第14講CAD及CG技術(shù)應(yīng)用

1、第14講 CAD及CG技術(shù)應(yīng)用 14.1、簡要概述14.2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用14.3、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化14.4、動畫及游戲14.5、結(jié)構(gòu)分析及動力學(xué)分析（專題介紹）14.6、快速成型前處理14.7、數(shù)控自動編程14.8、數(shù)字化工廠14.9、CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM集成14.10、CAD技術(shù)應(yīng)用典型案例分析本章目的 1了解CAD及CG的工程應(yīng)用情況2、通過典型案例了解CAD技術(shù)及應(yīng)用14.1、簡要概述 CAD技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速成長起來。當(dāng)前CAD技術(shù)廣泛應(yīng)用到航空航天、造船、機(jī)械、建筑、電氣、電子、輕紡、化工等許多工

2、業(yè)領(lǐng)域。 CAD在機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。采用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，可更新傳統(tǒng)的設(shè)計思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)計自動化；還可以使企業(yè)建立全新的技術(shù)管理體制，改變原來的串行開發(fā)模式，降低產(chǎn)品成本， 縮短開發(fā)周期。而且世界各大航空航天及汽車等制造業(yè)巨頭投入大量的人力物力及資金進(jìn)行CAD/CAM軟件的開發(fā)，以保持自己技術(shù)上的領(lǐng)先地位和市場優(yōu)勢。 如今，CG技術(shù)越來越成熟，其應(yīng)用范圍已延伸到藝術(shù)、電影、動畫、廣告、游戲和其它娛樂等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益。CAD在建筑方面的應(yīng)用，它為建筑設(shè)計帶來了一場真正的革命。CAD技術(shù)應(yīng)用不僅提高設(shè)計質(zhì)量，縮短工程周期，還可以節(jié)約2%至5%的建設(shè)投資，而近幾年來我

3、國每年基建投資上萬億元，可大大提高基本建設(shè)的投資效益。 CAD技術(shù)還被用于輕紡及服裝行業(yè)中。采用CAD進(jìn)行花樣設(shè)計、圖案協(xié)調(diào)、圖案分色、配色等效率大大提高，用于數(shù)控裁剪、繡花等大幅度提高生產(chǎn)效率。如今，CG&CAD技術(shù)已進(jìn)入到人們的日常生活中，在電影、動畫、廣告和娛樂等領(lǐng)域大顯身手。比如美國的外星人、侏羅紀(jì)公園、阿凡達(dá)等科幻片以及完全用三維計算機(jī)動畫制作的影片玩具總動員，都取得了極大的成功。轟動全球的大片泰坦尼克應(yīng)用了大量的三維動畫制作，用計算機(jī)真實(shí)地模擬了泰克尼克航行、沉船的全過程。此外，動畫和廣告制作中也充分利用了計算機(jī)造型技術(shù)，實(shí)質(zhì)上也是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。14.2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及

4、應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，上世紀(jì)九十年代初逐漸為各界所關(guān)注。VR技術(shù)融合了圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、傳感器等多個信息技術(shù)分支。VR技術(shù)利用計算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，通常采用計算機(jī)圖形技術(shù)建立三維數(shù)字模型，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感（Immersion）或臨場參與感。虛擬現(xiàn)實(shí)與CAD模型以及傳統(tǒng)的三維動畫不同，它不是一個靜態(tài)世界，而是一個開放互動的環(huán)境，可以通過控制與使用者交互，即交互性（Interaction）。 另外，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是演示媒體，而且還是設(shè)計工具

