计算机图形学在机械制造领域的应用

计算机图形学在机械制造领域的应用

1 概 述

计算机图形学, 按照国际标准化组织( I S O ) 在数据处理词典中对它下的定义是 ：“ 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形 ，并在专用设备上显示的原理 ，方法和技术的学科”。具体来说就是把描述图形所必须的信息一数据, 通过计算机处理, 呈现在显示设备上 , 实现数据的可视化。计算机图形学研究的内容是：几何元素和图形的生成方法 ，几何变换 ，图形( 填充 、 裁剪 、 消隐等 ) 算法 ， 图形数据结构 ， 几何造型以及图形 软 件的设 计 方法 等 。

机械设计和制造都离不开图形 ，伴随着计算机技术 的发展 ， 1 9 5 8年绘图机的出现 ， 突破了手工绘图模式， 人们第一次看到了机器绘图， 尽管绘图速度不高， 图形也简单， 但毕竟是用机器代替了手工，使绘图向自动化方向迈 出了关键的一步。这种绘图方式解决了简单图形的复制与保存 ， 使工厂在描图、晒图以及图纸保管方面的工作变得简单、 容易。所以它在提高质量 、缩短周期、 减轻劳动强度、 提高生产率等方面都起到很大作用。 1 9 6 2 年出现了交互式绘 图， 速度提高了 ， 实用性也更大； 2 0 世纪 8 0年代以后 ， 图形软件进一步发展完善： 由二维到三维 、 由静态到动画 、 由线 图到真实感图、 由客观模仿到主观创意、 以及与其它高科技结合等等。随着人类社会和科学技术的飞速发展 ， 计算机的硬件、计算速度与精度不断发展提高 ，图形技术将 日益满足于科学计算与工程技术的需要。

2 在 C A D ／ C A M 领域 的应用

C A D ／ C A M是计算机 图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 ， 在机械制造领域内也有广泛的应用 。 计算机图形学被用 来进 行 机械结 构 和产 品 的设 计 ， 包 括 设计 飞机 、 汽 车 、 船 舶的外形和发电厂 、 化工厂等的布局以及 电子线路、 电子器件等。图形技术不仅着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形 ，而且在图形中有错误时计算机能够 自动判断 ， 设计过程中的某个局部修改会 与其相关部分协调 自动修改 ( 包 括算式 ，数据和图形 ) ， 而运动的部分会 自动判断是否发生干涉或碰撞 。然而更常用 的是对所设计的系统 、产品和工程 的相关图形进行人 一 机交互设计 和修改 ，经过反复的迭代设计 ，便可利用结果数据输出零件表、 材料单、 加工流程和工艺卡 ， 或者数据加工代码。在飞机 工业 中，美 国波音飞机公 司已用有关 的 C A D系统实现波音 7 7 7 飞机的整体设计和模拟 ， 其中包括飞机外型、 内部零部件的安装和检验。模具 C A

D ／ C A M 是计算机 图形学在模具生产方面应用最热门的领域 ， 几乎遍及各行业所有 的模具 ， 引起 了 模具生产方式的革命性变化。在成型过程的分析、 模拟方面 ， 利用计算机产生成型物体随时间、压力 、温度等外部条件变化而产生的的图形 ， 以研究塑流、 缩胀 、 温度和压力的分布和在负载下的变形等 ， 为模具设计提供逼真场景画面和可靠数据 ， 同时也提供了真正安全、 快速 、 廉价的设计方式。计算机 图形学在机械制造领域内的数控加工大大地提高了加工精度和加工效率， 同时也大大降低了加工成本。 在数控加工图形仿真验证中 ，传统的图像空间离散方法提供的观察分析手段较少 ， 限制了它的应用 ； 而物体空间方法计算量大 ， 不具有实时性。在基本图像空间离散法的基础上对数据结构和算法作了改进的方法， 一方面不会失去仿真实时性 ， 另一方面为用户提供了更多且方便有效的分析观察手段，且具有物体空间方法的优点 。使用计算机模拟数控加工 ，对 N C程序的运行进行 图形仿真， 以此检验 N C程序和加工方法的正确性 ． 是一个非常有益的尝试。但是， 仿真技术涉及大量的计算 ， 效率低、 耗时多 ， 不能用于实际生产中。 离散的方法能使计算量大大降低 ， 在物体空间离散毛坯 和刀具能获得毛坯切削后的精确

