第5章-CAD相关技术..教学文案.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章-CAD相关技术.,CAPP,系统的功能,CAPP,是应用计算机快速处理信息功能和具有各种决策功能的软件来自动生成工艺文件的过程。,CAPP,系统一般具有以下功能：输入设计信息；选择工艺路线、决定工序、机床、刀具；决定切削用量；估算工时与成本；输出工艺文件以及向,CAM,提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件等。,CAPP,系统的结构组成,CAPP,系统的种类很多，但其基本结构主要可分为如下五大组成模块：零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库,/,知识库、人机界面和工艺文件管理,/,输出（如图所示）,。,CAD系统,零件信息获取,工艺决策,工艺文件管理与输出,零件,信息库,工艺数据库,知识库,工艺,文件库,人机交互界面,CAPP,系统的构成,CAPP系统的类型及其工作原理,CAPP,系统是根据企业的类别、产品类型、生产组织状况、工艺基础及资源条件等各种因素而开发应用的，不同的系统有不同的工作原理，就目前常用的,CAPP,系统可分为派生式、创成式和综合式三大类。,1,）派生式,CAPP,系统,派生式,CAPP,系统是在成组技术的基础上，按零件结构和工艺的相似性，用分类编码系统将零件分为若干零件加工族，并给每一族的零件制定优化加工方案和编制典型工艺规程，以文件形式存储在计算机中。,2,）创成式,CAPP,系统,创成式,CAPP,系统是一个能综合零件加工信息，自动地为一个新零件创造工艺规程的系统。,3,）综合式,CAPP,系统,综合式,CAPP,系统也称半创成式,CAPP,系统，它综合派生式,CAPP,与创成式,CAPP,的方法和原理，采用派生与自动决策相结合的方法生成工艺规程.,CAPP,系统的基础技术,1,）成组技术,利用事物的相似性，把相似问题归类成组并进行编码，寻求解决这一类问题相对统一的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益。零件分类和编码是成组技术的两个最基本概念。根据零件特征将零件进行分组的过程是分类；给零件赋予代码则是编码。对零件设计来说，由于许多零件具有类似的形状，可将它们归并为设计族，设计一个新的零件可以通过修改一个现有同族典型零件而形成。对加工来说，由于同族零件要求类似的工艺过程，可以组建一个加工单元来制造同族零件，对每一个加工单元只考虑类似零件，就能使生产计划工作及其控制变得容易些。,2,）零件信息的描述与输入,零件信息的描述与输入是,CAPP,系统运行的基础和依据。零件信息包括零件名称、图号、材料、几何形状及尺寸、加工精度、表面质量、热处理以及其它技术要求等。,3,）工艺设计决策机制,工艺设计方案决策主要有工艺流程决策、工序决策、工步决策以及工艺参数决策等内容。其中，工艺流程设计中的决策最为复杂，是,CAPP,系统中的核心部分。不同类型,CAPP,系统的形成，主要也是由于工艺流程生成的决策方法不同而决定的。为保证工艺设计达到全局最优，系统常把上述内容集成在一起，进行综合分析、动态优化和交叉设计。,4,）工艺知识的获取及表示,工艺设计随着各个企业的设计人员、资料条件、技术水平以及工艺习惯不同而变化。要使工艺设计能够在企业中得到广泛有效地应用，必须根据企业的具体情况，总结出适应本企业的零件加工典型工艺决策的方法，按所开发,CAPP,系统的要求，用不同的形式表示这些经验及决策逻辑。,5,）工艺数据库的建立,CAPP,系统在运行时需要相应的各种信息,如机床参数、刀具参数、夹具参数、量具参数、材料、加工余量、标准公差及工时定额等。,5.2,计算机辅助制造（,CAM,）技术,计算机辅助制造（,CAM,，,Computer Aided Manufacturing,）指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括,CAPP,、,NC,编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等,它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。