5、。它以視覺形式反映了設(shè)計者思想，大大提高了設(shè)計和規(guī)劃的質(zhì)量與效率，即VR的想象性（Imagination）。VR系統(tǒng)的核心硬件仍然是計算機(jī)，主要功能是生成虛擬環(huán)境圖形，又稱圖形工作站，目前應(yīng)用最廣泛。近年來，微機(jī)系統(tǒng)因其性能價格比更為優(yōu)異，具有后來居上之勢。圖像顯示設(shè)備是用于產(chǎn)生立體視覺效果的關(guān)鍵外設(shè)，目前常見的產(chǎn)品包括光閥眼鏡、三維投影儀和頭盔顯示器等。其中高檔的頭盔顯示器可以使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的浸沒感。其它外設(shè)主要用于實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)的交互，包括數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、運(yùn)動跟蹤、力反饋、語音識別與合成等。1）虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備狹義上CAD也是一種VR系統(tǒng)，它是基于Open GL等三維圖形庫對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計

6、建模及顯示。但CAD系統(tǒng)對用戶而言沒有沉浸感。通常VR系統(tǒng)利用頭盔顯示或其它設(shè)備，提供虛擬感覺空間，結(jié)合位置跟蹤、數(shù)據(jù)手套及其它輸入設(shè)備使參與者有沉浸感。常見沉浸式系統(tǒng)有：2）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)頭盔式系統(tǒng)：參與虛擬體驗(yàn)者要戴上一個頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套等的接口設(shè)備，從而使參與者與虛擬世界進(jìn)行交互。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。投影式系統(tǒng)：讓參與者從一個屏幕上看到本人在虛擬境界中的形象，攝像機(jī)捕捉參與者行為，并將圖像數(shù)據(jù)和虛擬場景一起投射到參與者觀看的屏幕上，參與者感覺就象是在真實(shí)空間中一樣。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）系統(tǒng)：把原本在

7、現(xiàn)實(shí)世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺、聲音、味道、觸覺等)通過模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實(shí)世界被人類感官所感知，增強(qiáng)參與者對真實(shí)環(huán)境的感受。如飛行員的平視顯示器，它可將儀表讀數(shù)和瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到飛行員的穿透式屏幕上，飛行員不必低頭讀儀表數(shù)據(jù)。分布式系統(tǒng)：多個用戶通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，將虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個更高的境界。 沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)示例沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)示例集成控制系統(tǒng)集成控制系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方案虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方案 虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容包括以下方面：環(huán)境建模技術(shù)：即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并

8、根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。立體聲合成和立體顯示技術(shù)：在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運(yùn)動的相關(guān)性，同時在復(fù)雜的場景中實(shí)時生成立體圖形。觸覺反饋技術(shù)：在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互技術(shù)：利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機(jī)交互手段。系統(tǒng)集成技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等等。3)虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分

9、廣闊。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已在工業(yè)設(shè)計、建筑規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面得到廣泛應(yīng)用。 在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于戰(zhàn)場環(huán)境，作戰(zhàn)指揮模擬，飛機(jī)、艦船駕駛訓(xùn)練等。隨著未來腦機(jī)交互、人機(jī)互動技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)將有更大飛躍。在城市建設(shè)規(guī)劃中，許多城市都有自己的近期、中期和遠(yuǎn)景規(guī)劃，規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧 。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于保護(hù)文物、重現(xiàn)古建筑，把珍貴的文物用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出來供人參觀，有利于保護(hù)真實(shí)的古文物 。在產(chǎn)品開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實(shí)可縮短開發(fā)周期，減少費(fèi)用。如克萊斯勒公司1998年初利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計兩種新型車，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)

10、周期 。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用教育培訓(xùn)、娛樂及藝術(shù)等領(lǐng)域。14.3、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)可視化技術(shù)運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像顯示出來，并進(jìn)行交互處理和分析的技術(shù)。數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用十分廣泛,幾乎可以應(yīng)用于自然科學(xué)、工程技術(shù)、金融、通信或商業(yè)等各種領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用可視化技術(shù)，將CT、MRI或PET三維圖像進(jìn)行幾何重構(gòu)生成三維模型，使人們觀察到人體內(nèi)部狀況，準(zhǔn)確地確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍組織關(guān)系，從而及時診斷疾病。例如在腦腫瘤放射治療中，可以基于重構(gòu)出的人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖像，對顱骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等劑量線等進(jìn)行計算機(jī)模擬，并選

