讲CAD及CG技术应用PPT课件.pptx

第14讲CAD及CG技术应用 14 1 简要概述14 2 虚拟现实技术及应用14 3 科学数据可视化14 4 动画及游戏14 5 结构分析及动力学分析 专题介绍 14 6 快速成型前处理14 7 数控自动编程14 8 数字化工厂14 9 CAD CAE CAPP CAM PLM集成14 10 CAD技术应用典型案例分析 1 本章目的 1 了解CAD及CG的工程应用情况2 通过典型案例了解CAD技术及应用 2 14 1 简要概述 CAD技术产生于上世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中 随着计算机技术的发展而迅速成长起来 当前CAD技术广泛应用到航空航天 造船 机械 建筑 电气 电子 轻纺 化工等许多工业领域 CAD在机械制造行业的应用最为广泛 采用CAD技术进行产品设计 可更新传统的设计思想 实现设计自动化 还可以使企业建立全新的技术管理体制 改变原来的串行开发模式 降低产品成本 缩短开发周期 而且世界各大航空航天及汽车等制造业巨头投入大量的人力物力及资金进行CAD CAM软件的开发 以保持自己技术上的领先地位和市场优势 如今 CG技术越来越成熟 其应用范围已延伸到艺术 电影 动画 广告 游戏和其它娱乐等领域 产生了巨大的经济及社会效益 3 CAD在建筑方面的应用 它为建筑设计带来了一场真正的革命 CAD技术应用不仅提高设计质量 缩短工程周期 还可以节约2 至5 的建设投资 而近几年来我国每年基建投资上万亿元 可大大提高基本建设的投资效益 CAD技术还被用于轻纺及服装行业中 采用CAD进行花样设计 图案协调 图案分色 配色等效率大大提高 用于数控裁剪 绣花等大幅度提高生产效率 如今 CG CAD技术已进入到人们的日常生活中 在电影 动画 广告和娱乐等领域大显身手 比如美国的 外星人 侏罗纪公园 阿凡达 等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片 玩具总动员 都取得了极大的成功 轰动全球的大片 泰坦尼克 应用了大量的三维动画制作 用计算机真实地模拟了泰克尼克航行 沉船的全过程 此外 动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术 实质上也是一种虚拟现实技术 4 14 2 虚拟现实技术及应用 虚拟现实技术 VirtualReality VR 是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术 上世纪九十年代初逐渐为各界所关注 VR技术融合了图像处理 计算机图形学 多媒体 传感器等多个信息技术分支 VR技术利用计算机产生一种人为虚拟的环境 通常采用计算机图形技术建立三维数字模型 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉 这就是虚拟现实技术的沉浸感 Immersion 或临场参与感 虚拟现实与CAD模型以及传统的三维动画不同 它不是一个静态世界 而是一个开放互动的环境 可以通过控制与使用者交互 即交互性 Interaction 另外 虚拟现实不仅是演示媒体 而且还是设计工具 它以视觉形式反映了设计者思想 大大提高了设计和规划的质量与效率 即VR的想象性 Imagination 5 VR系统的核心硬件仍然是计算机 主要功能是生成虚拟环境图形 又称图形工作站 目前应用最广泛 近年来 微机系统因其性能价格比更为优异 具有后来居上之势 图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设 目前常见的产品包括光阀眼镜 三维投影仪和头盔显示器等 其中高档的头盔显示器可以使人产生强烈的浸没感 