第一章绪论

第一章绪论

内容提要 • CAD/CAM的基本概念 • CAD技术发展概览 • 国内CAD市场状况及CAD/CAM主流软件产品 • CAD技术发展的趋势

一、CAD/CAM的基本概念

CAD CAD是一种利用计算机系统辅助人们对产品进行设计、分析、绘图及技术文档的编辑等设计活动的总称。它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。产品设计过程是指从设计的需求分析开始到设计完成产品的材料信息、结构形状和技术要求等，并最终以图形信息的形式表达出来的过程。

CAM 狭义： CAM是制造人员利用计算机系统编制数控程序。广义： CAM是制造人员利用计算机系统辅助制造的全过程。

CAM系统功能模型 NC加工程序 NC检测程序工艺路线文件工序内容文件零件信息 CAM 加工设备数据库 CAM软件

CAD／CAM软件系统 例如： • CADAM 由美国洛克希德(Lockheed)公司支持 • CALMA 由美国通用电气(GE)公司开发 • CV 由美国波音(Boeing)公司支持 • I-DEAS 由美国国家航空及宇航局(NASA)支持 • UG 由美国麦道(MD)公司开发 • CATIA 由法国达索(Dassault)公司开发

Pro/Engineer Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation 简称PTC)的产品，该软件以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎。 Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起。

I-DEAS I-DEAS 是美国SDRC(Structural Dynamics Research Corporation)公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件，也是该公司在CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。 I-DEAS Master Series 最大的突破在于VGX技术以及超VGX技术，极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。

CATIA CATIA系统是法国达索(Dassault)飞机公司Dassault Systems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统(原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司)基础上扩充开发的，在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序。 CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/ CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，具有很强的曲面造型功能。

Unigraphics(UG) UG起源于美国麦道(MD)公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。 UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。该软件具有很强的数控加工能力，可以进行2轴～2.5轴、3轴～5轴联动的复杂曲面加工和镗铣。UG还提供了二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK，允许用户扩展UG的功能。

SolidWorks SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/ CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程，它采用基于特征的实体建模，自称100%的参数化设计和100%的可修改性，同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观。

CAXA CAXA(Computer Aided X Advanced，X 意味着扩充) 是北京华正模具研究所( 北京航空航天大学721 研究所) 面向我国工业界推出的包括数控加工、工程绘图、注塑模具设计、注塑工艺分析及数控机床通讯等一系列CAD/CAM/CAE 软件的品牌名称。 CAXA-EB(Electronic Board 电子图板) 已经通过我国机械CAD 软件标准化审查。CAXA 电子图板是一个高效、方便、智能化的通用中文设计二维绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表及平面包装等设计。CAXA 电子图板还提供局部参数化设计和一个全开放的二维开发平台。

CAD技术发展的趋势 CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放性、集成化、智能化四方面。

第二章 图形技术

比例变换 Y 等比变换 X

错切变换

旋转变换 图形绕坐标原点旋转，逆时针为正。

计算机显示系统 显示系统是由显示器（Monitor）和显示控制适配器（Adapter,又称显示卡或图形卡）两部分组成。显示器的作用是将电信号转换为可以直接观察到的字符、图形或图像，是CAD中最为重要的人机交互设备。 CRT工作原理目前主要采用阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）技术和液晶显示LCD(Liquid Crystal Display)等技术设计的液晶显示器已获得广泛应用。

LCD显示器 • CRT显示器

1. 单色CRT 它利用电场产生高速的聚焦电子束，偏转到屏幕表面的不同部位，以产生可见的图形。主要组成部分：电子枪、聚焦系统、偏转系统和荧光屏。 CRT显示器简易结构图

CRT屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。CRT屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。荫罩式彩色CRT显色原理示意图

液晶显示器 液晶显示器原理液晶液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。 “液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。