随着技术的发展，,CAPP,已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给,MRP/ERP,系统来完成，,CAM,的概念有时可进一步缩小为,NC,编程的同义词。在这一节里，我们只介绍与NC编程有关的内容。,数控机床,数控机床是一种采用计算机、利用数字进行控制的高效、能自动化加工的机床,.,数控机床一般由加工程序及信息载体、数控装置、伺服驱动系统、机床本体、辅助装置以及其他一些附属设备组成，如图所示。,控制介质,数控装置,伺服系统,机床,检测装置,数控机床的组成,数控机床的分类,按控制系统分类,可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。,点位控制数控机床的特点是数控系统只能控制机床移动部件从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行任何切削加工。为了保证定位的准确性，根据其运动速度和定位精度要求，可采用多级减速处理。点位数控系统结构较简单，价格也低廉。,点位直线控制数控机床的特点是数控系统不仅要控制两相关点之间的距离，还控制两相关点之间的移动速度和轨迹，这类系统一般可控轴数为,2,3,轴，但同时控制轴只有一个。,轮廓控制数控机床的特点是数控系统能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每一点的速度和位置，也就是要控制移动轨迹，使机床加工出符合图样要求的复杂形状的零件。,按伺服系统的特点分类,可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。,开环控制数控机床是早期数控机床通用的伺服驱动系统，其控制系统不带反馈检测装置,没有构成反馈控制回路,伺服执行机构通常采用步进电动机或电液脉冲马达。,闭环控制数控机床的特点是其控制系统在机床移动部件上安装了直线位移检测装置，因为把机床工作台纳入了反馈回路，故称闭环控制系统，这种闭环控制系统的特点是定位精度高，调节速度快，但由于机床工作台惯量大，对系统稳定性带来不利影响，同时也使调试、维修困难，且系统复杂，成本高，故只有在精度要求很高的机床中才采用这种系统。,半闭环控制数控机床的特点将测量元件从工作台移到丝杠副端或伺服电动机轴端，构成半闭环伺服驱动系统。这种半闭环控制系统的特点是调试比较方便，并且具有很好的稳定性，系统的控制精度和机床的定位精度比开环系统高，而比闭环系统低。目前在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环控制系统。,按加工方式分类,可分为金属切削数控机床、金属形成类数控机床、特种加工数控机床及其他类型机床。,金属切削数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控铣床等；金属形成类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等；特种加工数控机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等；其他类型机床如火焰切割数控机床、数控三坐标测量机等。,按功能水平分类,可分为低档经济数控、中档数控系统和高档数控系统三类。,低档经济数控通常指由单板机、单片机和步进电动机组成的、功能比较简单、价格低廉的控制系统，主要用于车床、线切割机床以及旧机床的改造等。这类系统的伺服驱动系统采用开环伺服系统；联动轴数一般为,2,轴，最多为,3,轴；显示为数码或简单的,CRT,（阴极射线管）字符显示；主芯片,CPU,多为,8,位芯片。,中档数控系统也称为标准数控系统，是数控机床、加工中心使用最多的数控系统。这类系统的伺服驱动系统采用半闭环直流或交流伺服系统；联动轴数为,2,4,轴；有字符、图像,CRT,显示系统；主芯片,CPU,多为,16,位芯片；有,RS-232,或,DNC,（,Direct Numerical Control,）接口和内装,PLC,（,Programmable logic controller,）进行辅助功能控制等。,高档数控系统是高精度、高功能的数控机床系统。