其它外设主要用于实现与虚拟现实的交互 包括数据手套 三维鼠标 运动跟踪 力反馈 语音识别与合成等 1 虚拟现实硬件设备 6 狭义上CAD也是一种VR系统 它是基于OpenGL等三维图形库对产品进行设计建模及显示 但CAD系统对用户而言没有沉浸感 通常VR系统利用头盔显示或其它设备 提供虚拟感觉空间 结合位置跟踪 数据手套及其它输入设备使参与者有沉浸感 常见沉浸式系统有 2 虚拟现实系统 头盔式系统 参与虚拟体验者要戴上一个头盔式显示器 视听觉与外界隔绝 通过语音识别 数据手套等的接口设备 从而使参与者与虚拟世界进行交互 这是目前沉浸度最高的一种虚拟现实系统 投影式系统 让参与者从一个屏幕上看到本人在虚拟境界中的形象 摄像机捕捉参与者行为 并将图像数据和虚拟场景一起投射到参与者观看的屏幕上 参与者感觉就象是在真实空间中一样 增强现实 AugmentedReality 简称AR 系统 把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息 视觉 声音 味道 触觉等 通过模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知 增强参与者对真实环境的感受 如飞行员的平视显示器 它可将仪表读数和瞄准数据投射到飞行员的穿透式屏幕上 飞行员不必低头读仪表数据 分布式系统 多个用户通过计算机网络连接在一起 同时参加一个虚拟空间 共同体验虚拟经历 将虚拟现实则提升到了一个更高的境界 7 沉浸式体验系统示例 集成控制系统 虚拟现实技术方案 8 虚拟现实是多种技术的综合 其关键技术和研究内容包括以下方面 环境建模技术 即虚拟环境的建立 目的是获取实际三维环境的三维数据 并根据应用的需要 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型 立体声合成和立体显示技术 在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性 同时在复杂的场景中实时生成立体图形 触觉反馈技术 在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力 从而产生身临其境的感觉 交互技术 利用数字头盔 数字手套等复杂的传感器设备 三维交互技术与语音识别 语音输入技术成为重要的人机交互手段 系统集成技术 虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型 集成技术为重中之重 包括信息同步技术 模型标定技术 数据转换技术 识别和合成技术等等 3 虚拟现实关键技术 9 5 虚拟现实技术应用 虚拟现实技术的应用前景十分广阔 它始于军事和航空航天领域的需求 但近年来 虚拟现实技术的应用已在工业设计 建筑规划 教育培训 文化娱乐等方面得到广泛应用 在军事领域 虚拟现实技术用于战场环境 作战指挥模拟 飞机 舰船驾驶训练等 随着未来脑机交互 人机互动技术的发展 VR技术将有更大飞跃 10 在城市建设规划中 许多城市都有自己的近期 中期和远景规划 规划中需要考虑各个建筑同周围环境是否和谐 虚拟现实技术还可用于保护文物 重现古建筑 把珍贵的文物用虚拟现实技术展现出来供人参观 有利于保护真实的古文物 11 在产品开发上 虚拟现实可缩短开发周期 减少费用 如克莱斯勒公司1998年初利用虚拟现实技术设计两种新型车 大大缩短产品研发周期 虚拟现实技术还可用教育培训 娱乐及艺术等领域 12 14 3 科学数据可视化 数据可视化技术运用计算机图形学和图像处理技术 将数据转换为图形或图像显示出来 并进行交互处理和分析的技术 数据可视化的应用十分广泛 几乎可以应用于自然科学 工程技术 金融 通信或商业等各种领域 在生物医学领域 利用可视化技术 将CT