表示 ，有利于对切削结果进行有效的观察分析 ， 更适用于 N C 程序的验证 ； V a n H o o k 采用 图像 空 间离 散 法 实 现 了加 工 过 程 的动 态 图形 仿 真 ，他 使 用 Z b u f f e r 消隐思想 ， 将实体按图像空间的像素 ( p i x e 1 ) 离散 ， 将计算简化为视线方 向上的一维布尔运算 ，较好地解决了实时性的问题。 但是 ， 传统的图像空间离散方法不能提供有效方便的观察分析手段 ， 限制 了它的应用。 根据 V a n H o o k 图像空间法的思想 ， 对数据结构和算法作 了改进 ， 使得在不失去仿真实时性的前提下 ，为用户提供了更多 、 更方便有效的分析观察手段 ， 而这些手段原本具有物体空间方法的特点。 3 在仿真领域的应用

仿真的目的是以色调图的形式将加工过程模拟出来 ， 并不追求图形的真实感效果 。所 以， 忽略光照模型， 以减化颜色值的计算 ， 这种忽略大大有助于产生实时效果， 且在 图形效果方面并未有 大 的影 响 。 为更好观察仿真效果 ， 对刀具 、 夹 具 、 毛坯 及 毛坯上切削新产生的表面都定义不同的颜色 ；考虑到刀具可能切削夹具的情况 ，也需定义一种颜色。同时， 每种颜色也须有一定数量 的灰度 级 。 一因为仿真的目的在于发现加工程序的错误和干涉情况 ，所以， 发生干涉的情况应优先表示出来 ， 不能被忽略。 加工毛坯的切削表面是用户观察的重点 ， 也应优先显示 。 刀具尺寸往往远小于毛坯的尺寸 ， 它应该比毛坯优先显示。上述的这种基于图像空间离散法的仿真方法 ，在仿真的过程 中。 可 以得到每一步切削的实体描述 ， 它允许用户从反方 向观察毛坯的情况和切削过程 ； 或者 ， 从开始用户就可选择多窗 1 3 的观察方式 ： 也允许剖切和缩放的观察方法 ， 这种方法的最大优点在于它的实时性非常高 ，显示处理时间只受到硬件及其驱动程序限制。 同时， 经过算法上的改进 ，它 能 较 精 确 地 确 定 毛坯 上 某 一 点的值 ， 给用户提供 了验证加工容差的能力。当离散的精度较高时 ， 测量值是非常精确的 ， 可以作为实际验证 。

4 真实感图形技术在制造领域的应用

真实感图形技术是计算 机图形学 中极具挑战性和实际意义的研究课题 。利用计算机绘制真实感图形具有很大的实用价值。随着人们生活水平及审美情趣的提高，在保证内在质量的前提下 ， 对大至飞机、 汽车 、 家用电器 ， 小至台灯、 笔具等产品外观造型的美感愈发重视 。 产品的市场竞争 ， 在某种程度上已演变为外观造型美感的竞争。在产 品的外形设计中， 采用真实感计算机图形技术可以替代传统的模型制作 ， 直接在计算机上从 多角度观察产品的外观设计效果 ， 不满意时还可方便地在屏幕上交互式地修改 。光栅扫描显示器的出现，为显示真实感图提供 了可能，加上图形技术各种算法相继完成 ( 如填充、 裁剪、 消隐、 光照等 ) ，改变了图形 “ 露骨”的状况。现在对三维物体除显示不 同颜色外 ， 还可以显示不同的材质 、 纹理 、 光照、 视点等 ； 使三维物体更接近真实 。 光栅图形技术的基本思想是 ，将显示屏幕划分为像素( p i x e 1 ) 阵列。通过对屏幕上不同区 域或像素填以不同的色彩或亮度来逼近真实的图像或图形。要生成一幅真实感计算机图形 ，需要根据光源的位置及分布、 物体的形状和朝向、 表面材料的性质， 计算画面中每一点的光强( i n t e n s i t y o f l i g h t ) 。 真实感图形的生成通常包括下述步骤 ： ( 1 ) 场景造型 ， 即用数学方法建立所需三维场景的几何描述 ， 并将它们输入计算机。 ( 2 ) 模拟光能在场景 中的传播和分布， 包括光线在景物问的吸收、 反射、 折射等过程。 ( 3 ) 根据一定 的光照模型计算画面上每一点投射到观察者眼中的光强值印色彩分量 ， 并将其转换成适合于显示器的颜色值。

( 4 ) 将计算所得画面显示在图像屏幕上 。

总之 ， 几百年来经过众多学者的研究与发展 、 计算机图形技术现已形成相对独立和完整的学科领域 。目 前 ，图形技术已广泛应用于人类生活的许多领域 。如： 电影 电视 、 文化教育、 机械制造、 建筑设计、 医学等等， 所有的一切都围绕着图形的产生 、 显

示、 变换 、 输出等几个基本环节。它改变着人们传统的生产生活方式 、 思维方式。随着微机、 工作站、 各种分布式系统的发展 、 各种图形软件的推陈出新 ， 计算机图 形技术将在机械领域和其他新领域有着更广 阔的发展前景。