(c) 胆甾相液晶 (b) 向列液晶 (a) 层列液晶

2. 光栅扫描显示器 光栅扫描显示器的工作原理是： 1. 屏幕网格化 2. 图形光栅化。它用帧缓存（frame buffer）存储每个像素点的光亮度值。3. 光栅化的像素值由偏转及颜色系统，在CRT屏幕显示。   屏幕                   m×n个像素

像素、像素坐标、扫描线、屏幕坐标 用像素网格的左下角表示像素用像素中心表示像素 y y  1   1 0 0  0 x 1 x 0 1 像素坐标(0,0) 屏幕坐标(0,0) 扫描线y=0 扫描线y=0

点的扫描转换 设(x,y)是图像区域中的一点，其中x,y均为实数。我们需要将它转换为图像空间中的一个像素(x’,y’)。方法1：取x’和y’分别为x和y的整数部分。

扫描转换 扫描转换的必要性计算机图形学中所研究的图形是从客观世界物体中抽象出来的带灰度（或彩色）及形状的图或形。计算机中表示一个图形常用的方法有两种：（1）点阵法：是用具有灰度或色彩的点阵表示图形的一种方法，它强调由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。（2）参数法：是以计算机中所记录的形状参数与属性参数表示图形的一种方法。形状参数可以是描述其形状的方程的系数、线段的起点和终点等；属性参数则包括灰度、色彩、线型等非几何属性。通常将参数法描述的图形称为参数图形，也称矢量图形。而把点阵法描述的图形叫做像素图形，简称图像。

扫描转换 矢量图形光栅图形一般地，复杂的图形是由基本的图形元素如点、线、圆及多边形构成的。这些图形元素通常是在连续的空间定义，而不是由离散图像空间中的像素定义。光栅图形的表示方法是点阵式，它的主要特点是面着色，即在指定的平面区域着上所需要的颜色。与单纯由线条所构成的线划图形相比，采用面着色绘制的光栅图形显得更为生动、直观，真实感更强。图形系统的任务之一就是将在连续空间中定义的几何元素转化为图像空间中的像素表示。这一转化任务称为扫描转换或光栅化。

直线段的扫描转换 典型地，图形学中的一条线指一条线段，它由两个端点及直线方程定义。 y P2(x2,y2) y=mx+b P1(x1,y1) x O

1. 直接应用直线方程 首先，将P1,P2扫描转换为像素坐标（x1’,y1’）和(x2’,y2’)。其次，设m=(y2’-y1’)/(x2’-x1’), b=y1’-mx1’。若|m|<=1,则对介于x1’和x2’之间的每个整数值x，用直线方程计算出y值并扫描转换(x,y)。若|m|>1,则对介于y1’和y2’之间的每个整数值y，用直线方程计算出x值并扫描转换(x,y)。缺点：因m,b都是浮点数，因此这种方法的每步都要进行浮点数乘法与加法计算。

例: 对于|m|<=1的直线段，应用斜率-截距式方程绘制该线段需要哪些步骤? • 计算dx: dx=x2-x1; • 计算dy: dy=y2-y1; • 计算斜率: m=dy/dx; • 计算截距b: b=y1-m·x1; • 设xend为x1与x2中的最大者，若dx<0,则x=x2,y=y2, 且xend=x1；若dx>0, 则x=x1,y=y1, 且xend=x2； • 检查整条线段是否绘制完毕，如果x> xend,则停止运行； • 在当前(x,y)坐标处画点； • 增大x: x=x+1； • 根据方程y=mx+b计算下一个y值； • 返回第6步。

2. DDA(Digital Differential Analyzer)算法 该算法是增量扫描转换方法。假设在第i步求出了直线上的点（xi,yi）。由于下一点满足于是，或这些公式在DDA算法中的应用如下：当|m|<=1时，我们从x=x1’(假设x1’<x2’)和y=y1’开始，令，则直线上每个后续y坐标值由计算。这一过程直到x=x2’为止。对|m|>1的情况可做类似处理。