MRI或PET三维图像进行几何重构生成三维模型 使人们观察到人体内部状况 准确地确定病变体的空间位置 大小 几何形状以及与周围组织关系 从而及时诊断疾病 例如在脑肿瘤放射治疗中 可以基于重构出的人脑内部结构三维图像 对颅骨穿孔位置 同位素置入通道 安放位置及等剂量线等进行计算机模拟 并选择最佳方案 同时还监视手术情况 大大提高手术的成功率 13 在工程设计领域 计算力学离不开可视化技术 在有限元分析中 应用可视化技术可实现网格划分及分析结果的图形显示 即前后处理 在流场分析中 既要显示出涡流 冲击波 剪切层 尾流等 又要逼真地显示流场的细微结构和各种参数等值面 在地质领域 利用可视化技术可从大量地质勘探数据中构造出感兴趣的等值面 等值线 并显示其范围及走向 从而使专业人员能对原始数据做出正确解释 得到需要的地质信息 如地质结构 矿产储量等 在气象领域 科学计算可视化可将大量的天气数据转换为图像 并显示出某一时刻等压面 等温面 旋涡 云层位置及运动 暴雨区位置及其强度 风力大小及方向等 使预报人员对未来天气做出准确分析和预测 14 14 4 动画及游戏 计算机动画可分为 辅助动画 和 生成动画 及 二维动画 和 三维动画 三维动画的迅速发展 极大提高制作效率 降低成本 计算机动画技术广泛用于影视动画 商品广告制作 飞行模拟训练 军事调度 工业过程仿真 产品工程分析 医疗诊断及游戏开发等 常用的计算机动画基础技术有关键帧动画 变形物体动画 过程动画等 其中关键帧动画是最重要的制作方法 目前常用三维动画制作软件有 3DMAX SOFTIMAGE LIGHTWAVE和MAYA等 随着FLASH的流行 FLASH已成为二维动画制作的代名词 1 计算机动画技术 计算机动画是在传统动画基础上综合利用计算机图形 艺术 数学 物理等知识技术 生成一系列动态画面 主要研究运动控制以及与动画造型 绘制 合成等技术 15 计算机动画基本原理 动画基本原理是利用人眼视觉暂留 当人们观看电影或动画片时 画面中的人物和场景感觉是连续自然的 但每一幅图片却是静止的 这每一幅图片就被称为一个帧 但是生成动画和逐帧动画的方法却是不同的 可分为实时动画 Real time 和逐帧动画 FramebyFrame 实时动画是用算法来实现运动的生成动画方式 逐帧动画也称为关键帧动画 通过一帧帧显示动画的图像序列实现运动效果 计算机生成逐帧动画类似于传统动画片的生产过程 即先设计好剧情和角色 然后一张一张地把要显示的图像绘制出来 再加上配音等后期制作工序 关键帧技术 借助计算机产生所需帧的技术 就是关键帧技术 传统靠主创人员绘制重要关键帧 助手绘制那些中间帧 采用关键帧技术 由动画制作者首先绘制关键的重要画面 再由计算机来自动完成中间帧生成 常用关键帧算法是插值算法 有线性插值和非线性插值 16 动画中的运动描述 良好的关键帧插值算法必须能够产生逼真的运动效果 并能给用户提供方便有效的控制手段 用户必须能够控制运动的运动学特性 即通过调整插值函数来改变运动的速度和加速度 最简单的运动形式是对象的移动 即屏幕上的某局部图像在二维平面上沿着某一固定轨迹作步进运动 更复杂的运动一般要通过路径进行描述 运动路径是用户画出的动画对象运动的曲线 由关键点控制 计算机动画中另一类运动控制方式是变形技术 图像之间的插值变形称Morph 图像本身的变形称Warp 基于图像的Morph是一种常用的二维动画技术 两幅图像间首先分别按特征结构对两幅原图像做Warp操作 然后从不同的方向渐隐渐显地得到两个图像系列 最后合成得到Morph结果 如图猫变虎的技术 类似技术在电影特技中广泛应用 17 三维舞蹈动画仿真视频 欢快游动的鱼动画仿真视频 18 2 计算机游戏技术 作为一种大众的娱乐方式 游戏已经深入到人们的生活 尤其是网络游戏及手机游戏 对人的社会生活产生巨大影响 