11、擇最佳方案，同時還監(jiān)視手術(shù)情況，大大提高手術(shù)的成功率。在工程設(shè)計領(lǐng)域，計算力學(xué)離不開可視化技術(shù)。在有限元分析中，應(yīng)用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果的圖形顯示（即前后處理）。在流場分析中，既要顯示出渦流、沖擊波、剪切層、尾流等，又要逼真地顯示流場的細(xì)微結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)等值面。在地質(zhì)領(lǐng)域，利用可視化技術(shù)可從大量地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)中構(gòu)造出感興趣的等值面、等值線，并顯示其范圍及走向，從而使專業(yè)人員能對原始數(shù)據(jù)做出正確解釋，得到需要的地質(zhì)信息，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、礦產(chǎn)儲量等。在氣象領(lǐng)域，科學(xué)計算可視化可將大量的天氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，并顯示出某一時刻等壓面、等溫面、旋渦、云層位置及運(yùn)動、暴雨區(qū)位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力大小及方

12、向等，使預(yù)報人員對未來天氣做出準(zhǔn)確分析和預(yù)測。14.4、動畫及游戲計算機(jī)動畫可分為“輔助動畫”和“生成動畫”，及 “二維動畫”和“三維動畫”。三維動畫的迅速發(fā)展，極大提高制作效率，降低成本。計算機(jī)動畫技術(shù)廣泛用于影視動畫、商品廣告制作、飛行模擬訓(xùn)練、軍事調(diào)度、工業(yè)過程仿真、產(chǎn)品工程分析、醫(yī)療診斷及游戲開發(fā)等。常用的計算機(jī)動畫基礎(chǔ)技術(shù)有關(guān)鍵幀動畫、變形物體動畫、過程動畫等，其中關(guān)鍵幀動畫是最重要的制作方法。目前常用三維動畫制作軟件有：3D MAX、SOFTIMAGE、 LIGHTWAVE 和MAYA等。隨著FLASH的流行，F(xiàn)LASH已成為二維動畫制作的代名詞。1）計算機(jī)動畫技術(shù)計算機(jī)動畫是在傳

13、統(tǒng)動畫基礎(chǔ)上綜合利用計算機(jī)圖形、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等知識技術(shù)，生成一系列動態(tài)畫面，主要研究運(yùn)動控制以及與動畫造型、繪制、合成等技術(shù)。計算機(jī)動畫基本原理動畫基本原理是利用人眼視覺暫留當(dāng)人們觀看電影或動畫片時，畫面中的人物和場景感覺是連續(xù)自然的，但每一幅圖片卻是靜止的，這每一幅圖片就被稱為一個幀。但是生成動畫和逐幀動畫的方法卻是不同的，可分為實(shí)時動畫（Real-time）和逐幀動畫（Frame by Frame）。實(shí)時動畫是用算法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的生成動畫方式。逐幀動畫也稱為關(guān)鍵幀動畫，通過一幀幀顯示動畫的圖像序列實(shí)現(xiàn)運(yùn)動效果。計算機(jī)生成逐幀動畫類似于傳統(tǒng)動畫片的生產(chǎn)過程，即先設(shè)計好劇情和角色，然后一張一

14、張地把要顯示的圖像繪制出來，再加上配音等后期制作工序。關(guān)鍵幀技術(shù)借助計算機(jī)產(chǎn)生所需幀的技術(shù)，就是關(guān)鍵幀技術(shù)。傳統(tǒng)靠主創(chuàng)人員繪制重要關(guān)鍵幀，助手繪制那些中間幀。采用關(guān)鍵幀技術(shù)，由動畫制作者首先繪制關(guān)鍵的重要畫面，再由計算機(jī)來自動完成中間幀生成。常用關(guān)鍵幀算法是插值算法，有線性插值和非線性插值。動畫中的運(yùn)動描述良好的關(guān)鍵幀插值算法必須能夠產(chǎn)生逼真的運(yùn)動效果，并能給用戶提供方便有效的控制手段。用戶必須能夠控制運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)特性，即通過調(diào)整插值函數(shù)來改變運(yùn)動的速度和加速度。最簡單的運(yùn)動形式是對象的移動，即屏幕上的某局部圖像在二維平面上沿著某一固定軌跡作步進(jìn)運(yùn)動。更復(fù)雜的運(yùn)動一般要通過路徑進(jìn)行描述，運(yùn)動路