计算机图形学在机械制造领域的应用

1 概 述

计算机图形学, 按照国际标准化组织( I S O ) 在数据处理词典中对它下的定义是 ：“ 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形 ，并在专用设备上显示的原理 ，方法和技术的学科”。具体来说就是把描述图形所必须的信息一数据, 通过计算机处理, 呈现在显示设备上 , 实现数据的可视化。计算机图形学研究的内容是：几何元素和图形的生成方法 ，几何变换 ，图形( 填充 、 裁剪 、 消隐等 ) 算法 ， 图形数据结构 ， 几何造型以及图形 软 件的设 计 方法 等 。

机械设计和制造都离不开图形 ，伴随着计算机技术 的发展 ， 1 9 5 8年绘图机的出现 ， 突破了手工绘图模式， 人们第一次看到了机器绘图， 尽管绘图速度不高， 图形也简单， 但毕竟是用机器代替了手工，使绘图向自动化方向迈 出了关键的一步。这种绘图方式解决了简单图形的复制与保存 ， 使工厂在描图、晒图以及图纸保管方面的工作变得简单、 容易。所以它在提高质量 、缩短周期、 减轻劳动强度、 提高生产率等方面都起到很大作用。 1 9 6 2 年出现了交互式绘 图， 速度提高了 ， 实用性也更大； 2 0 世纪 8 0年代以后 ， 图形软件进一步发展完善： 由二维到三维 、 由静态到动画 、 由线 图到真实感图、 由客观模仿到主观创意、 以及与其它高科技结合等等。随着人类社会和科学技术的飞速发展 ， 计算机的硬件、计算速度与精度不断发展提高 ，图形技术将 日益满足于科学计算与工程技术的需要。

2 在 C A D ／ C A M 领域 的应用

C A D ／ C A M是计算机 图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 ， 在机械制造领域内也有广泛的应用 。 计算机图形学被用 来进 行 机械结 构 和产 品 的设 计 ， 包 括 设计 飞机 、 汽 车 、 船 舶的外形和发电厂 、 化工厂等的布局以及 电子线路、 电子器件等。图形技术不仅着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形 ，而且在图形中有错误时计算机能够 自动判断 ， 设计过程中的某个局部修改会 与其相关部分协调 自动修改 ( 包 括算式 ，数据和图形 ) ， 而运动的部分会 自动判断是否发生干涉或碰撞 。然而更常用 的是对所设计的系统 、产品和工程 的相关图形进行人 一 机交互设计 和修改 ，经过反复的迭代设计 ，便可利用结果数据输出零件表、 材料单、 加工流程和工艺卡 ， 或者数据加工代码。在飞机 工业 中，美 国波音飞机公 司已用有关 的 C A D系统实现波音 7 7 7 飞机的整体设计和模拟 ， 其中包括飞机外型、 内部零部件的安装和检验。模具 C A

D ／ C A M 是计算机 图形学在模具生产方面应用最热门的领域 ， 几乎遍及各行业所有 的模具 ， 引起 了 模具生产方式的革命性变化。在成型过程的分析、 模拟方面 ， 利用计算机产生成型物体随时间、压力 、温度等外部条件变化而产生的的图形 ， 以研究塑流、 缩胀 、 温度和压力的分布和在负载下的变形等 ， 为模具设计提供逼真场景画面和可靠数据 ， 同时也提供了真正安全、 快速 、 廉价的设计方式。计算机 图形学在机械制造领域内的数控加工大大地提高了加工精度和加工效率， 同时也大大降低了加工成本。 在数控加工图形仿真验证中 ，传统的图像空间离散方法提供的观察分析手段较少 ， 限制了它的应用 ； 而物体空间方法计算量大 ， 不具有实时性。在基本图像空间离散法的基础上对数据结构和算法作了改进的方法， 一方面不会失去仿真实时性 ， 另一方面为用户提供了更多且方便有效的分析观察手段，且具有物体空间方法的优点 。使用计算机模拟数控加工 ，对 N C程序的运行进行 图形仿真， 以此检验 N C程序和加工方法的正确性 ． 是一个非常有益的尝试。但是， 仿真技术涉及大量的计算 ， 效率低、 耗时多 ， 不能用于实际生产中。 离散的方法能使计算量大大降低 ， 在物体空间离散毛坯 和刀具能获得毛坯切削后的精确

