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1CAD和CAM領(lǐng)域的計算機(jī)圖形技術(shù)的應(yīng)用

隨著機(jī)械制造規(guī)模越來越大，要求的精度越來越高，如果沒有計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和計算機(jī)輔助制造（CAM）的支持，是很難完成大型機(jī)械設(shè)備的規(guī)模化生產(chǎn)。目前飛機(jī)、輪船、電子電路、建筑施工、工廠布局、機(jī)械零件制造都離不開CAD和CAM。計算機(jī)圖形技術(shù)現(xiàn)在不僅僅是在這些應(yīng)用領(lǐng)域里參與設(shè)計，并且在圖形設(shè)計過程中，如果出現(xiàn)錯誤還會得到及時的提醒，以避免生產(chǎn)不合格的零件。隨著計算機(jī)圖形設(shè)計軟件功能的強(qiáng)大，能夠通過計算機(jī)圖形處理技術(shù)完成對其他圖形設(shè)計模塊的自動更新，包括算式、圖形里的各類數(shù)據(jù)，以及圖形的整體形狀。通過圖形動態(tài)模擬，還能夠判斷這個設(shè)計的結(jié)果在實(shí)際的使用中是否產(chǎn)生干涉和碰撞，從而避免機(jī)械設(shè)計時就可能出現(xiàn)的缺陷。除此之外，整個大型工程的圖形設(shè)計，可以依靠計算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式修改，經(jīng)過迭代設(shè)計之后，還可以通過設(shè)計結(jié)果輸入相應(yīng)的零件表、加工流程及工藝卡，甚至是有關(guān)數(shù)控加工代碼，直接導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床就能夠完成對零件的精確加工。

數(shù)控加工技術(shù)的出現(xiàn)，更是讓計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展插上了騰飛的翅膀，現(xiàn)在基于數(shù)據(jù)機(jī)床（CNC）的計算機(jī)圖形技術(shù)，能夠讓加工變得更加精確，極大地提高了加工的精確度和加工效率。根據(jù)圖像的空間離散法，并在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，能夠有效地提升仿真實(shí)時性，提升了對虛擬圖形設(shè)計參數(shù)的精確度。通過計算機(jī)輔助設(shè)計和輔助制造技術(shù)，在相應(yīng)的設(shè)計軟件中，模擬CNC數(shù)控機(jī)床的加工過程對檢驗數(shù)控加工程序和加工方法的正確性是具有很大幫助的。

不過目前仿真技術(shù)對計算機(jī)設(shè)備的要求較高，需要涉及到大量的數(shù)據(jù)處理，所以整個模擬過程耗時較長，因此不利于大型機(jī)械制造的仿真模擬。不過空間的圖像離散方法則能夠讓計算量降低很多，而且還更加有利于CNC程序的驗證，比如VANHOOK就采用了圖像空間離散方法，依托計算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CNC加工過程的動態(tài)圖形模擬，VANHOOK采用了Zbuffer的消隱思想，將實(shí)體圖像按照實(shí)際的圖像空間的像素進(jìn)行離散，將三維計算轉(zhuǎn)化成同一視線方向的布爾運(yùn)算，極大提升了計算效率，解決了實(shí)時模擬問題。

2模具設(shè)計和生產(chǎn)方面計算機(jī)圖形技術(shù)的研究

模具作為機(jī)械制造的一個不可忽視的環(huán)節(jié)，同樣也是CAD和CAM大展舞臺的場所，目前手機(jī)、電腦、機(jī)械、汽車、電子等各個領(lǐng)域都離不開精密零部件，這些精密零部件都需要各種模具來制作，大到飛機(jī)輪船的外殼小到一個手機(jī)的耳機(jī)雜件，都需要模具來實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。而計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，則讓模具的生產(chǎn)方式發(fā)生了徹底的改變。通過計算機(jī)圖形技術(shù)來仿真生產(chǎn)成型的物體隨時間、壓力和溫度等生產(chǎn)條件的變化而出現(xiàn)不同的物體圖形，來幫助模具的設(shè)計。這樣一來，就能夠有效地改善模具結(jié)構(gòu)和規(guī)模，在同一個模具上，增加更多的穴位提供了可能，增加了生產(chǎn)效率。

對基于模具成型過程的研究，通過對制造模具過程的研究和分析，利用計算機(jī)圖形技術(shù)來對這些過程進(jìn)行圖形的實(shí)時顯示和控制，從而能夠進(jìn)一步提升模具的精確度。利用計算機(jī)將整個模具加工過程，以及基于模具的成型過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且以圖表、餅狀圖以及進(jìn)程圖、生產(chǎn)管理的績效圖、統(tǒng)計圖、品質(zhì)趨勢圖來直觀的顯示在顯示設(shè)備上，就能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)以簡單的圖形來直觀顯示，能夠讓人一目了然，便于決策者獲得準(zhǔn)確的信息并得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