15、徑是用戶畫出的動畫對象運(yùn)動的曲線，由關(guān)鍵點(diǎn)控制。計算機(jī)動畫中另一類運(yùn)動控制方式是變形技術(shù)。圖像之間的插值變形稱Morph，圖像本身的變形稱Warp，基于圖像的Morph是一種常用的二維動畫技術(shù)。兩幅圖像間首先分別按特征結(jié)構(gòu)對兩幅原圖像做Warp操作，然后從不同的方向漸隱漸顯地得到兩個圖像系列，最后合成得到Morph結(jié)果，如圖貓變虎的技術(shù)。類似技術(shù)在電影特技中廣泛應(yīng)用。三維舞蹈動畫仿真視頻三維舞蹈動畫仿真視頻歡快游動的魚動畫仿真視頻歡快游動的魚動畫仿真視頻2）計算機(jī)游戲技術(shù) 作為一種大眾的娛樂方式，游戲已經(jīng)深入到人們的生活，尤其是網(wǎng)絡(luò)游戲及手機(jī)游戲，對人的社會生活產(chǎn)生巨大影響。游戲制作與分工 游

16、戲制作工作最重要的是兩個部分，一是計算機(jī)編程技術(shù)（常稱游戲引擎），另一個是游戲美術(shù)。此外還包括音樂、民俗等。 設(shè)計游戲的四大要素 ：策劃游戲的靈魂，程序游戲的骨架，美術(shù)游戲的皮膚，音樂游戲的外衣。 游戲要吸引玩家必須有好的創(chuàng)意，激發(fā)玩家的熱情；游戲要感動玩家要有精彩故事 ；游戲要能影響玩家要做好游戲元素（角色、道具和實(shí)體對象 ）的設(shè)計；要增加游戲的耐玩性，就要利用人工智能的成果；要控制并使游戲順利進(jìn)行，必須要制定一個完善的游戲規(guī)則。 游戲制作一般分為地圖制作、人物制作、平面制作，以及動畫制作和特效制作。對于游戲從業(yè)人員，提高工作效率非常重要。 要制作好的游戲，要了解玩家的體驗(yàn)、交流、挑戰(zhàn)、成就

17、的希望。 游戲軟件開發(fā)流程 與大型應(yīng)用程序軟件開發(fā)工程一樣，游戲程序的開發(fā)工程必須具備一定的工作流程，需要開發(fā)團(tuán)隊(duì)的通力合作。主要包括市場調(diào)研、游戲策劃、游戲開發(fā)、游戲運(yùn)營。游戲引擎技術(shù)游戲引擎是用于控制游戲功能的主程序。目前游戲引擎已經(jīng)發(fā)展為一套由多個子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，主要涉及到了以下幾項(xiàng)功能： 1)光影處理：處理場景中光源對人、物、地所影響變化的效果； 2)碰撞檢測：是物理系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行干涉判斷計算； 3)物理系統(tǒng)：用于模擬現(xiàn)實(shí)生活中的物體物理運(yùn)動系統(tǒng)的一個系統(tǒng)； 4)動畫與渲染：是最重要的功能之一，決定游戲最終效果； 5)輸入和輸出：負(fù)責(zé)玩家與電腦的溝通，處理外設(shè)輸入輸出信