这类系统的伺服驱动系统采用半闭环或闭环直流或交流伺服系统；联动轴数为,3,5,轴；显示除中档系统功能外，还可以有三维图形显示；主芯片,CPU,采用,32,位芯片；通信功能除有,RS-232,或,DNC,接口外，有的系统还装有,MAP,（,Manufacturing Automation Protocol,）通信接口，具有联网功能；具有功能很强的内装,PLC,和多轴控制扩展功能。,数控机床的坐标系统,对数控机床的坐标轴和运动方向做出统一的规定，可以简化程序编制的工作和保证记录数据的互换性，还可以保证数控机床的运行、操作及程序编制的一致性。,数控加工程序编制,零件数控加工程序的编制是数控加工的基础，也是,CAD/CAM,系统中的重要模块之一。自数控机床问世至今，数控加工编程方法经历了手工编程、数控语言自动编程、图形交互式编程、,CAD/CAM,集成系统编程几个发展时期。当前，应用,CAD/CAM,系统进行数控编程已成为数控机床加工编程的主流。,数控加工程序编制,手工编程,（,1,）手工编程的内容和步骤,数控加工手工编程一般可分为如下几个步骤：,工艺处理,编程人员首先需对零件的图纸及技术要求进行详细的分析，明确加工的内容及要求。然后确定加工方案、加工工艺过程、加工路线、设计工夹具、选择刀具以及合理的切削用量等。,数值计算根据零件的几何形状、加工路线和数控系统的情况，计算出被加工几何元素的起点、终点、圆弧圆心等坐标点，从而计算出刀具运动轨迹。,编制零件加工程序,根据零件的工艺分析和数值计算的结果，按照数控机床所使用的指令代码编制零件加工数控程序。,输入数控程序,将零件加工数控程序通过控制面板上一条条手工键入数控系统，或通过磁盘读入，或用,RS-232,接口将数控程序输入到数控系统。老式的数控机床往往需要将数控程序制成穿孔纸带由机床附带的光电阅读机读入机床数控系统。,试切和修改,零件加工程序是否正确，通常采用试切法进行验证。目前市场上提供的高档数控系统一般带有切削加工模拟功能，可以在数控系统显示器上模拟加工情况，如发现错误，及时修改加工程序。,手工编程效率低，出错率高，不能用于复杂零件加工编程，因而它已逐渐被其它先进编程方法所替代。,CAD/CAM,系统自动编程,数控语言自动编程存在的主要问题是缺少图形的支持，除了编程过程不直观之外，被加工零件轮廓是通过几何定义语句一条条进行描述，编程工作量大。随着,CAD/CAM,技术的成熟和计算机图形处理能力的提高，直接利用,CAD,模块生成的几何图形，采用人机对话方式，在计算机屏幕上指定被加工部位，输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。这种利用,CAD/CAM,软件系统进行数控加工编程方法与数控语言自动编程相比，具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点，有利于实现,CAD/CAM,系统的集成，已成为当前数控加工自动编程的主要手段。,目前，市场上较为著名的工作站型,CAD/CAM,软件系统，如,UG,、,Pro/E,、,I-DEAS,、,CATIA,等都有较强的数控加工编程功能。这些软件系统除了具有通常的交互式定义、编辑修改功能外，能够处理各种不同复杂程度的三维型面的加工。,人机交互,CMM系统,CAD造型,加工工艺分析,加工方式,加工参数设置,刀具选择,刀具轨迹生成计算,刀具验证及编辑修改,后置处理,加工过程仿真,机床加工,加工,参数库,刀具库及,材料库,参数库,维护,刀具及材料库维护,CAD/CAM,系统数控编程步骤,CAD/CAPP/CAM,集成系统的关键技术,特征造型技术,特征,是,80,年代中、后期为了表达产品的完整信息而提出的一个新概念。它是一组与零件描述相关的信息集合。零件的特征描述的是其设计和制造等方面的信息。用特征描述的产品信息模型具有形态、材料、功能、规则等内容。,特征一般可,划分,为如下几类：形状特征和精度特征、管理特征、材料特征、装配特征。,特征关系,在一个CAD/CAPP/CAM系统中，对于通常的机械零件的常用特征，如孔、轴、槽等，应当建立一个特征类库，其中包含有各种基本特征的多各描述。而特征对象单个特征是特征类的实例，称为实例化特征。,各个特征之间、特征类和特征之间、以及特征类之间存在着各种各样的关系，为了描述和特征建模的方便，我们把特征之间的,关系,分为以下几类：,1,）邻接关系,邻接关系反映了主形状特征的空间相互位置关系。,2,）所属关系,特征对象与它所属的特征类之间的关系。,3,）引用关系,描述特征类之间作为关联属性而相互引用的关系。