游戏制作与分工游戏制作工作最重要的是两个部分 一是计算机编程技术 常称游戏引擎 另一个是游戏美术 此外还包括音乐 民俗等 设计游戏的四大要素 策划 游戏的灵魂 程序 游戏的骨架 美术 游戏的皮肤 音乐 游戏的外衣 游戏要吸引玩家必须有好的创意 激发玩家的热情 游戏要感动玩家要有精彩故事 游戏要能影响玩家要做好游戏元素 角色 道具和实体对象 的设计 要增加游戏的耐玩性 就要利用人工智能的成果 要控制并使游戏顺利进行 必须要制定一个完善的游戏规则 游戏制作一般分为地图制作 人物制作 平面制作 以及动画制作和特效制作 对于游戏从业人员 提高工作效率非常重要 要制作好的游戏 要了解玩家的体验 交流 挑战 成就的希望 19 游戏软件开发流程与大型应用程序软件开发工程一样 游戏程序的开发工程必须具备一定的工作流程 需要开发团队的通力合作 主要包括市场调研 游戏策划 游戏开发 游戏运营 游戏引擎技术 游戏引擎是用于控制游戏功能的主程序 目前游戏引擎已经发展为一套由多个子系统共同构成的复杂系统 主要涉及到了以下几项功能 1 光影处理 处理场景中光源对人 物 地所影响变化的效果 2 碰撞检测 是物理系统的核心部分 进行干涉判断计算 3 物理系统 用于模拟现实生活中的物体物理运动系统的一个系统 4 动画与渲染 是最重要的功能之一 决定游戏最终效果 5 输入和输出 负责玩家与电脑的沟通 处理外设输入输出信号 游戏引擎开发采用的是三层结构模型 第一层是基础层 它包括图像处理 输入输出和音乐 音效系统等 第二层是接口层 良好的系统层次结构提高系统的可维护性与可重用性 第三层是游戏工具库 提供游戏开发的辅助工具 包括地图编辑器 脚本解析器 人物对话模块 角色类 NPC类和物品类等模块 20 21 14 5 结构分析及动力学分析 将在专题中重点介绍 22 23 14 6 快速成型前处理 快速原型 RapidPrototyping RP 技术 又称快速成形技术 采用逐点或逐层成形方法制造物理模型 模具和零件的一种先进制造技术 RP技术是CAD CAM技术 CNC技术 逆向工程技术 分层制造技术 材料去除成形 材料增加成形技术以及它们的集成 该技术不采用一般意义上的模具或刀具加工零件 而是利用三维数据 通过快速原型机 采用一种新型工具能源加工原理 即利用光 热 电等手段 通过固化 烧结 粘结 熔结 聚合作用或化学作用等方式 有选择地固化 或粘结 液体 或固体 材料 将一层层的材料CAD堆积成实体原型 实现材料的转移与堆积 从而快速制造出形状复杂的模型或零件 快速原型是继60年代NC技术之后制造领域的又一重大突破 该项技术的推广应用将明显缩短新产品上市时间 节约新产品开发费用 发达国家已将快速成形技术应用于航空 宇航 汽车 通讯 医疗 电子 家电 军事装备 工业造型 建筑 机械等行业领域 目前 基于PR的3D打印技术发展迅猛 引起各国高度重视 24 25 RP技术在制造零件过程中 首先对待加工零件的三维数据模型进行定向 添加支撑等处理 然后对数据模型分层切片 将零件三维模型切分成规定厚度的二维层片数据 最后将层片数据输送给快速原型设备进行加工 目前对原型零件进行分割可在三维CAD软件上进行的 即对已设计好的零件进行分割设计 该方法优点是与CAD系统集成度高 图形处理较强 但也存在明显的缺点 平台多样化造成数据不统一 不利于快速成型软件集成 26 14 7 数控自动编程 数控 简称NC 编程是指根据被加工技术要求 尺寸及工艺要求来确定加工方法 工艺路线与加工参数 主轴转速 刀具进给量 切削深度等 及辅助功能 主轴正反转 冷却液开关等 的设置 计算加工刀具轨迹 并按机床代码格式要求输出的过程 数控编程技术主要任务是计算加工刀位点 即CL点 数控编程可分为数控铣加工 车加工 电加工编程等 而铣加工编程又可分为2 5轴 3轴和多轴铣加工编程等 