18、號。游戲引擎開發(fā)采用的是三層結(jié)構(gòu)模型:第一層是基礎(chǔ)層，它包括圖像處理，輸入輸出和音樂、音效系統(tǒng)等；第二層是接口層，良好的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可維護(hù)性與可重用性；第三層是游戲工具庫，提供游戲開發(fā)的輔助工具，包括地圖編輯器、腳本解析器、人物對話模塊、角色類、NPC類和物品類等模塊。 14.5、結(jié)構(gòu)分析及動力學(xué)分析（將在專題中重點(diǎn)介紹）14.6、快速成型前處理 快速原型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)，又稱快速成形技術(shù)，采用逐點(diǎn)或逐層成形方法制造物理模型、模具和零件的一種先進(jìn)制造技術(shù)。 RP技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)、 CNC技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、材料去除成形、材料增加成

19、形技術(shù)以及它們的集成。該技術(shù)不采用一般意義上的模具或刀具加工零件，而是利用三維數(shù)據(jù)，通過快速原型機(jī)，采用一種新型工具能源加工原理，即利用光、熱、電等手段，通過固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)作用等方式，有選擇地固化(或粘結(jié))液體(或固體)材料，將一層層的材料CAD堆積成實(shí)體原型，實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積，從而快速制造出形狀復(fù)雜的模型或零件。 快速原型是繼60年代NC技術(shù)之后制造領(lǐng)域的又一重大突破，該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用將明顯縮短新產(chǎn)品上市時間，節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用。發(fā)達(dá)國家已將快速成形技術(shù)應(yīng)用于航空、宇航、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、軍事裝備、工業(yè)造型、建筑、機(jī)械等行業(yè)領(lǐng)域。目前，基于PR的3D

20、打印技術(shù)發(fā)展迅猛，引起各國高度重視。 RP技術(shù)在制造零件過程中，首先對待加工零件的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行定向、添加支撐等處理；然后對數(shù)據(jù)模型分層切片，將零件三維模型切分成規(guī)定厚度的二維層片數(shù)據(jù)；最后將層片數(shù)據(jù)輸送給快速原型設(shè)備進(jìn)行加工。 目前對原型零件進(jìn)行分割可在三維CAD軟件上進(jìn)行的，即對已設(shè)計好的零件進(jìn)行分割設(shè)計，該方法優(yōu)點(diǎn)是與CAD系統(tǒng)集成度高，圖形處理較強(qiáng)。但也存在明顯的缺點(diǎn)：平臺多樣化造成數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，不利于快速成型軟件集成。 14.7、數(shù)控自動編程 數(shù)控（簡稱NC）編程是指根據(jù)被加工技術(shù)要求、尺寸及工藝要求來確定加工方法、工藝路線與加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給量、切削深度等）及輔助功能（主

21、軸正反轉(zhuǎn)、冷卻液開關(guān)等）的設(shè)置，計算加工刀具軌跡，并按機(jī)床代碼格式要求輸出的過程。數(shù)控編程技術(shù)主要任務(wù)是計算加工刀位點(diǎn)（即CL點(diǎn)）。 數(shù)控編程可分為數(shù)控銑加工、車加工、電加工編程等，而銑加工編程又可分為2.5軸、3軸和多軸銑加工編程等，其中3軸銑加工應(yīng)用最廣泛。 數(shù)控加工工藝規(guī)劃分為兩種情況：粗加工、精加工。 1）粗加工追求單位時間的最大切除量，表面質(zhì)量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機(jī)床平穩(wěn)的工作，避免切削方向和載荷急劇變化。 2）半精加工其目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑，同時去除拐角處的多余材料，為精加工的高速切削做準(zhǔn)備。 3）精加工其目的實(shí)現(xiàn)單位時間滿足精度要求最大加工表面的精

22、加工，達(dá)到較好的表面質(zhì)量和輪廓精度。 當(dāng)前，高速切削加工被認(rèn)為是21世紀(jì)機(jī)械加工工藝的發(fā)展趨勢。數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)1）程序的構(gòu)成數(shù)控代碼由多個程序段組成。其中（FANUC-O）指定程序段號，每個程序段號對應(yīng)一個加工零件；N為程序行號；G、M、T、S、F等為機(jī)床準(zhǔn)備、輔助、刀具、主軸速度、進(jìn)給速度等指令代碼。 O 0001； N010 G92 X0 Y0； N020 G90 G00 X50 Y60； . . 2）程序段格式字地址格式：如N020 G90 G00 X50 Y60等是目前最常用的格式。可變程序段格式：如B2000 B B6000。分割符分開各個字，常見于線切割機(jī)床。 固定順