表示 ，有利于对切削结果进行有效的观察分析 ， 更适用于 N C 程序的验证 ； V a n H o o k 采用 图像 空 间离 散 法 实 现 了加 工 过 程 的动 态 图形 仿 真 ，他 使 用 Z b u f f e r 消隐思想 ， 将实体按图像空间的像素 ( p i x e 1 ) 离散 ， 将计算简化为视线方 向上的一维布尔运算 ，较好地解决了实时性的问题。 但是 ， 传统的图像空间离散方法不能提供有效方便的观察分析手段 ， 限制 了它的应用。 根据 V a n H o o k 图像空间法的思想 ， 对数据结构和算法作 了改进 ， 使得在不失去仿真实时性的前提下 ，为用户提供了更多 、 更方便有效的分析观察手段 ， 而这些手段原本具有物体空间方法的特点。 3 在仿真领域的应用

仿真的目的是以色调图的形式将加工过程模拟出来 ， 并不追求图形的真实感效果 。所 以， 忽略光照模型， 以减化颜色值的计算 ， 这种忽略大大有助于产生实时效果， 且在 图形效果方面并未有 大 的影 响 。 为更好观察仿真效果 ， 对刀具 、 夹 具 、 毛坯 及 毛坯上切削新产生的表面都定义不同的颜色 ；考虑到刀具可能切削夹具的情况 ，也需定义一种颜色。同时， 每种颜色也须有一定数量 的灰度 级 。 一因为仿真的目的在于发现加工程序的错误和干涉情况 ，所以， 发生干涉的情况应优先表示出来 ， 不能被忽略。 加工毛坯的切削表面是用户观察的重点 ， 也应优先显示 。 刀具尺寸往往远小于毛坯的尺寸 ， 它应该比毛坯优先显示。上述的这种基于图像空间离散法的仿真方法 ，在仿真的过程 中。 可 以得到每一步切削的实体描述 ， 它允许用户从反方 向观察毛坯的情况和切削过程 ； 或者 ， 从开始用户就可选择多窗 1 3 的观察方式 ： 也允许剖切和缩放的观察方法 ， 这种方法的最大优点在于它的实时性非常高 ，显示处理时间只受到硬件及其驱动程序限制。 同时， 经过算法上的改进 ，它 能 较 精 确 地 确 定 毛坯 上 某 一 点的值 ， 给用户提供 了验证加工容差的能力。当离散的精度较高时 ， 测量值是非常精确的 ， 可以作为实际验证 。

4 真实感图形技术在制造领域的应用

真实感图形技术是计算 机图形学 中极具挑战性和实际意义的研究课题 。利用计算机绘制真实感图形具有很大的实用价值。随着人们生活水平及审美情趣的提高，在保证内在质量的前提下 ， 对大至飞机、 汽车 、 家用电器 ， 小至台灯、 笔具等产品外观造型的美感愈发重视 。 产品的市场竞争 ， 在某种程度上已演变为外观造型美感的竞争。在产 品的外形设计中， 采用真实感计算机图形技术可以替代传统的模型制作 ， 直接在计算机上从 多角度观察产品的外观设计效果 ， 不满意时还可方便地在屏幕上交互式地修改 。光栅扫描显示器的出现，为显示真实感图提供 了可能，加上图形技术各种算法相继完成 ( 如填充、 裁剪、 消隐、 光照等 ) ，改变了图形 “ 露骨”的状况。现在对三维物体除显示不 同颜色外 ， 还可以显示不同的材质 、 纹理 、 光照、 视点等 ； 使三维物体更接近真实 。 光栅图形技术的基本思想是 ，将显示屏幕划分为像素( p i x e 1 ) 阵列。通过对屏幕上不同区 域或像素填以不同的色彩或亮度来逼近真实的图像或图形。要生成一幅真实感计算机图形 ，需要根据光源的位置及分布、 物体的形状和朝向、 表面材料的性质， 计算画面中每一点的光强( i n t e n s i t y o f l i g h t ) 。 真实感图形的生成通常包括下述步骤 ： ( 1 ) 场景造型 ， 即用数学方法建立所需三维场景的几何描述 ， 并将它们输入计算机。 ( 2 ) 模拟光能在场景 中的传播和分布， 包括光线在景物问的吸收、 反射、 折射等过程。 ( 3 ) 根据一定 的光照模型计算画面上每一点投射到观察者眼中的光强值印色彩分量 ， 并将其转换成适合于显示器的颜色值。

( 4 ) 将计算所得画面显示在图像屏幕上 。

总之 ， 几百年来经过众多学者的研究与发展 、 计算机图形技术现已形成相对独立和完整的学科领域 。目 前 ，图形技术已广泛应用于人类生活的许多领域 。如： 电影 电视 、 文化教育、 机械制造、 建筑设计、 医学等等， 所有的一切都围绕着图形的产生 、 显

示、 变换 、 输出等几个基本环节。它改变着人们传统的生产生活方式 、 思维方式。随着微机、 工作站、 各种分布式系统的发展 、 各种图形软件的推陈出新 ， 计算机图 形技术将在机械领域和其他新领域有着更广 阔的发展前景。