引用关系主要存在与形状特征对精度特征、材料特征等的引用，此时形状特征是其它被引用的非形状特征的载体。,4,）附属关系,当一个辅特征从属于一个主特征或另一个辅特征时，构成附属关系。,特征建模方法,特征建模的方法可分为交互式特征定义、特征识别和基于特征的设计三种。,1,）交互式特征定义,利用系统建立的几何模型，由用户直接通过图形交互拾取，定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种方法自动化程度底，产品数据难以实现共享，录入信息时易出错。,2,）特征识别,将几何模型与预先定义的特征进行比较，确定特征的具体类及其它信息，这种方法难度大，目前复杂零件的特征识别尚难解决。,3,）基于特征的设计,这种方法直接用特征建立产品模型，而不是事后去识别特征。用户设计时，直接用特征定义零件几何体，即将特征库中预定义的特征实例化，以之前例特征为基本单元建立特征模型。,采用基于特征的设计，用特征集来定义零件，完整地表达了设计意图，才能提供完整的产品信息。,CAD,、,CAPP,共用一个模型，各自获取所需信息，实现系统集成。,产品数据交换技术,随着信息技术在企业的深入应用，为满足数据信息能在不同系统与企业之间交换与共享，多种异构系统的集成，充分发挥用户应用软件的效益，必须有可靠的数据交换技术作支持，建立各系统软件都应遵守的数据交换规范，要求具有统一的产品数据交换模型，为此必须制定产品数据交换标准。,1.DXF,文件的图形数据交换方式,DXF,文件的图形数据交换方式是一种中性文件的交换方式，是美国,Autodesk,公司制定并首先用于,AutoCAD,的图形数据交换的文件格式，用于外部程序和图形系统或不同图形系统之间的数据交换。该方式结构简单，可读性好，易于被其他程序处理，已是事实上的工业标准，绝大多数,CAD,系统都能读入或输出,DXF,文件。其特点是当系统数增大时，接口数不会增加过多，但每次均需通过前后处理器接口的数据转换，运行效率较低。,2.IGES,文件的图形数据交换方式,IGES,文件的图形数据交换方式也是一种中性文件的交换方式，是由美国国家标准协会（,ANSI,）公布的美国标准，是图形信息交换的一种规范，它由产品的几何、绘图、结构和其它信息组成，目的是要定义不同,CAD,系统间几何设计数据的交换格式。,3.,统一的产品数据模型交换方式,STEP,标准,STEP,标准是由,ISO,工业自动化系统技术委员会制定的关于产品数据表示和交换的国际标准。该标准可建立以包括产品整个生命周期的、完整的、语意一致的产品数据模型，支持从零件及装配件，以,EXPRESS,语言作为,STEP,中数据模型的形式化描述工具，可满足产品生命周期内各阶段对产品信息的不同需求。,4.,应用,XML,建立产品数据交换标准,平台的差异制约了信息共享与数据交换，是造成传统软件移植性差、集成性差的关键因素之一。,Java,为程序设计提供一种与平台无关的语言,XML,（可扩展标记语言），它是在通用的字符集合中数据结构形式自由表现的语言，是万维网联盟建立的规范,为数据表达提供一种平台无关的格式，采用信息建模语言,EXPRESS,建立产品数据主模型，对产品数据主模型进行裁剪生成产品全生命周期各阶段的不同功能视图，基于,XML,实现产品数据的定义，消除特定数据格式造成的系统集成与信息共享屏障，为产品信息模型的规范化和产品数据交换的一致性提供保证。,产品数据管理技术（,PDM,）,产品数据管理,（,Product Data Management,，,PDM,）是指企业内分布于各种系统和介质中，关于产品及产品数据信息和应用的集成与管理。产品数据管理集成了所有与产品相关的信息。,PDM,将所有与产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成在一起。与产品有关的信息包括任何属于产品的数据,如,CAD/CAE/CAM,的文件、物料清单（,BOM,）、产品配置、事务文件、产品订单、电子表格、生产成本、供应商状况等。与产品有关的过程包括任何有关的加工工序、加工指南和有关批准、使用权、安全、工作标准和方法、工作流程、机构关系等所有过程处理的程序。它包括了产品生命周期的各个方面,PDM,能使最新的数据为全部有关用户应用,包括工程设计人员,数控机床操作人员、财会人员及销售人员都能按要求方便地存取使用有关数据。,PDM,是依托,IT,技术实现企业最优化管理的有效方法，是科学的管理框架与企业现实问题相结合的产物，是计算机技术与企业文化相结合的一种产品,。