計(jì)算機(jī)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)論文計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的 柵格形式的科學(xué)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）在數(shù)據(jù)處理詞典中 對(duì)它下的定義是：“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在 專(zhuān)用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科”。具體來(lái)說(shuō)就是把描述圖形所必 須的信息一一數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，呈現(xiàn)在顯示設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的內(nèi)容是：幾何元素和圖形的生成方法，幾何變換，圖形 （填 充、裁剪、消隱等）算法，圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，幾何造型以及圖形軟件的設(shè)計(jì)方法等。 圖形主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于線(xiàn)條信息表示的，如

2、工程圖、等高線(xiàn)地圖、曲 面的線(xiàn)框圖等，另一類(lèi)是明暗圖，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。圖形學(xué)把可 以表示幾何場(chǎng)景的曲線(xiàn)、曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究?jī)?nèi)容。 與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)同時(shí)發(fā)展起來(lái)的還有圖像處理和模式識(shí)別。它們也是研究圖形， 但研究的重點(diǎn)不同。圖像處理是研究圖形的縮放、旋轉(zhuǎn)、變換、壓縮、存儲(chǔ)等 處理過(guò)程，而模式識(shí)別主要是研究如何從圖像中識(shí)別出所代表的對(duì)象。它們和 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)系如圖1所示。這三者之間的關(guān)系越來(lái)越密切，共同構(gòu)成了 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)。機(jī)械設(shè)計(jì)離不開(kāi)圖形，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，1958年繪圖機(jī)的出現(xiàn)， 突破了手工繪圖模式，人們第一次看到了機(jī)器繪圖，盡管繪圖速度不高，圖

3、形 也簡(jiǎn)單，但畢竟是用機(jī)器代替了手工，使繪圖向自動(dòng)化方向邁出了關(guān)鍵的一步。 這種繪圖方式解決了簡(jiǎn)單圖形的復(fù)制與保存，使工廠(chǎng)在描圖、曬圖以及圖紙保 管方面的工作變得簡(jiǎn)單、容易。所以它在提高質(zhì)量、縮短周期、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、 提高生產(chǎn)率等方面都起到很大作用。1962年出現(xiàn)了交互式繪圖，速度提高了， 實(shí)用性也更大；20世紀(jì)80年代以后，圖形軟件進(jìn)一步發(fā)展完善，從而更加滿(mǎn) 足人們的需求?？v觀CADS形支撐軟件的發(fā)展，大體可以分四個(gè)階段，即計(jì)算 機(jī)繪圖系統(tǒng)；交互式二維繪圖系統(tǒng)；幾何造型系統(tǒng) （三維造型系統(tǒng)，包括線(xiàn)框造 型，曲面造型和三維造型等）；以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的CAI/CAML體化系統(tǒng)（它在形 體表示、特征

4、造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)、集成化等方面有新的突破 ）。二、在CAD/CA激域的應(yīng)用CAD/CA睡計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，在機(jī)械制 造領(lǐng)域內(nèi)也有廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)， 包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車(chē)、船舶的外形和發(fā)電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等的布局以及電子線(xiàn)路、 電子器件等。圖形技術(shù)不僅著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，而且 在圖形中有錯(cuò)誤時(shí)計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)判斷，設(shè)計(jì)過(guò)程中的某個(gè)局部修改會(huì)與其相 關(guān)部分協(xié)調(diào)自動(dòng)修改(包括算式，數(shù)據(jù)和圖形)，而運(yùn)動(dòng)的部分會(huì)自動(dòng)判斷是否 發(fā)生干涉或碰撞。然而更常用的是對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn) 行人-機(jī)交互設(shè)計(jì)和修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)的