其中3轴铣加工应用最广泛 数控加工工艺规划分为两种情况 粗加工 精加工 1 粗加工 追求单位时间的最大切除量 表面质量和轮廓精度要求不高 重要的是让机床平稳的工作 避免切削方向和载荷急剧变化 2 半精加工 其目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑 同时去除拐角处的多余材料 为精加工的高速切削做准备 3 精加工 其目的实现单位时间满足精度要求最大加工表面的精加工 达到较好的表面质量和轮廓精度 当前 高速切削加工被认为是21世纪机械加工工艺的发展趋势 27 数控程序的结构1 程序的构成数控代码由多个程序段组成 其中 FANUC O 指定程序段号 每个程序段号对应一个加工零件 N为程序行号 G M T S F等为机床准备 辅助 刀具 主轴速度 进给速度等指令代码 O0001 N010G92X0Y0 N020G90G00X50Y60 2 程序段格式字地址格式 如N020G90G00X50Y60等是目前最常用的格式 可变程序段格式 如B2000BB6000 分割符 分开各个字 常见于线切割机床 固定顺序程序段格式 如00701 02500比较少见 其中的数据严格按照顺序和长度排列 该程序的意思是 N007G01X 02500Y 13400F15S30M02 28 通常数控编程过程 1 分析零件图样和工艺处理 对零件的形状尺寸 技术要求进行分析 明确加工内容及要求 决确定加工方案 顺序 设计夹具 确定刀具 走刀路线及切削用量等 应充分发挥数控系统功能和机床本身能力 选择对刀点 切入方式 尽量减少诸如换刀 转位等辅助时间 2 数学处理 根据零件的几何特征 先建立工件坐标系 根据图纸要求制定加工路径 在工件坐标系上 首先计算出刀具的运动轨迹 3 编写零件程序清单 加工路线和工艺参数确定以后 根据数控系统规定的指定代码及程序段格式 编写零件程序清单 4 制作控制介质及程序输入 5 程序校验与首件试切 数控机床程序编制方法 数控机床程序编制的方法有手工编程 自动编程 其中 手工编程由人工完成编程直到程序的输入和检验 适用于不太复杂的零件 非常费时 容易出错 不能完成自由曲面编程 自动编程通常使用计算机辅助完成零件加工程序的编制过程 通常采用CAD CAM软件系统 29 数控自动编程方法 数控自动编程的方法有语言编程方法 图形编程等方法 APT语言系统是世界上发展最早的编程语言 80年代后 随着CAD CAM软件大量涌现 交互式图形编程技术逐渐占据主导 交互式图形自动编程过程如下 1 在屏幕上画出零件图 通常由CAD实现 2 指出对刀点 确定走刀路线 3 设置刀偏值及方向 交互输入刀偏值及方向 计算刀位 显示出走刀路线 4 输入辅助功能M指令 如F S T等5 加工过程仿真及走刀轨迹编辑修改 对加工过程仿真 避免干涉 优化处理得到正确的走刀轨迹 6 得到零件加工程序单 7 上述步骤完成后 调用后置处理命令 可得到零件加工程序 如右图所示 30 复杂曲面形状广泛用于航空航天 汽车等行业产品设计 复杂形状零件的多轴加工 刀轨生成和优化 高速加工编程技术越来越重要 当前三轴加工研究热点集中在特征识别和刀具路径规划 多轴加工在加工质量和效率等方面具有显著优势 但多轴加工编程复杂 自动编程有较大难度 至今多轴加工处理采用面向专用零件的方式 五坐标加工研究热点之一集中在刀具姿态优化 由于高速 超高速数控加工技术在复杂曲面加工中的不断应用 刀具路径规划的优劣成为改善加工质量和提高生产率的关键因素 数控加工基于几何与物理过程的仿真技术成为研究热点 复杂曲面数控自动编程 复杂曲面刀具路径生成方法有多种 如等参数法 等距截面法 等距偏置法 等残留高度法等 空间填充线法 自适应等参数线法 31 32 33 14 8 数字化工厂 数字化工厂技术在虚拟现实技术和仿真优化技术的基础上发展起来 