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异形螺杆加工过程三维动态仿真系统研究与实现论文
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第一章 计算机图形学简介 小学其它科目ppt课件教案PPT,课件8,第1章,ppt
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第一章 计算机图形学简介 小学其它科目ppt课件教案
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计算机图形学练习题
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你可能喜欢沈阳工业大学硕士学位论文；１绪论；１．１课题提出的意义；在石油、化工等行业中Ｊ；利用数机床加工零件时，加工前一般要进行数控程序的；１．２数控仿真技术在国内外的研究概况；自１９４８年数控机床设想提出到现在，数控技术迅速；沈阳ｒ业大学硕十学位论文；国外在ＮＣ加工过程仿真方面做了大量的研究工作，多；ａｎｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓＴ；目前国内的ＮＣ加
沈阳工业大学硕士学位论文
１．１课题提出的意义
在石油、化工等行业中Ｊ。泛使用各种螺旋杆机械，这些机械装备大多数都是各行各业中的关键和先进设备，如螺旋杆钻具是石油钻井行业中打定向井的关键设备，螺旋泵是采油和输油等行业中的一种替代其它类型泵的先进设备等。其中，螺旋转子制造技术是多年来一直困扰其发展的关键难题。从１９９４年起，沈阳工业大学数控研究中心即对复杂异形螺旋面加工进行攻关研究，在国内首先提出了无瞬心包络加工方法，并对其包络加工原理、控制过程、机床结构、数控编程方法、刀具结构等进行了系统的多方面的研究并取得了一定成果【ｌｌ。
利用数机床加工零件时，加工前一般要进行数控程序的（ＮＣ代码）校验，检查刀具的运动轨迹是否正确，判断加工参数选择是否合适等，并需要根据刀具对加工工件是否产生干涉等来选择合适的刀具。目前，实际加工中普通采用的是试切法，即通过对部分工件的试加工和测量来调整参数和选择工具。这种试切可能要经过多次反复。工件越复杂，ＮＣ代码的误码率就越高。对于一个具有复杂曲面的工件的加工，需要花费大量的时间和费用在机床上试切来检验刀具路径。这不但浪费了大量的人力物力，而且延缓了生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率。如果利用计算机进行仿真加工，并检验数控加工程序代码，不仅直观、快速，而且能够及时反馈加工过程的参数，并及时对ＮＣ代码进行调整，不需要额外的费用，对缩短产品的试制周期、降低成本、提高数控加工效率具有十分重要意义。
１．２数控仿真技术在国内外的研究概况
自１９４８年数控机床设想提出到现在，数控技术迅速得到了发展，进入７０年代以后，Ｎｃ技术已成为计算机辅助设计和制造（ＣＡＤ／ｃＡＭ）的一部分。数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。与此同时．随着计算机的发展，出现了计算机图形仿真技术，把图形技术引入到零件的数控加工过程当中，可以更加形象地、直观地以动画的形式在屏幕上再现数控加工的全过程。
沈阳ｒ业大学硕十学位论文
国外在ＮＣ加工过程仿真方面做了大量的研究工作，多侧重于刀具轨迹的显示。如美国Ｍｉｓｓｏｕｒｉ－－Ｒｏｌｌａ大学提出ＣＮＣ机床微机仿真软件，用Ｐａｓｃａｌ语言编写，在ＩＲＭ―Ｐｃ微机上进行ＣＮＣ车床的图形仿真，通过二维图形显示刀具轨迹和毛坯随刀具轨迹变化时发生的变化，并在屏幕上给出对应加工状态。美国Ｈｏｕｓｔｏｎ大学提出Ｎｃ车床仿真器，可建立二维车床模型和模拟Ｎｃ车床操作，可训练学生学习零件编程技术，包括操作错误、语法检查，并能进行动画仿真。美国Ｎａｔｉｏｎａｌ
ａｎｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ提出针对腔铣削的三维加工零件的加工轨迹算法及显示，并检查了刀具接触角。意大利Ｂｏｌｏｇｎａ大学用Ｂ样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实图形显示三轴铣床粗铣加工过程。ＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＭａｃｅｄｏｎｉａ采用图形动画技术开发出了一种基于Ｐｃ的数控机床切削过程检验模型并可在切削过程中实时地演示刀具一工件的系统，从而达到了验证ＮＣ刀具的目的。在集成了可视交互建模（ＶＩＭ）和可视交互仿真（ＶＩＳ）技术的基础上，日本的ＨｉｒｏｓｈｉｍａＤｅｎｋｉ工学院通过引入面向对象数据结构、可视化设计和智能管理概念开发了一种ＶＩＳＳ系统，可有效她进行ＦＭＳ建模，降低ＦＭＳ开发费用。西德提出的Ｃｏｓｉｍａ图形仿真系统，能够识别程序中的大部分几何图形错误，从而改善ＮＣ编程质量，大大缩短机床上的装机调试时间，并以ＤＥＣＫＥＬＤＣ３Ｄ加工中心的实体模型模拟加工中心的ＮＣ加工过程，适用于通常的Ｎｃ加工，也适于柔性制造系统的仿真。
目前国内的ＮＣ加工过程仿真系统的开发于研制多在微机上进行。但由于微机的内存、速度等原因，工件、刀具的图形显示多采用两个视图的二维图形显示。如华中理工大学的ＮＣＰＲＯＯＦ软件系统，具有图形显示和ＮＣ程序的计算机编程能力，通过生成刀具轨迹，利用二维动画图形显示较直观地仿真Ｎｃ程序加工过程，检查Ｎｃ程序语法及加工过程的错误（如坐标尺寸、干涉等），生成过程报告、刀具使用报告及错误报告，可用于ＳＩＮＵＭＡＲＩＫ８ＭＣ数控系统的加工中心ＮＣ加工程序的检验和仿真。又如同济大学开发的Ｎｃ程序微机动画仿真系统，亦以二维图形方式动态模拟加工过程，整个程序的仿真时间与实际加工相吻合，但也可根据用户要求成比例地快速或慢速仿真，能满足生产现场对其实时性的要求。另外，山东工业大学开发的ＮＣＤＳＳ系统是以ＡＵＴＯＣＡＤ绘图包为基础，采用特性造型技术，用Ａｕｔｏｌｉｓｐ语言，通过对箱体类零件信息描述文件及工艺文．２．
沈刚工业大学硕士学位论文
件的处理，可自动生成卧式加工中心的Ｎｃ程序，并对加工过程进行动态模拟显示，检验Ｎｃ程序的诈确性。哈尔滨工业大学利用ｃ＋＋和动画制作软件３ＤＳｔｕｄｉｏ编写的Ｎｃ仿真程序可三维演示数控加工车削过程，但其演示过程不涉及精度、变形计算，并且山于仿真需要调用３ＤＳ进行渲染和着色，故占用时间长，速度慢，不能进行实时仿真，只能进行定性分析。
近来由于工作站在国内的用户逐渐增多，且工作站具有高速度，大存储及较强的图形功能，可用三维图形逼真地再现实际过程，因此数控加工过程的仿真开发工作亦开始在工作站上展开。如清华大学的ＮＣ加工三维仿真系统ＮＣＭＳＳ系统，就是用Ｃ语言在ＡＰＰＯＬＯ工作站上实现的，可在任选视图（三视图和立体图）上直观地显示刀具加工轨迹和工件轮廓，还提供了一套功能完备的调试、编辑、修改、跟踪执行功能，但刀具真实图形显示还未达到理想水平。此外，还有针对雕塑面及复杂表面的系统，如北京航空航天大学提出的以面向对象编程方法、充分利用历史数据库来简化ＣＩＭ建模过程的系统等等。目前，这些系统有的尚处于开发和完善之中，但大多受工作站投资大、管理和维护复杂的局限，未能在实际中得到广泛应用。
１．３科学计算可视化与仿真技术的发展
１．３．１计算机图形学的发展
计算机图形学是伴随着电子计算机及其外围设备的发展而产生和发展起来的，而在机械、土建、影视广告等各个领域的广泛应用也推动了这门学科的发展。随着不断解决实际应用当中提出的各种新课题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。现在它已经发展成为对物体的模型和图形进行生成、存储和管理的新学科。
１９６２年ＩｖａｎＥ．Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ在其博士论文中首次使用了计算机图形学这个术语，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。从６０年代中期，计算机图形学进入了迅速发展并逐步得到广泛应用的新时期。在７０年代这方面的技术进入了实用化的阶段。８０年代，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站，使得在人一机交互中位图图形的使用同益广泛。９０年代，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。国际标准化组织公布了很多关于图形学方面的标准。多媒体技术、人工智能和专家系统技术．３．
