张琼宇
112020014
图像拼接器一、引言
20世纪中叶以来，微电子、自动化、计算机、通讯、网络、信息等科学技术的迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的新浪潮。与此同时，数字作为计算机技术的基础，其概念近年来得到了广泛的应用．出现了诸如数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想．这些为数字及数字技术的拓展和应用开辟了新的广阔空间。数字化技术是以计算机软硬件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术“]，将数字化技术用于支持产品全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是数字制造技术。目前制造业面临三大突出问题的挑战，即网络化、知识化和服务化，以及由此而带来的复杂化，进而导致对制造系统中的组织结构和功能的非线性、时变性、突发性和不平衡性难以用传统的运行模式和控制策略来驾驭。制造信息的表征．存储、处理、传 递和加工的探刻变化，使制造业由传统的能量驱动型逐步转向为信息驱动型“数字化已逐渐成为制造业中产品全生命周期不可缺少的驱动因素，数字制造也就成为一种用以适应日益复杂的产品结构、日趋个性化、多样化的消费需求和日益形成的庞大制造网络而提出的全新制造模式，井很自然地成为未来制造业发展的重要特征。
数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。它们之间的关系见图l 所示。由于通过CAM 及其与CAD 等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示
三、数字化设计与制造的核心技术
数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计年龄识别、系统集成汽结构、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术。其核心技术主要有：CAD,CAE,CAM,CAPP
3.1 计算机辅助设计CAD 技术（Computer Aided Design）
计算机辅助设计顶空瓶CAD 作为信息化、数字化的源头，它包含的内容很多正弦波发生器，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等，主要完成产品的总体设计、部件设餐具包装
计和零件设计，包括产品的三维造型和二维产品图绘制。CAD 的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。 3.1.1 发展历程
20世纪60年代至70年代是CAD技术的开创时期，在当时，计算机图形显示设各和计算机图形学理论为这项工作的最初研究奠定了良好的基础。1962年美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan Sutherlalld开发了SKETCHPAD，并发表了题为“人机通信的图形系统”的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研究地位，CAD技术也正是伴随着交互式计算机图形学而得以发展。初期cAD技术的含义与功能仅仅是由计算机代替繁琐的手工绘图，且以二维绘图为主，仅有的几种三维CAD软件也只有线框造型功能。在20世纪70年代至80年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到大量的自由曲面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发展，美国的Coons和法国的Bezier先后提出了新的曲面算法。此时，研发了一批CAD／CAM软件系统应用于工业。1977年法国达索飞机公司开发出具有代表性的三维曲面造型系统CATIA，为CAD带米了一次新的技术革命。随之为了解决CAE问题，开发出采用基本体素和布尔运算来构造三维模型的实体造型软件。1979年诞生了世界第一个完全摹于实体造型技术的软件I．DEAS。
20世纪80至90年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发艘，使得CAD技术又产生了一次飞跃。如1982年美国Autodesk公司展示了全球第一个基于PC的CAD软件．AutoCAD，．oj此同时，有很多人提出基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化设计方案，1985年美同成立了PTC公司，研制了参数化设计软件．Pr0／Engineer，率先提出并实现了尺寸驱动零件设计修改的设计思想。90年代中期，SolidWbrks公司发布了SolidWorks软件；Latergl发布了SolidEdge软件，成为微机系统的参数化特征造型的后起之秀。90年代至今，计算机软硬件技术的急剧变化，尤其是计算能力的大幅度提高，对CAD技术产生了巨大的影响，慕于特征和基于历史的三维参数化设计系统的快速推出；相关联的并行设计软件得到空前发展。提供对复杂产品全生命周期的解决方案，包括制造企业所用的三维CAD、CAM、PDM、CAE和数字化制造等模块。
图3.1CAD在设计中的应用
3.1.2 进展情况
(1)从二维绘图到三维设计
早期的CAD只支持二维绘图，进入90年代以来，三维绘图得以快速发展，并且在工程设计中得到了很好的应用。应该看到，二维绘图是基础，而利用三维CAD系统进行直接设计乃是当前和今后设计的新理念和发展方向。如在现有的软件支持下，直接以三维概念开始设计，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，它包括从接受产品的功能定义开始到完成产品的材料信息、结构形状和技术要求等。
(2)造型功能增强
①在产品造型技术方面，綦于特征造型技术、幕于历史的造型和参数化造型技术已在当今的CAD系统中得到了普遍的应用，但对于复杂的曲面设计的有效性仍存在许多问题川。