5、迭代設(shè)計(jì)，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、 材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼。在飛機(jī)工業(yè)中，美國(guó)波音飛 機(jī)公司已用有關(guān)的CA而統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛 機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)控加工大大地提高了加工精度和加工 效率，同時(shí)也大大降低了加工成本。在數(shù)控加工圖形仿真驗(yàn)證中，傳統(tǒng)的圖像 空間離散方法提供的觀察分析手段較少，限制了它的應(yīng)用；而物體空間方法計(jì) 算量大，不具有實(shí)時(shí)性。在基本圖像空間離散法的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法作 了改進(jìn)的方法，一方面不會(huì)失去仿真實(shí)時(shí)性，另一方面為用戶(hù)提供了更多且方 便有效的分析觀察手段，且具有物體空間方法

6、的優(yōu)點(diǎn)。使用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)控加工，對(duì) NC程序的運(yùn)行進(jìn)行圖形仿真，以此檢驗(yàn) NC 程序和加工方法的正確性，是一個(gè)非常有益的嘗試。但是，仿真技術(shù)涉及大量 的計(jì)算，效率低、耗時(shí)多，不能用于實(shí)際生產(chǎn)中。離散的方法能使計(jì)算量大大 降低，在物體空間離散毛坯和刀具能獲得毛坯切削后的精確表示，有利于對(duì)切 削結(jié)果進(jìn)行有效的觀察分析，更適用于 NCS序的馬證；Van Hook采用圖像空 間離散法實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖形仿真，他使用 Zbuffer消隱思想，將實(shí)體 按圖像空間的像素(pixel)離散，將計(jì)算簡(jiǎn)化為視線(xiàn)方向上的一維布爾運(yùn)算，較 好地解決了實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。但是，傳統(tǒng)的圖像空間離散方法不能提供有效方便 的觀

7、察分析手段，限制了它的應(yīng)用。根據(jù) Van Hook圖像空間法的思想，對(duì)數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)和算法作了改進(jìn)，使得在不失去仿真實(shí)時(shí)性的前提下，為用戶(hù)提供了更多、 更方便有效的分析觀察手段，而這些手段原本具有物體空間方法的特點(diǎn)。三、在模具生產(chǎn)方面的應(yīng)用模具CAD/CA睡計(jì)算機(jī)圖形削在模具生產(chǎn)方面應(yīng)用的最廣泛、最活躍的領(lǐng) 域。從航天器、飛機(jī)、造船、汽車(chē)、機(jī)械、電子甚至建筑、服裝等，幾乎遍及 各行各業(yè)所有模具。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展引起了模具生產(chǎn)方式革命性變化。利 用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生成型物體隨時(shí)間、壓力、溫度等外部條件變化而產(chǎn)生的圖形，以 研究塑流、縮脹、溫度和壓力的分布及結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的變形，可以在制模前研 究模具設(shè)計(jì)的優(yōu)

8、劣。利用計(jì)算機(jī)不但提供了逼真場(chǎng)景畫(huà)面和可靠數(shù)據(jù)，而且為 這些數(shù)據(jù)提供了真正安全、迅速而廉價(jià)的條件。對(duì)各種成型過(guò)程的監(jiān)視與生產(chǎn)控制。模具制造中各種 CNCM DNCS適應(yīng)機(jī) 床的加工過(guò)程的監(jiān)視與控制等，現(xiàn)在正在努力采用圖形實(shí)時(shí)顯示與控制。采用 計(jì)算機(jī)輸出各種圖表、餅圖、工作進(jìn)程圖、倉(cāng)庫(kù)及生產(chǎn)管理的各類(lèi)統(tǒng)計(jì)圖、變 化趨勢(shì)圖等?？梢栽黾訌?fù)雜現(xiàn)象的直觀理解，使人一目了然，以便迅速做出決 策?？傊?jì)算機(jī)圖形學(xué)在模具生產(chǎn)方面的應(yīng)用具有非常廣闊的前景。四、在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用仿真的目的是以色調(diào)圖的形式將加工過(guò)程模擬出來(lái)，并不追求圖形的真實(shí) 感效果。所以，忽略光照模型，以減化顏色值的計(jì)算，這種忽略大大有助于產(chǎn)