,PDM,与,CAD/CAPP/CAM,的集成,计算机集成制造系统（,CIMS,）,对于,CIMS,的认识，一般包括以下两个基本要点：,第一，企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营管理、产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的整体。,第二，企业整个生产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理的过程，而形成的最终产品也可看成是数据的物质表现形式。因此对,CIMS,通俗的解释可以是,“,用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。,”,整个,CIMS,的研究开发，即系统的目标、结构、组成、约束、优化和实现等方面，体现了系统的总体性和系统的一致性。,管理信息子系统,管理信息子系统,产品设计与制造自动化子系统,制造自动化或柔性子系统,计算机网络子系统,数据库子系统,CIMS,的构成,CIMS,一般可以划分为如下四个功能子系统和两个支撑子系统：工程设计自动化子系统、管理信息子系统、制造自动化子系统、质量保证子系统以及计算机网络子系统和数据库子系统。系统的组成框图如图,所示。,快速原型（RP）技术,快速原型技术（Rapid Prototyping Technology,简称RP）是国外20世纪80年代中后期发展起来的一种新技术，它与虚拟制造技术（Virtual Manufacturing）一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。快速原型技术对缩短新产品开发周期、降低开发费用具有极其重要的意义，有人称快速原型技术是继NC技术后制造业的又一次革命。目前RP技术已经成为各国制造科学研究的前沿学科和研究焦点。,快速原型技术的基本原理,它采用软件离散,材料堆积的原理实现零件的成形。,具体过程如下：首先利用高性能的,CAD,软件设计出零件的三维曲面或实体模型；再根据工艺要求，按照一定的厚度在,Z,向（或其他方向）对生成的,CAD,模型进行切面分层，生成各个棱面的二维平面信息；然后对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码；再对加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性；然后利用数控装置精确控制激光束或其他工具的运动，在当前工作层（三维）上采用轮廓扫描，加工出适当的截面形状；再铺上一层新的成形材料，进行下一次的加工，直至整个零件加工完毕。可以看出，快速原型技术是个由三维转换成二维（软件离散化），再由二维到三维（材料堆积）的工作过程。,快速原型技术的主要工艺方法,1,）光固化立体造型（,Stereo Lithography Apparatus,，简称,SLA,）,SLA,法是以各类光敏树脂作为成形材料，以氦,镉激光器为能源，以树脂受热固化为特征的快速原型方法。具体做法是，由,CAD,系统设计出零件的三维模型，然后设定工艺参数，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时，被照射的液态树脂固化。当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后移动工作台。加上一层新的树脂，进行第二层扫描，第二层就牢固地粘贴到第一层上，就这样一层一层加工直至整个零件加工完毕。,2,）分层物件制造（,Laminated Object Manufacturing,，简称,LOM,）,LOM,法的特点是以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为材料，利用,CO,2,激光器为能源，用激光束切割片材的边界线，形成某一层的轮廓，各层之间利用加热、加压的方法进行粘接，最后形成零件的形状。,该方法的特点是材料广泛、成本低。,3,）选择性激光烧结（,Selective Laser Sintering,，,SLS,）,SLS,法采用各种粉末（金属、陶瓷、蜡粉、塑料等）为材料，利用滚子铺粉，在计算机的控制下按照零件分层轮廓用,CO,2,高功率激光器有选择性地对粉末进行加热、烧结，被烧结处裹覆在粉末材料外的粘接剂溶化而使粉末材料粘结在一起，一层完成后再进行下一层烧结，直至烧结成块。