3仿真領(lǐng)域方面計算機(jī)圖形技術(shù)的研究

隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，利用空間圖像離散法，能夠?qū)C(jī)械加工過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時的仿真模擬。仿真技術(shù)一般會忽略光照模型，這樣能夠減少顏色算法，因為顏色的變化并不影響加工物體最終的質(zhì)量，所以為了提升實(shí)時仿真的速度，就需要避免那些不影響加工結(jié)果的輔助元素，從而實(shí)現(xiàn)提升模擬仿真的精確程度。機(jī)械加工過程仿真目的就是為了發(fā)現(xiàn)加工程序的錯誤和產(chǎn)生的干涉問題。特別是干涉問題，往往會給機(jī)械設(shè)備造成極大的危害，在模擬仿真的過程中，一旦出現(xiàn)就要優(yōu)先標(biāo)示出來，同時加工毛坯的切削表面也是用戶觀察的重點(diǎn)部分，在模擬仿真的實(shí)時圖形顯示中，應(yīng)該優(yōu)先顯示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題后，再進(jìn)行程序的改進(jìn)和圖形設(shè)計的改進(jìn)，從而提升一次生產(chǎn)成功率。

上述基于空間圖形離散法的仿真技術(shù)，能夠在仿真模擬的過程中得到每一個環(huán)節(jié)實(shí)體被切削的顯示和描述，能夠讓用戶從反方向或者選擇多窗口的方式來觀察整個切削剖切的過程。基于這種空間離散的仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的實(shí)時性，基本上在模擬操作的過程就能夠?qū)崿F(xiàn)對過程的全程數(shù)據(jù)檢測，其速度僅僅限制在硬件設(shè)備和驅(qū)動程序上，如果選擇小型計算機(jī)或者中型計算機(jī)來進(jìn)行實(shí)時模擬的話，就能夠?qū)崿F(xiàn)所見即所得。而且隨著離散算法的改進(jìn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測定毛坯上某一點(diǎn)的值，從而提升加工精度。

4真實(shí)感圖形技術(shù)的應(yīng)用研究

計算機(jī)圖形技術(shù)如今已經(jīng)發(fā)展到真實(shí)感圖形技術(shù)，這是未來圖形技術(shù)發(fā)展的方向，而且現(xiàn)在已經(jīng)有很多CAD和CAM設(shè)計軟件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)絕大多數(shù)功能，比如UG，PROE等三維CAD設(shè)計軟件等，利用計算機(jī)繪制真實(shí)感圖形，并將這些立體感圖形直接輸入到“打印機(jī)”中，就能夠從打印機(jī)中直接打印出真實(shí)的物體。目前這種技術(shù)已經(jīng)開始被應(yīng)用，當(dāng)然打印出來的物體相對較為簡單，不過這些技術(shù)正是顯示了真實(shí)感圖形技術(shù)的優(yōu)勢所在。通過真實(shí)感圖形技術(shù)，繪制的圖形還能夠替代早先的模型制作，直接就能夠在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多角度的觀測，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，還能夠通過屏幕實(shí)現(xiàn)交互修改，提升了模型設(shè)計的速度。

真實(shí)感圖形技術(shù)需要光柵掃描顯示器的支持，如今光柵掃描顯示器已經(jīng)從之前的電子槍發(fā)展到現(xiàn)在的液晶顯示器，再加上專業(yè)的圖形顯卡和OPENGL圖形驅(qū)動程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體進(jìn)行貼材、紋理、光照以及視角等不同處理，使得三維物體變得更加真實(shí)。如今好萊塢電影的很多機(jī)器人的特效，就是基于機(jī)械設(shè)計的真實(shí)感圖形技術(shù)的展示。

5結(jié)束語

目前計算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)成了獨(dú)立的一門學(xué)科，依托計算機(jī)的發(fā)展，計算機(jī)圖形學(xué)在機(jī)械制造領(lǐng)域中將會發(fā)揮出越來越重要的作用，從而為建造高精度、高復(fù)雜度的機(jī)械設(shè)備帶來可能，同時也能夠提升加工這些高精度高復(fù)雜度的效率。與此同時計算機(jī)圖形技術(shù)也開始滲透到生活的各個角落，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域?qū)迂S富。

作者：潘紋單位：黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院