例: 用伪码描述DDA算法，假设直线段的斜率满足: |m|>1。对于直线段的两个端点(x1,y1)和(x2,y2)，假设y1<y2。 int x,y=y1; float xf=x1, minv=(x2-x1)/(y2-y1); while(y<=y2) { x=Floor(xf+0.5);// Floor(x)表示取x的整数部分 setPixel(x,y);//在像素(x,y)处画点 xf=xf+ minv; y++;//即将y值增加1 }

DDA算法效率的评述: 优点: 较直接，用直线方程的方法速度更快。缺点: 浮点数和取整运算仍然费时。克服方法: 将增量m和1/m分成整数和分数两部分，使所有计算归结为整数操作(这里不再深入分析这种算法)。

Bresenham’s直线算法 该算法是扫描转换线段的精确高效的增量算法。它仅利用整数加法、减法及被2乘的乘法就可以得到数学上的精确结果。这种方法可推广应用到圆和其他曲线的扫描转换。

假设0<m<1 y Scan-converted points P2’  T yi+1   True line t  s s yi   P1’ S x xi xi+1 已知: (xi,yi) 确定(xi+1,yi+1))? 像素S: xi+1=xi+1,yi+1=yi 像素T: xi+1=xi+1,yi+1=yi+1 y=mxi+1+b s=y-yi ,t=(yi+1)-y

当s-t<0,取S，否则取T。 s-t=2m(xi+1)+2b-2yi-1 由m=dy/dx, 并令di=dx(s-t) 则di=2dy·xi - 2dx ·yi+C, 其中C=2dy+dx(2b-1) di+1-di=2dy(xi+1-xi)-2dx(yi+1-yi) 由xi+1=xi+1,有di+1= di+2dy-2dx(yi+1-yi) 如果di>=0,则选T, 此时di+1= di+2(dy-dx) 如果di<0,则选S, 此时di+1= di+2dy

可以算出: d1=2dy-dx 推导过程如下: 由di=2dyxi - 2dx yi+C, 其中C=2dy+dx(2b-1) 得d1=2dx●m●x1-2dx●y1+2m●dx+dx(2b-1) //注意:m=dy/dx =dx[2m(x1+1)+2b-2y1-1] =dx[2(mx1+b-y1)+2m-1] 由于 mx1+b-y1=0,所以 d1=dx(2m-1)=2dy-dx

已知直线段：从P1’(x1’,y1’)到P2’(x2’,y2’),其中已知直线段：从P1’(x1’,y1’)到P2’(x2’,y2’),其中 x1’<x2’, 0<m<1 则Bresenham’s直线扫描算法如下： int x=x1’, y=y1’; int dx=x2’-x1’,dy=y2’-y1’,dT=2(dy-dx), dS=2dy; int d=2dy-dx; setPixel(x,y); while(x<x2’){ x++; if (d<0) d=d+dS;

例：已知线段端点（20,10)及（30,18）,斜率m=0.8，这时，例：已知线段端点（20,10)及（30,18）,斜率m=0.8，这时， dx=10, dy=8, dT=-4, dS=16,d=6 我们首先画初始点（20，10），然后依次画点： else{ y++; d=d+dT; } setPixel(x,y); }

CAM

图像数控编程 图像编程简介二维半平面轮廓数控加工图像编程多维图像数控编程

1. 图像编程简介 图像编程即根据计算机图形显示器上显示零件的三维模型，在CAD/CAM软件系统支持下自动生成零件数控加工程序的编程过程.

图像编程的过程

图像编程的特点 1、用户不需要编写任何源程序，省去了调试源程序的繁琐工作。 2、编程过程直观、形象；编程效率及可靠性高。 3、实现了(CAD/CAM)设计制造的一体化。

图像编程刀位轨迹的构成

图像编程需设置或定义的参数 刀具参数的定义一般的CAD/CAM系统提供刀具库，编程者可从库中选出所需刀具，也可按照所需参数和尺寸定义新的刀具。

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