9、生實(shí)時(shí)效果，且在圖形效果方面并未有大的影響。為更好觀察仿真效果，對(duì)刀 具、夾具、毛坯及毛坯上切削新產(chǎn)生的表面都定義不同的顏色；考慮到刀具可 能切削夾具的情況，也需定義一種顏色。同時(shí)，每種顏色也須有一定數(shù)量的灰 度級(jí)。因?yàn)榉抡娴哪康脑谟诎l(fā)現(xiàn)加工程序的錯(cuò)誤和干涉情況，所以，發(fā)生干涉的 情況應(yīng)優(yōu)先表示出來(lái)，不能被忽略。加工毛坯的切削表面是用戶(hù)觀察的重點(diǎn)， 也應(yīng)優(yōu)先顯示。刀具尺寸往往遠(yuǎn)小于毛坯的尺寸，它應(yīng)該比毛坯優(yōu)先顯示。上述的這種基于圖像空間離散法的仿真方法，在仿真的過(guò)程中，可以得到 每一步切削的實(shí)體描述，它允許用戶(hù)從反方向觀察毛坯的情況和切削過(guò)程；或 者一開(kāi)始用戶(hù)就可選擇多窗口的觀察方式；也允許剖

10、切和縮放的觀察方法，這 種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的實(shí)時(shí)性非常高，顯示處理時(shí)間只受到硬件及其驅(qū)動(dòng) 程序限制。同時(shí)，經(jīng)過(guò)算法上的改進(jìn)，它能較精確地確定毛坯上某一點(diǎn)的值， 給用戶(hù)提供了驗(yàn)證加工誤差的能力。當(dāng)離散的精度較高時(shí)，測(cè)量值是非常精確 的，可以作為實(shí)際驗(yàn)證。五、真實(shí)感圖形技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用真實(shí)感圖形技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中極具挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義的研究課題。利 用計(jì)算機(jī)繪制真實(shí)感圖形具有很大的實(shí)用價(jià)值。隨著人們生活水平及審美情趣 的提高，在保證內(nèi)在質(zhì)量的前提下，對(duì)大到飛機(jī)、汽車(chē)、家用電器，小到臺(tái)燈、 筆具等產(chǎn)品外觀造型的美感愈發(fā)重視。產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在某種程度上已演變 為外觀造型美感的競(jìng)爭(zhēng)。在產(chǎn)品的外

11、形設(shè)計(jì)中，采用真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)可 以替代傳統(tǒng)的模型制作，直接在計(jì)算機(jī)上從多角度觀察產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)效果， 不滿(mǎn)意時(shí)還可方便地在屏幕上交互式地修改。光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，為顯示真實(shí)感圖提供了可能，加上圖形技術(shù)各種 算法相繼完成(如填充、裁剪、消隱、光照等)，改變了圖形“露骨”的狀況。 現(xiàn)在對(duì)三維物體除顯示不同顏色外，還可以顯示不同的材質(zhì)、紋理、光照、視 點(diǎn)等，使三維物體更接近真實(shí)。光柵圖形技術(shù)的基本思想是，將顯示屏幕劃分為像素 (pixel)陣列，通過(guò)對(duì) 屏幕上不同區(qū)域或像素填以不同的色彩或亮度來(lái)逼近真實(shí)的圖像或圖形。要生 成一幅真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形，需要根據(jù)光源的位置及分布、物體的形狀和朝向、 表面材料的性質(zhì)，計(jì)算畫(huà)面中每一點(diǎn)的光強(qiáng)(intensity of light)。真實(shí)感圖 形的生成通常包括下述步驟：1、場(chǎng)景造型，即用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的 幾何描述，并將它們輸入計(jì)算機(jī)。2、模擬光能在場(chǎng)景中的傳播和分布，包括光 線(xiàn)在景物間的吸收、反射、折射等過(guò)程。3、根據(jù)一定的光照模型計(jì)算畫(huà)面上每 一點(diǎn)投射到觀察者眼中的光強(qiáng)值色彩分量，并將其轉(zhuǎn)換成適合于顯示器的顏色 值。將計(jì)算所得畫(huà)面顯示在圖像屏幕上。總之，幾百年來(lái)經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的研究與發(fā)展、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)現(xiàn)