已成为现代制造中的一个新的研究应用领域 数字化工厂为企业提供设计 工艺 制造 装配 分析 检测以及维护的全过程仿真 其目标主要是生产计划 工艺管理 生产过程组织等领域的设计和优化问题 它能帮助解决企业组织生产过程 包括制造过程中所面临的一系列问题 数字化工厂主要内容数字化工厂技术对生产工程的各环节在不同的层次 小到操作步骤 大到生产单元 生产线乃至整个工厂进行设计 仿真 分析和优化 数字化工厂的主要工作包括 通过建模技术对真实工厂的制造资源和工艺数据进行分析 在计算机内建立真实工厂的数字化模型 CAD数据 加工工艺和预计的生产计划作为输入 通过优化仿真系统进行制造过程的模拟 对产品的设计和制造过程进行评价 将分析评估结果用于真实工厂的生产制造 如可生成PLC 机器人和数控机床等的程序 控制相关设备 完成生产制造过程 34 数字化工厂关键技术 1 数字化建模技术 是非线性离散化制造系统建模 需建立产品数据模型 资源模型 设备 原料 夹具 人员和制造环境等 工艺模型 工艺规则 制造路线等 制造特征以及生产管理等相互关联模型 数字化工厂是建立在模型基础上的优化仿真系统 所以数字化建模技术是数字化工厂的基础 2 优化仿真技术 随着虚拟设计技术的发展和完善 这种技术进一步向制造过程领域发展 在数字化建模的基础上 对制造系统进行运动学 动力学 加工能力等各方面进行动态仿真和优化 3 虚拟现实技术 文本信息很难满足制造业的需求 随着三维造型技术发展 三维实体造型技术已得到普遍的应用 具有沉浸性的虚拟现实技术 使用户能身临其境地感受产品的设计过程和制造过程 使仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分 4 软件之间的重组和集成 数字化工厂软件模块之间以及和其他软件模块之间的信息交换和集成 5 应用工具 产生虚拟环境的工具集 各种数据转换工具 设备控制程序的生成器 各种报表的输出工具等 35 eM Power解决方案 包含工艺规划eM Planner 工厂和生产线仿真和优化eM Plant 机器人生产工程仿真eM Workplace 机械加工工艺规划eM Machining 动态装配和验证eM Assembler等模块 eM Power数字化工厂解决方案 36 DELMIA汽车行业解决方案 白车身制造 Bodyinwhite 车体总装 FinalAssembly 零件冲压 喷涂 pressandpainting 发动机零件加工和机体组装 powertrainMachining Assembly 质量检验 Inspeetjon DELMIA白车身制造数字化工厂解决方案 37 某啤酒灌装生产线仿真解决方案 某自动化生产线仿真解决方案 38 14 9 CAD CAE CAPP CAM PLM集成 C4P CAD CAE CAPP CAM的集成是计算机技术在制造科学与应用领域中应用 现有CAD CAE CAPP CAM 简称4C 系统都是相互独立发展的 系统各自的数据库相互独立 彼此不能有效实现信息交换 共享 为了解决各系统之间的信息交换及数据共享问题 基于PDM PLM的集成思想及方法得到广泛应用 基于PDM PLM 的4C集成主要围绕产品设计 产品开发过程 工艺设计等信息集成 以面向制造企业信息与过程管理系统和数据库系统为支撑形成的支持产品研发的信息集成系统 从时间跨度上看 系统集成要覆盖和支持从产品详细设计 工程分析 到工艺设计 加工制造等各个阶段 从空间广度上看 4C集成能够支持企业内从设计到制造各个方面 各个层次人员组织的协同创新和可控管理 从管理深度上看 4C集成不仅要管理产品设计 制造阶段相关的数据和过程 还要对数据和过程进行控制和跟踪 从集成能力上看 4C集成要从整体上全面解决CAD CAE CAPP CAM之间的信息集成 包括企业资源 文