23、序程序段格式：如00701+02500比較少見。其中的數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照順序和長度排列，該程序的意思是：N007 G01 X+02500 Y-13400 F15 S30 M02。通常數(shù)控編程過程：通常數(shù)控編程過程： 1) 分析零件圖樣和工藝處理對零件的形狀尺寸、技術(shù)要求進(jìn)行分析，明確加工內(nèi)容及要求，決確定加工方案、順序，設(shè)計夾具、確定刀具、走刀路線及切削用量等。應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)功能和機(jī)床本身能力，選擇對刀點(diǎn)、切入方式，盡量減少諸如換刀、轉(zhuǎn)位等輔助時間； 2) 數(shù)學(xué)處理根據(jù)零件的幾何特征，先建立工件坐標(biāo)系，根據(jù)圖紙要求制定加工路徑，在工件坐標(biāo)系上，首先計算出刀具的運(yùn)動軌跡；

24、 3) 編寫零件程序清單加工路線和工藝參數(shù)確定以后，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指定代碼及程序段格式，編寫零件程序清單； 4) 制作控制介質(zhì)及程序輸入； 5) 程序校驗(yàn)與首件試切。數(shù)控機(jī)床程序編制方法：數(shù)控機(jī)床程序編制方法： 數(shù)控機(jī)床程序編制的方法有手工編程、自動編程。其中： 手工編程由人工完成編程直到程序的輸入和檢驗(yàn)。適用于不太復(fù)雜的零件，非常費(fèi)時，容易出錯。不能完成自由曲面編程。 自動編程通常使用計算機(jī)輔助完成零件加工程序的編制過程，通常采用CAD/CAM軟件系統(tǒng)。數(shù)控自動編程方法數(shù)控自動編程方法 數(shù)控自動編程的方法有語言編程方法、圖形編程等方法。 APT語言系統(tǒng)是世界上發(fā)展最早的編程語言。80年代

25、后，隨著CAD/CAM軟件大量涌現(xiàn)，交互式圖形編程技術(shù)逐漸占據(jù)主導(dǎo)。 交互式圖形自動編程過程如下： 1）在屏幕上畫出零件圖（通常由CAD實(shí)現(xiàn)）。 2）指出對刀點(diǎn)，確定走刀路線。 3）設(shè)置刀偏值及方向。交互輸入刀偏值及方向，計算刀位，顯示出走刀路線。 4）輸入輔助功能M指令，如F、S、T等 5）加工過程仿真及走刀軌跡編輯修改。對加工過程仿真，避免干涉，優(yōu)化處理得到正確的走刀軌跡。 6）得到零件加工程序單。 7）上述步驟完成后，調(diào)用后置處理命令，可得到零件加工程序。如右圖所示。 復(fù)雜曲面形狀廣泛用于航空航天、汽車等行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計。復(fù)雜形狀零件的多軸加工、刀軌生成和優(yōu)化、高速加工編程技術(shù)越來越重要。

26、當(dāng)前三軸加工研究熱點(diǎn)集中在特征識別和刀具路徑規(guī)劃；多軸加工在加工質(zhì)量和效率等方面具有顯著優(yōu)勢，但多軸加工編程復(fù)雜，自動編程有較大難度，至今多軸加工處理采用面向?qū)Ｓ昧慵姆绞?。五坐?biāo)加工研究熱點(diǎn)之一集中在刀具姿態(tài)優(yōu)化。由于高速、超高速數(shù)控加工技術(shù)在復(fù)雜曲面加工中的不斷應(yīng)用，刀具路徑規(guī)劃的優(yōu)劣成為改善加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。數(shù)控加工基于幾何與物理過程的仿真技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。復(fù)雜曲面數(shù)控自動編程復(fù)雜曲面數(shù)控自動編程 復(fù)雜曲面刀具路徑生成方法有多種，如等參數(shù)法、等距截面法、等距偏置法、等殘留高度法等、空間填充線法、自適應(yīng)等參數(shù)線法。14.8、數(shù)字化工廠 數(shù)字化工廠技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真優(yōu)化技