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。利用该方法可以加工出能直接使用的塑料、陶瓷或金属件。,4,）熔融沉积造型,FDM,是一种不使用激光器而使用喷头的快速成形方法。它使用蜡、塑料、尼龙等丝状热塑性材料为原料，丝材由供丝机构送至喷头，利用电加热方式将蜡丝熔化成蜡液，根据零件,CAD,截面轮廓信息，在计算机的控制下喷嘴作,X-Y,平面运动，在扫描运动过程中，喷头内的蜡液被选择性地涂覆在工作台上制定的位置，经快速冷却后固化形成截面轮廓。如此沿,Z,方向一层层地涂覆，最终加工出三维产品原型或零件。该方法污染小，材料可以回收；比较适合成形小塑料件，且制作的零件的翘曲变形比,SLA,法小。,由于,FDM,过程中，丝状材料要经过,“,固态液态固态,”,的转变，故要求材料具有良好的化学稳定性。,虚拟现实技术,虚拟现实或称灵境（,Virtual Reality,）利用计算机产生一个让人以自然的视、听、触、嗅等功能感觉到三维空间环境，如同身临其境，从而可以用操作者自己习惯的能力和方法，对这个人为制造的“客观世界”进行观察、分析、操作和控制，最终沉浸其中。与通常意义上的多媒体相比，该技术将人、计算机间的信息交互通道由二维（声音和图像）扩大到多维（声音、图像和人的其它功能感觉），显示的图像由平面变为立体，因此，可以说它是多媒体技术进步的结果。,虚拟现实的特征,虚拟现实技术将,“,实物虚化，虚物实化,”,，所以，我们在虚拟环境（,Virtual Environment,）里，让同样会感到周围的一切也都是,“,看得见（戴上特殊设计的头盔）、摸得着（装上特殊设计的数据手套）,”,的。,VR,技术以下四个特征所构成的真实感，足以区别其它相邻技术，如计算机图形学、多媒体技术、仿真技术、科学计算可视化技术等。,1,）多感知性（,Multi-Sensation,）是指不仅包括视觉、听觉、触觉、运动感知，而且还应该包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。,2,）沉浸感（,Immersion,）又称存在感，是指操作者存在于虚拟环境中的真实程度，理想的虚拟现实应该达到使操作者感觉和真实环境一样的程度。,3,）交互性（,Interaction,）有两个方面：一是指操作者对虚拟环境中物体的可操作程度；另一个是指操作者从虚拟环境中得到实时反馈的自然程度。,4,）自主性（,Autonomy,）是指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。,虚拟现实的视觉原理,人的眼睛每只接受的都是二维图像，任何三维的物体投影到视网膜上以后都变成二维的图像了，但我们仍然能感觉所观察到的物体是立体的，真实的，有远近距离感，即从视觉上感知我们周围是一个三维世界，是因为大脑将两幅图像合成的结果。虽然现代科学对于人的眼-脑视觉成像原理、两幅图像的合成机理尚未完全搞清楚，但是我们可以初步理解为：,对同一个场景，左右眼分别得到一幅极其相似而又根本不相同的图像。左视区的信息，送到两眼视网膜的右侧。在视交叉处，左眼的一半神经纤维交叉到大脑的右半球，左眼的另一半神经纤维不交叉，直接到大脑的左半球。这样，两眼得到的左视区的所有信息，都送到右半球，如图,5.9,所示。,视交叉,右眼,右视区,左视区,视网膜,初级视觉皮层,视神经,图5.9 人的眼-脑视觉成像原理,右视线,左视线,如果把两只眼睛的视网膜重叠到一起，则重叠的两幅图像并不完全重合，如图,5.10,所示为图像对重叠像。两幅图像中任意两个对应点在视网膜上的水平距离称为位差，正是这一距离才使我们产生体视的感觉。大脑通过比较两个视网膜上的二维图像的不同就能感知到物体的立体形状和距离远近。再加上透视投影、颜色、明暗有时加上物体的运动，使我们得到的真实感更加完美。,大脑通过一,只眼睛的图像也能感受到物体的三维形状和距离，因为一只眼睛视网膜上的图像信息同样会被分别送到左右两个大脑半球，并将其合成为立体感。但是人脑从一只眼睛的视网膜上获得的三维信息很有限，其距离感、真实感要差很多，甚至经常会产生错觉。,人脑感知三维的世界除了要利用两眼成像的不同进行对比之外，还要利用透视投影、物体相对眼睛的运动和灯光与阴影等信息。