②当前的大部分CAD系统主要以详细设计为主，还不能支持概念设计和早期设计。这就要求未来的CAD系统应该向伞设计过程扩展，全面支持概念设计和详细设计。
③对于CAD系统水说，有效地实现大型复杂产品CAD模型的快速绘制和装配一直是一个亟待解决的问题。现有的办法是采用模型的轻量级加载或采用了装配体的压缩。
④除了机械CAD之外，几何造型技术还可以扩展到更多的新的应用领域，如生物医学、农
业工程、地理信息、人体造型与服装设计等。
（3）CAD产品数据的交换与共享
近年来，一种高层的异地、分布式、具有协作性的产品设计开发方式正在兴起，并得到快速发展产品数据交换与共享则是这一方式顺利进行的重要保证。因此，研究人员已经在此方面做了很多努力，来探索更有效的数据交换方法，目前已有几种解决方案，但都各有优缺点，尚需继续研究。
(4)网络化协同设计
网络化协同设计是当前国内外的研究热点，互联网为CAD提供了一个纵横的设计人员实时、异地交流的新的设计方向。目前，各著名的CAD公司已经开发了基于网络的CAD产品模块。例如：UG的图文浏览器Visview、网上数据管理ISNetwork：CATIA的CATWEB。但就此项技术来说，在国内外均处于起步阶段，许多技问题有待于迸一步研究解决。
3.1.3 CAD设计的优点
（1）零件设计更加方便
使用三维CAD系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然
（2）装配零件更加直观
在装配过程中，资源查器中的装配路径查器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确
即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型后完成还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
（3）缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近1／3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零件进行重新设计和制造，而大
部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3—5倍。同时，三维CAD系统具有高度变形设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。2．4提高机械产品的技术含量和质量由于机械产品与信息技术相融合，同时采用CAD CIMS组织生产，机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段完善，再采用CAD／CAPP／CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。
3.2 计算机辅助工程CAE技术（Computer Aided Engineering）
CAE 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。
3.2.1 CAE的发展历程
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算
机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型的信息产品。CAE的理论基础起源20世纪:40年代，数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解T.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，迅速展起来。而实用的CAE软件诞生于上世纪70年代初期，70-80年代是CAE技术蓬勃发展的时期，其功能和算法也得到了进一步扩充和完善，到上世纪民80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件，到80年代后期国际上已经有了功能相对比较完善的NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DYN-3D,ASKA,MODULEF,FASTRAN等十多种名的CAE软件，而国内也拥有了JIFEX,FEM,FEPS等CAE软件。上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。而最近15年CAE的发展，不仅是扩充了软件的功能、性能，更重要的是扩充了用户界面，前后处理能力，对数据管理和图形部分，进行了重大的改造，新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和C++语言。
3.2.2 CAE系统的主要功能
CAE系统是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设
计和生产的综合系统。通常，为了在计算机中分析和模拟一个产品，首先必须建立产品模型，有了产品模型以后，我们可以运用CAE的分析方法（有限元法或模态分析法），来分析产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，以便评定产品是否满足设计要求。CAE系统可以采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面和合理。CAE系统也可以对运动的机构进行动态分析，并可画出机构运动的动画，以便检查机构的运动轨迹，校核运动件的干涉情况，还可计算出各构件的运动速度、速度和受力的大小。CAE系统还可以对金属切削加工、铸造、焊接、成型、试验、装配和物料流动等各种工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测之外还可以深入研究这些工艺过程的机理和规律。CAE技术的应用范围很广，发展也相当快，总之，当前CAE技术的功能主要体现在产品的建模、工程分析、模拟仿真和优化设计等几个方面。
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