27、術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，已成為現(xiàn)代制造中的一個新的研究應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字化工廠為企業(yè)提供設(shè)計、工藝、制造、裝配、分析、檢測以及維護(hù)的全過程仿真，其目標(biāo)主要是生產(chǎn)計劃、工藝管理、生產(chǎn)過程組織等領(lǐng)域的設(shè)計和優(yōu)化問題。它能幫助解決企業(yè)組織生產(chǎn)過程，包括制造過程中所面臨的一系列問題。數(shù)字化工廠主要內(nèi)容數(shù)字化工廠主要內(nèi)容 數(shù)字化工廠技術(shù)對生產(chǎn)工程的各環(huán)節(jié)在不同的層次，小到操作步驟，大到生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線乃至整個工廠進(jìn)行設(shè)計、仿真、分析和優(yōu)化。 數(shù)字化工廠的主要工作包括： 通過建模技術(shù)對真實(shí)工廠的制造資源和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在計算機(jī)內(nèi)建立真實(shí)工廠的數(shù)字化模型； CAD數(shù)據(jù)、加工工藝和預(yù)計的生產(chǎn)計劃作為輸入，通過優(yōu)化

28、仿真系統(tǒng)進(jìn)行制造過程的模擬，對產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程進(jìn)行評價； 將分析評估結(jié)果用于真實(shí)工廠的生產(chǎn)制造，如可生成PLC、機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等的程序，控制相關(guān)設(shè)備，完成生產(chǎn)制造過程。數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)： (1)數(shù)字化建模技術(shù)：是非線性離散化制造系統(tǒng)建模，需建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、資源模型(設(shè)備、原料、夾具、人員和制造環(huán)境等)、工藝模型(工藝規(guī)則、制造路線等)、制造特征以及生產(chǎn)管理等相互關(guān)聯(lián)模型。 數(shù)字化工廠是建立在模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化仿真系統(tǒng)，所以數(shù)字化建模技術(shù)是數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。 (2)優(yōu)化仿真技術(shù)：隨著虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和完善，這種技術(shù)進(jìn)一步向制造過程領(lǐng)域發(fā)展。在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，對制

29、造系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、加工能力等各方面進(jìn)行動態(tài)仿真和優(yōu)化。 (3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：文本信息很難滿足制造業(yè)的需求，隨著三維造型技術(shù)發(fā)展，三維實(shí)體造型技術(shù)已得到普遍的應(yīng)用。具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用戶能身臨其境地感受產(chǎn)品的設(shè)計過程和制造過程，使仿真的旁觀者成為虛擬環(huán)境的組成部分； (4)軟件之間的重組和集成：數(shù)字化工廠軟件模塊之間以及和其他軟件模塊之間的信息交換和集成。 (5)應(yīng)用工具：產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集、各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具、設(shè)備控制程序的生成器、各種報表的輸出工具等。eM-Power解決方案：包含工藝規(guī)劃eM-Planner，工廠和生產(chǎn)線仿真和優(yōu)化eM-Plant，機(jī)器人生產(chǎn)工程仿真eM-

30、Workplace，機(jī)械加工工藝規(guī)劃eM-Machining，動態(tài)裝配和驗(yàn)證eM-Assembler等模塊。eM-PowereM-Power數(shù)字化工廠解決方案數(shù)字化工廠解決方案 DELMIA汽車行業(yè)解決方案：白車身制造(Body in white)；車體總裝(Final Assembly)；零件沖壓、噴涂(pressand painting)；發(fā)動機(jī)零件加工和機(jī)體組裝(power train Machining & Assembly）；質(zhì)量檢驗(yàn)(Inspeetjon)。DELMIADELMIA白車身制造數(shù)字化工廠解決方案白車身制造數(shù)字化工廠解決方案某啤酒灌裝生產(chǎn)線某啤酒灌裝生產(chǎn)線仿真解

