图形输入设备构成 CAD软件系统 光栅图形学 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 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 几何变换窗口区到视图区的坐标变换二维图形的几何变换三维几何变换图形的投影变换 CAD软件系统 几何造型技术 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 在几何造型系统中 描述物体的三维模型有三种线框模型表面模型实体模型 数字建模 模型表示方法 线框模型表面模型 注重几何描述 曲面 实体模型 注重几何体之间的拓扑关系 边界表示 Brep 构造几何表示 CSG 数字建模 数字建模 即如何构造 计算几何外形 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 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 曲面造型技术 参数曲线曲面描述 曲线参数三次样条Bezier曲线B样条曲线NURBS 非均匀有理B样条曲线曲面Ferguson曲面Coons曲面Bezier曲面B样条曲面NURBS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 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 修改控制顶点 微分几何特性权因子 重节点 重顶点裁减 Trim 过渡 Blend 布尔操作 Bool 切矢的修改 CAGD目前的研究热点 计算机辅助几何设计 CAGD 曲面造型新方法曲面转换复杂形体建模约束求解 曲面造型新方法 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 修改不方便设计方法有扫掠法 Sweeping 蒙皮法 Skinning 放样 Lofting 法和旋转法 修改时调整生成曲线形状来改变曲面形状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 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 MinimalEnergy 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 约束条件 型值点 切矢 法矢 几何连续性等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 细分极限曲面 Geri sGame 基于形状混合的曲面造型技术 ShapeBlending ShapeInterpolation ShapeAveraging ShapeTransition ShapeEvolving Morphing Metamorphosis 其它曲面造型技术 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 国外高端中低端国内 综合型 三维实体特征参数化造型 CATIA IBM和Dassault达索系统公司Pro Engineer PTCUG EDS 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 SOLIDEDGE EDSSOLIDWORKS IBM和DassaultInventor 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 solidedge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 反求软件 大型软件中的一个模块Surfacer Imageware EDS 平面变立体立体浮雕CAD CAM系统ARTCAM 英国DELCAM公司二维视图建三维实体MicroCADAM Helix CSC公司 CADAM 国内 CAXA 二维 三维 中科院凯思博宏PICAD 二维 广东高华 二维 北航和广州红地的金银花 ACIS平台 主流的几何平台 ACIS SpatialParasolid UGSGraniteone PTCCAA CatiaShapemanager Autodesk CAD软件系统 真实感图形学 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 应用程序员接口API GKS PHIGS OPENGL语言连接规范计算机图形接口的标准化 设备无关图形数据交换标准 IGES STEP CAD CAM技术的作用 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组织平行作业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组织迅速有效的发图更改 进行产品的性能仿真提前进行产品的外观造型设计 CAD CAM软件产业特点 高投入 高效益 高风险注意 全盘吸收已有的软件开发成果把握时机不断创新发挥优势 独树一帜注意技术积累形成巩固的技术和经营核心 CAD软件发展 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 三维图形工程绘图系统 可交互绘制各种工程图纸模仿技术人员的手工设计 效率低 不直观几何造型系统 三维几何造型向集成化 特征造型和参数化发展产品模型系统支持产品生命周期统一的数据模型 从二维绘图到三维建模 从零件设计到产品设计 从建物理样机到电子虚拟样机 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 CAD和CAM系统的集成化 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 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 3 CAX的集成 发展趋势 CAD系统的智能化 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 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 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 在CAD系统中引进人工智能 ArtificialIntelligeuce 技术专家系统 ExpertSystem 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 CAD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 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 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 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 4 提供远距离的数据通信介质 CAD硬件 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 图形处理器图形输出设备输入设备构成 CAD硬件系统 工作站和个人计算机图形显示器图形处理器图形输入设备图形输出设备 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 绝大多数是基于阴极射线管 CRTCathode RayTube 的监视器存储管式显示器 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 光栅扫描显示系统特点 光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期 绘图过程 分辨率 显示质量和存储数据量屏幕分辨率 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 图像分辨率 象素分辨率 象素点的宽度与长度的比例点间距 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 17英寸 显示区域 12 901x9 675对角线16 125英寸 分辨率1024x768点间距 dp 水平 12 901 1024 x25 4mm 0 32mmdp 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 图形输入设备 键盘鼠标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 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 光笔是一种检测光的装置 它直接在屏幕上操作 拾取位置 在线虚拟现实 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 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 三维扫描仪 三维扫描仪 测量机 分类 接触式三坐标测量机 CMMcoordinatemeasuremachine 机械手非接触式光学测量声学测量磁学测量破坏式 自动断层扫描 接触式测量机 工作方式 点触发 连续或间断式数据采集特点 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缺点 由于测头的限制 可能丢失某些测头不可到达的细节数据不能测量软材料测量速度受到机构运动的限制 CMM 意大利COORD3公司半桥式CMM测量机 龙门式CMM 机械手式测