沈阳工业大学硕士学位论文
与计算机图形学的结合使其应用效果越来越好。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时眭方面将得到飞速发展。
随着计算机系统和图形输入输出设备的发展，计算机图形软件及其生成、控制算法也有了较大的发展。
近几年来，人们相继开发了一些计算机图形软件系统。如Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司和ＳＧＩ公司等用现有的计算机语言写成的子程序包。用户在使用时可以按照相应计算机语言的规则调用所需要的子程序来生成各种图形。现在使用较广泛的图形子程序包有ｏｐｅｎＧＬ、ＤｉｒｅｃｔＸ中的部分组件和Ｇｌｉｄｅ等。用其中的子程序可实现各种基本绘图及显示功能，各种图形设备及交互过程中各种事件的控制和处理。
计算机图形学涉及的算法很多，大致可分为以下几类：
基本图形元素生成算法。
１）本图形元素的几何变换、投影变换和裁剪等。
２）线和曲面的插值、拟合、分解等。
３）点、线、面、体等的求交和集合运算等。
４）隐藏线、面的消除、关照处理等。
５）各种字符的生成与变换。
６）分形图如山、水、花草等的生成。
７）三维或高维数据场的可视化。
８）三维图形的实时显示和图形的并行处理。
９）虚拟显示环境的生成及控制等。
在这些算法中有些算法已经日趋完善和成熟，实现了固化，但还有很多没有真正解决，有待于继续努力。现在我国科研人员在图形生成和显示算法、计算机辅助几何设计、光线跟踪、科学计算的可视化等方面已经取得了令国内外同行高度重视的成果［２１。１．３．２科学计算可视化与仿真技术的发展
目前，计算机图形学已得到了广泛的应用，在科学计算可视化和工业模拟仿真等领域中。传统的科学计算的结果是数据流，这种数据流不易理解和查错。科学计算的可视．４．
沈阳工业人学硕士学位论文
化通过列空间数据场构造中问几何图素或用体绘制技术在屏幕上产生二维图象。近年来这种技术已经应用于有限元分析的后处理、地震数据处理等领域。在工、ｌｐ模拟仿真领域，包含对各种机构的运动模拟，在产品和工程的设计等方面都是迫切需要的。它要求的主要技术是计算机图形学中的产品造型和三维形体的运动显示。
科学计算可视化（ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）是指空剧数据场的可视化。它是发达国家在８０年代后期提出并发展起来的，涉及计算机图形学、图象处理、计算机辅助设计、计算机视觉和人机交互技术等多个领域的一个新的研究领域。进入８０年代以后，超级计算机的仿真计算数据、卫星发回的地球资源的遥感数据、气象数据、海洋和地震检测数据、医学扫描图象数据等海量数据的产生与不能有效地解释这些数据的矛盾日益尖锐。科学计算可视化首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。其次，科学计算可视化丰富了信息交流的手段。科学人员之间在信息交流时不再局限于文字和语言，还可以直接采用图形、图像、动画等可视化信息。１９８７年２月，美国国家科学基金会（ＮＳＦ）在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。在这次会议上将这一步及多个学科的领域定名为“Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎ
简称为“ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”。ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ”，
科学计算可视化ＶＩＳＣ主要指运用计算机图形学和图象处理技术，将科学计算过程中产生的数据以及计算结果转换为图形或者图象在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它的应用领域非常广泛，尤其在医学、地质勘探等领域。随着技术的不断进步，科学计算可视化的涵义得到了很大的发展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，如有限元分析的结果、加工仿真等，同时也包含了测量数据的可视化。