,VR的基本硬件,虚拟现实系统一般可分为桌面虚拟现实系统,(Desktop VR),、沉浸式虚拟现实系统,(Immersive VR),、分布式虚拟现实系统,(Distributed VR),和遥控系统。典型的虚拟现实系统结构包括虚拟环境产生器、效果产生器、应用系统和几何造型系统等。增强式虚拟现实允许参与者看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境重叠在一起。该系统主要依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠。,沉浸式虚拟现实主要利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音、力与触觉等方式，并且有效地屏蔽周围现实环境,(,如利用头盔显示器、,3,面或,6,面投影墙,),，使得被试完全沉浸在虚拟世界中。网络分布式由上述几种类型组成的大型网络系统，用于更复杂任务的研究。,VR,的基本硬件如下：,高档工作站：用于生成和处理图形图像。图像生成是虚拟现实系统中最耗费时间的一项任务。,3D,鼠标：与虚拟世界交互的关键之一是跟踪真实物体的位置，实现位置跟踪，如图,5.13,所示。,数据手套,(Data Glove),：这种手套的手指装有传感器，整个手套装有位置,/,方向跟踪器，如图,5.14,所示。,图5.13 3D鼠标,图5.14 数据手套,头盔：是和虚拟现实联系极其密切的一种硬件装置，看起来象头盔或风镜。头盔在使用者眼睛的前面装有小型视频显示器，分别播放左右眼的图像，利用特殊的光学系统聚焦和拓展使用者视野，如图,5.15,所示。,声音发生器：虚拟境界中要求的声音系统为三维声音，即真实境界中的听觉方式。,图5.16 眼镜,图5.15 头盔,VR,技术,实质是构建一种与人可自然交互的,“,世界,”,，允许参与者实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是其最理想的追求。实现的主要方式即为让他戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器，用听、触和视觉在虚拟场景中体验。近年来，尽管桌面式,VR,系统有一定的局限性，被称为,“,窗口仿真,”,，但因成本低廉而仍然获得了广泛应用。,投影式虚拟系统的性能介于两者之间，它用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境，亦成为开发的热点之一，如图所示。,投影式VR系统,1、2、3、4为投影机,1,2,3,4,虚拟设计,/,虚拟装配技术,虚拟设计是以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。借助于这样的设计手段，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助人们深化概念，萌发新意。简言之，在虚拟现实环境中从事设计活动就称之为虚拟设计。,虚拟现实技术与已经高度发展的CAX系统的有机结合，为产品的创意、变更以及工艺优化提供了虚拟的三维环境。,设计人员借助于这样的虚拟环境在产品设计过程中，对产品进行虚拟加工、装配和评价进而避免设计缺陷，有效地缩短产品的开发周期，同时降低产品的开发成本和制造成本。,这项技术对产品的概念设计、装配设计和人机工程学评价特别有益，因此对这三个方面的应用研究倍受重视。目前，人们对这项技术的认识不很一致，命名方法也不尽相同，这里我们称之为虚拟设计（,VD,，,Virtual Design,）。,虚拟设计同传统,CAD,的区别,虚拟设计和传统CAD技术有的主要差别在于：,（1）VR具有两个重要特征，即交互和实时，而传统CAD做不到；,（2）VR使设计者呈主动状态，设计者能身临其境。而对于传统CAD，设计者只是被动的观察者；,（3）VR的图形真实感强，有远、近、纵、深的感觉，这是传统的CAD所做不到的；,（4）利用VR技术可以实现产品生命全周期的管理，多产品和新旧产品同时开发和资源共享。,虚拟模型（,Virtual prototyping,）,（1）基于微机的虚拟环境体系结构 计算机硬件发展的日新月异为基于微机的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。