31、決方案仿真解決方案某自動化生產(chǎn)線仿真解決方案某自動化生產(chǎn)線仿真解決方案14.9、CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM集成（C4P） CAD/CAE/CAPP/CAM的集成是計算機(jī)技術(shù)在制造科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用?，F(xiàn)有CAD/CAE/CAPP/CAM（簡稱4C）系統(tǒng)都是相互獨(dú)立發(fā)展的，系統(tǒng)各自的數(shù)據(jù)庫相互獨(dú)立，彼此不能有效實(shí)現(xiàn)信息交換、共享。 為了解決各系統(tǒng)之間的信息交換及數(shù)據(jù)共享問題，基于PDM/PLM的集成思想及方法得到廣泛應(yīng)用?；赑DM（PLM）的4C集成主要圍繞產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)過程、工藝設(shè)計等信息集成，以面向制造企業(yè)信息與過程管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為支撐形成的支持產(chǎn)品研發(fā)的信息集成系

32、統(tǒng)。 從時間跨度上看,系統(tǒng)集成要覆蓋和支持從產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計、工程分析、到工藝設(shè)計、加工制造等各個階段；從空間廣度上看, 4C集成能夠支持企業(yè)內(nèi)從設(shè)計到制造各個方面、各個層次人員組織的協(xié)同創(chuàng)新和可控管理；從管理深度上看, 4C集成不僅要管理產(chǎn)品設(shè)計、制造階段相關(guān)的數(shù)據(jù)和過程,還要對數(shù)據(jù)和過程進(jìn)行控制和跟蹤；從集成能力上看, 4C集成要從整體上全面解決CAD/CAE/CAPP/CAM之間的信息集成,包括企業(yè)資源、文檔數(shù)據(jù)、人員組織、業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的集成等。產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)的內(nèi)涵是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)和過程，覆蓋產(chǎn)品的整個生命周期，能有效管理從概念設(shè)計、計算分析、詳細(xì)設(shè)計、工藝流程設(shè)計、加

33、工制造、銷售維護(hù)的整個生命周期內(nèi)及其各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)、分布式計算機(jī)環(huán)境中使企業(yè)內(nèi)各類應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息集成、功能集成和過程集成。產(chǎn)品生命周期產(chǎn)品生命周期產(chǎn) 品 規(guī) 劃產(chǎn) 品 開 發(fā)產(chǎn) 品 交 付標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品配置 A銷售產(chǎn) 品 更 改標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品配置 B銷售產(chǎn) 品 更 改. . .定制產(chǎn)品 A1設(shè)計/制造定制產(chǎn)品 B1設(shè)計/制造 基于天喻軟件IntePDM/IntePLM 的集成管理平臺，實(shí)現(xiàn)大型集團(tuán)企業(yè)跨國、多地同步產(chǎn)品開發(fā)，多學(xué)科領(lǐng)域模型與信息的綜合集成。14.10、CAD應(yīng)用典型案例分析 CAD技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用1）機(jī)床的組成及其設(shè)計要求（1） 機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成（2） 機(jī)床的設(shè)計要求及設(shè)計流程2）機(jī)床方案設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計（1 ）機(jī)床方案設(shè)計（2 ）機(jī)床結(jié)構(gòu)造型設(shè)計（3 ）機(jī)床數(shù)字化裝配（4 ）機(jī)床運(yùn)動學(xué)分析3）機(jī)床結(jié)構(gòu)性能分析（1 ）機(jī)床結(jié)構(gòu)有限元建模（2 ）機(jī)床結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算分析（3） 機(jī)床結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算分析4）機(jī)床設(shè)計文檔（1 ）機(jī)床生成圖紙的生成（2 ）機(jī)床物性參數(shù)計算1）機(jī)床的組成及其設(shè)計要求（1） 機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成