科学计算可视化将图形生成技术、图象处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析已经存入计算机的图象数据（如人脸特征提取等）。它的巨大作用就在于把符号转变成几何等信息，使研究者能观察他们的模拟与计算，它将不可见的信息变成了可见的信息，丰富了科学发现的过程，能给予人们深刻的洞察力，使研究者的研究方式发生了很大的变化。．５．
包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、高等教育、中学教育、异形螺杆加工过程三维动态仿真系统研究与实..._图文21等内容。　
　基于 STEP 的异型螺杆数控加工技术 16……数控机床...异形面型芯数控加工与仿真研究 27……三维 CAD ...凸轮轴数控磨削工艺智能应用系统研究与开发 66……... 　10、异形旋盖装配件的三维建模及基座零件的数控加工...,观察并测量部件间的运动 ,表明基座满足设计要求 。...代码程序 ,再在数控加工仿真系统中进行仿真加工与... 　供送螺杆三维模型一个、零件图一张。 2. 设计计算...这个课程设计是一个重要的实践性教学环节, 也是提高...如图 1.1 为分件单列送正圆柱形及某些异形瓶罐... 　基于 STEP 的异型螺杆数控加工技术 14……大型数控立车横梁动力学仿真分析与实验...超声变幅杆的三维变型设计与数控编程 24……机床加工中的精度补偿技术 25……...计算机图形学各个领域的目标或许不同，但最终的形式都是渲染(即绘制)在二维的显示设备上的图像。下面是一个简单（可能并不完全）的分类：
计算机图形学-领域及分支：
1 绘制1.1 真实感绘制(非实时)1.1.1 光线追踪(Ray-tracing)1.1.2 全局光照(Global Illumination)......1.2 实时绘制1.2.1 Shading(BRDF, Programmable Shading等)1.2.2 纹理(Texture Synthesis, 反走样, 采样等)1.2.3 阴影和环境光照(Ambient Occlusion, Shadow Volume等)1.2.4 基于图像的算法(HDR, Depth of Field, Motion Blur等)1.2.5 光照算法(PRT, 球面谐波(Spherical Harmonic)等)......
2 建模2.1 曲面/曲线(Bézier曲线, B样条(B-Spline), 细分曲面(Subdivision Surface/Tessellation))2.2 网格(Mesh)及形变(Morphing)2.3 模型修复及重建(计算机视觉交叉方向)......
3 物理模拟3.1 刚体碰撞模拟3.2 流体模拟(烟 火 水)3.3 柔体模拟(布料 头发 皮肤 橡胶等)......
4 动画4.1 关键帧技术(keyframe)4.2 基于物理的动画(Human motion capture, character animation等)......
5 科学计算可视化5.1 标量场可视化(Isosurface和体绘制 Raycasting等)5.2 矢量场可视化(Flow visualization等)5.3 信息可视化(如Social-Network Link Graph等)......
6 延展和相关领域6.1 图形硬件和GPU Computing(利用GPU进行普适的并行计算)6.2 计算摄影学Computational Photography(图像处理和图形学的结合)6.3 计算机视觉Computer Vision(是计算机图形学的逆向学科 如何从二维图像和视频中提取三维空间信息和内容理解)6.4 大规模数据分析(大规模数据的可视化及物理模拟 如天气 洋流 社交网络信息等)6.5 游戏引擎(是实时绘制+建模+物理模拟+动画的集合体)6.6 电影动画及特效(是真实感绘制+建模+物理模拟+动画+计算机视觉等的集合体)6.7 编译器及编程模型(GPU Shading Language语言设计及并行编程模型)......