,（2）基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法 采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地减少模型的数据量，以满足实时交互性要求。,（,3,）基于图像的虚拟现实关键技术,图像建模具有模型简单、数据量小的优点，适合于微机环境的实时建模和浏览。如何建立快速图像压缩和解压缩算法，实现基于图像的机械产品模型的三维重建等是关键。,通过这个虚拟原型，我们可以做到：,（1）进行多方案对比，从中选出最佳方案；,（2）设计者通过虚拟原型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装配性，即时修改错误；,（3）通过虚拟原型，可以进行虚拟试验，而不用再去做更多的实物试验。这样，既节省了时间又节约了费用。图5.18所示为汽车驾驶人机工程仿真。,图5.18 汽车驾驶人机工程仿真,虚拟设计系统结构,虚拟环境生成器,计,算,机,接,口,图5.19 虚拟设计系统结构示意图,视、听、触觉输入交互工具,视、听、触觉输出交互工具,声音语音力觉接触等多感知接口,虚拟装配设计,虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）可以看作是虚拟设计的组成部分。借助于虚拟设计系统，设计人员可在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验。以便发现产品设计中最常见也最难发现的装配和维修方面存在的问题。虚拟装配设计技术的出现为及时发现并彻底解决这类问题带来了希望。,虚拟装配设计用于碰撞检测、装配序列规划、几何约束、拆卸和装配路径检测。虚拟装配及检测如图5.20所示，图5.21、图5.22所示为利用数据手套操作进行“手工”装配。,图5.20 发动机装配,图5.21 数据手套,图5.22 虚拟装配,科学计算机可视化,可视化研究运用计算机图形学和图像学处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果的数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理，使研究者可以一目了然地获得被研究现象的变化规律及分布情况。从而摆脱人们只能面对计算出的大量数据进行抽象分析等繁琐过程，缩短研究周期，提高研究效率。,科学计算可视化是计算机图形学的一个重要领域，它的核心是将三维数据转换为图形图像，它涉及到标量、矢量、张量的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形及图象处理的向量及并行算法等。,随着计算机、图形图像技术的飞速发展，人们现在已经可以用丰富的色彩、动画技术、三维立体显示及仿真（虚拟现实）等手段,形象地显示各种地形特征和植被特征模型，也可以模拟某些还未发生的物理过程（如天气预报）、自然现象及产品外形（如新型飞机）。,目前，科学计算可视化已广泛应用于流体计算力学、有限元分析、医学图像处理、分子结构模型、天体物理、空间探测、地球科学、数学等领域。从可视化的数据上来分，有点数据、标量场、矢量场等；有二维、三维，以至多维。从可视化实现层次来分，有简单的结果后处理、实时跟踪显示、实时交互处理等。通常一个可视化过程包括数据预处理、构造模型、绘图及显示等几个步骤。随着科学技术的发展，人们对可视化的要求不断提高，可视化技术也向着实时、交互、多维、虚拟现实及因特网应用等方面不断发展。,科学计算可视化的基本流程,三维空间数据场的数据即体数据是科学计算可视化主体。体数据就是包含对象内部信息的三维实体，它不同于传统的图形数据，它包含的信息更丰富、更完整，而且更适合于表示不规则的（象生物组织、山脉、树木等）与无形的目标（烟云等）。,数据采集与生成,数据压缩与处理,可视化映射,体绘制,显示,科学计算可视化的基本流程,科学计算可视化的应用,科学计算可视化应用十分广泛，几乎涉及自然科学和工程技术的各个领域，如医学、计算流体力学（,CFD,）、有限元分析（,FEA,）、化学、生命科学、天气预报、天体物理、油气田、遥感、电信、财经分析等。,如图,5.24,的天气形势和图,5.25,所示为龙卷风袭击城市仿真模型。,图5.24 天气形势图,图5.25 模拟龙卷风袭击城市,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,