参考资料：[
1] Real-Time Rendering, Third Edition
[2] Physical-based Rendering, Second Edition
[2] The Visualization Hand Book
这个分类一定还不够完全，欢迎各位同仁指出不完备之处。不过提问者可以通过上面的表大概了解图形学的研究内容。至于未来的发展趋势，我个人从事的图形硬件和并行计算我认为是一个很有前景的方向。另外几乎在每个我所列出的领域内都有迷人而艰难的未解决的问题。在图灵奖历次获奖者中，和计算机图形学唯一相关的就是图形学之父Ivan Sutherland。所以说，计算机图形学是一个相当年轻的学科，会有很光明的发展前途。我会在下面列出一些曾经帮助过我的参考资料和一些领域的教授页面/软件资源以 1)供提问者进一步获取信息 2)展示图形学的迷人之处：
[1] 一篇极好的介绍球面谐波的教程：http://www.cs.columbia.edu/~cs4162/slides/spherical-harmonic-lighting.pdf
[2] Gatech教授Karen Liu 主要研究动画技术：http://www.cc.gatech.edu/~karenliu/Home.html
[3] TAMU教授Jin-xiang Chai 动画技术：http://faculty.cs.tamu.edu/jchai/
[4] Cornell教授Doug L. James 物理模拟：http://www.cs.cornell.edu/~djames/
[5] Stanford教授Ron Fedkiw 物理模拟：http://physbam.stanford.edu/~fedkiw/
[6] 物理模拟的一篇Siggraph课程：/realtimephysics/
[7] 微软的Hugues Hoppe 模型+纹理：/en-us/um/people/hoppe/
[8] Caltech应用几何实验室：http://www.geometry.caltech.edu/geo.html
[9] 浙江大学GAPS实验室：http://www.gaps-zju.org/
[10] 清华大学胡事民教授实验室：&http://cg.cs./
[11] 中科院深先所陈宝权教授：&http://web./~baoquan/
[12] UC Davis教授John Owens(我的导师:-)，GPU Computing：http://www.ece.ucdavis.edu/~jowens/
[13] GPU Gems 1/2/3:&/content/gpu-gems-part-i-natural-effects
&/content/gpu-gems-3
[14] Pixar的Renderman页面：&/
[15] 国内最好的开源游戏引擎(作者是MSRA的龚敏敏)：&http://www.klayge.org/
[16] 最适宜学习引擎结构的游戏引擎OGRE：&http://www.ogre3d.org/
[17] 个人认为最好的开源的基于物理的真实感绘制引擎LuxRender:&http://www.luxrender.net/en_GB/index
[18] 图形学界最无私的奉献者Ke-sen Huang的主页，包含历次重要图形学会议所有可公开下载论文及资料链接 向他致敬：/
&另外，上面提到的三本教材也值得一读。希望提问者能享受图形学的学习，尽快找到研究方向并作出好的成果。个人认为在拥有数据挖掘背景的前提下，提问者可以尝试在大规模数据分析和可视化或计算机视觉领域寻找感兴趣的方向，我个人有如下推荐：[1] 社交网络分析&http://en.wikipedia.org/wiki/Social_network_analysis
[2] 基于海量网络照片的三维模型重建http://www.cs.cornell.edu/~snavely/courses/phototour_im2gps/index.html
&http://phototour.cs.washington.edu/
&photosynth是微软的一个项目，看看埃菲尔铁塔的例子：http://photosynth.net/view.aspx?cid=be06fae6-bda7-4e91-aea3-d214fb4508e7
&[3] 胡事民老师的一个非常聪明的项目，Sketch2photo：http://cg.cs./montage/main.htm
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