·12 机械CAD技术 张力应变电测量片 压力应变电测量片 (b) 运算放大 图1-5传感手套及其工作原理 1)显示器 显示器有随机扫描显示器、存储管式显示器、光栅扫描式显示器、液晶显示器、等 离子显示器等。 (1)随机扫描显示器。从显示文件存储器得到指令，显示控制器控制电子束的 偏移，从而在屏幕上产生图形。 (2)存储管式显示器。图形信息首先写在细网栅格上，由读出电子枪发出的电 子流把存储网上的图形写在屏幕上。 (3)光栅扫描式显示器。C℉T中的水平和垂直偏转线圈分别产生水平和垂直 磁场，电子束则在不同方向磁场力作用下进行行和列扫描，将屏幕分成由像素构成的 光栅网格，其中像素具有灰度和颜色。 早期的CAD图形显示使用随机扫描显示器。这种显示器通常用于显示线框 图，电子束随着线条的显示位置而移动，按亮度要求轰击荧光涂层而发光。这种显示 器的工作方式和示波器的显示方式是一致的。到了20世纪80年代，随机扫描显示 器在CAD中基本淘汰，代之而起的是光栅扫描(raster scanning)显示设备。光栅扫
第1章绪论 。13 描显示设备有单色的，也有彩色的。它由三部分组成：显示器、图形控制器和缓存寄 存器，如图1-6所示。它的显示方式类似于电视机，荧光屏上的图形由荧光涂层的点 矩阵组成，电子束按行列次序扫描点矩阵，并由显示内容来控制所扫描的点是否发 亮，每扫描一遍称为一帧。但是，和电视机显著不同的是，它的显示内容不来自天线 所接收的信号，而是来自一个专门的内存，称为顿缓存寄存器(frame buffer)。 加速电极 控制桥 香 荧光涂厅 灯丝→ 之 阴 水平偏转板 聚焦系 图16光栅扫描显示设备 荧光屏上画面的每一点称为一个像素(pixel)。每个像素都对应于寄存器中的 一个存储单元，里面存放着该像素的显示亮度值。像素的亮度值控制电子束对荧光 屏的轰击强度，像素在帧缓存寄存器中的位置编码控制电子束的偏转位置。 分辨率(resolution)是光栅扫描显示设备最重要的指标。分辨率被表示为n,× m2Xn。n:和n2分别指像素矩阵所含的列数和行数，m指每个像素在帧缓存寄有 器中所对应的存储单元的大小，它描述了所显示的画面能包含的色彩或灰度的多少 例如，一个显示系统的分辨率为1024×768×8，则意味着该显示系统所能显示画面 的最高分辨度为1024列、768行，并至多可以同时产生2=256种不同的色彩。 2)打印机 有激光打印机，喷墨打印机，针打印机等类型。 3)绘图机 绘图机按结构不同可以分为两大类：平板(flat)式和滚筒(drum)式。平板式绘 图机将图纸固定在固定的平板上。平板上方有一y方向的导轨，电机驱动笔架沿导 轨可作y方向的移动。由x方向电动机驱动y方向导轨带动笔架，沿着x方向导轨 移动。这样笔架上的笔就可按照输出量作二维方向的移动和绘图。滚筒式绘图机的 笔架的y方向的移动方式与平板式相同，但x方向的移动则由滚筒的旋转完成。滚 简式绘图机比平板式绘图机价格便宜，占地面积小，但是精度稍差，只能接受一种大 小的图纸，而且在绘图过程中对图面监视困难。 4)视觉显示装置 视觉对大脑的刺激最强烈，据统计，人类从外界获得的信息约有75%来自视觉 系统，因此，视觉系统是计算机辅助设计系统中的重要装置。为了提供身临其境的通 真感觉，视觉通道应该满足一定的要求。当前，虚拟设计系统应用有两类主要的视觉
·14· 机械CAD技术 显示光学系统：头盔显示和非头盔显示。它们显示的图像直接联系到用户头部运动 (用传感器测量头部位姿)，或间接联系头部运动（用手柄等控制设备或语音输入）。 (1)头盔式立体显示装置。头盔显示的一个显著优点是显示定位伺服机械由人 的躯干和颈部提供。这允许不附加硬件就产生完全环绕的观看空间，并消除某些非 头盔显示中显示表面定位系统引入的延迟。在许多头盔式显示装置中，所有图像是 合成的，由计算机产生。 如图1-7所示，在头盔中有立体显示和平面显示两种方式。图1-7(a)所示为立 体显示的VR系统，其中为两眼分别计算具有视差的不同图像。图1-7(b)所示为平 面显示的VR系统，其中为两眼提供相同的图像。 计算机系统 RGB-NTSC 图形硬件左眼计算 -NTSC 闲形硬件 右眼计算 扫描转换 (a) 计算机统 RGB-NTSC 闲形硬件视觉计算 扫描转换 (b) 图17头盔式视觉显示装置 (2)立体眼镜。常见的立体眼镜为液晶光阀眼镜产品，工作时眼镜和红外发射 器可以加到适当的计算机和投影系统，用红外技术作场同步。液品光阀眼镜通电后 能实现高速的左右轮流切换，从而使左右两眼分别看到不同的图像，当切换频率达到 50Hz时，就能得到连贯的立体图像了。这种利用大脑对视觉景物的暂留现象，采取 双目分时观看左右图像获得立体显示效果的方法，是非头盔立体显示中常用的方式， 又称为立体眼镜方法 5)力觉和触觉装置 触觉和力觉是人类感觉器官的重要组成部分，是用于感知外部世界的重要感觉 通道。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提 供这种触觉和力觉，否则将会使用户缺乏真实感，而且不可能与环境进行复杂和精确 的交互。 接触反馈给用户提供的信息有：物体表面几何形状、表面纹理、滑动等。力反馈 给用户提供的信息有：总的接触力、表面柔顺度、物体重量等。 (1)力觉显示设备。力反馈设备应该跟踪用户身体的运动，以及用户施加的力。 根据这些数据，力反馈设备确定它加给用户的力。这种接口的目标是给用户提供立
第1章绪论 。15 即的、高通真的、可信的真实交互 在虚拟设计交互中，没有真实的被抓物体。虚拟接触反馈和力反馈需要复制实 时计算的接触力、表面形状、平滑性和滑动等。除了对所有传感通道的实时要求外， 对虚拟接触反馈和力反馈还有某些特殊要求。 目前主要的力反馈工具包括力学反馈手套、力学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学 反馈表面和力学反馈鼠标等。 (2)触觉显示设备。接触反馈在物体辨识与操作中起重要作用。它也检测开始 接触，所以在任何力反馈系统中也是需要的。人体具有二十种不同类型的神经末梢， 给大脑发送信息。多数感知器是热、冷、疼、压、接触等感知器。接触接口给这些感知 器提供高频振动、形状或压力分布、温度分布等信息。 6)听觉装置 虚拟设计系统中的虚拟三维音效与人们熟悉的立体声音完全不同，三维音效是 根据人类定位声音的特点由计算机生成的声音，它包含了能够改变人感觉的心理声 学的重要信息，使人感觉置身于立体的声场之中，能识别声音的类型和强度，能判定 声源的位置，为用户提供身临其境的通真感觉。 虚拟设计系统中的三维音效由听觉通道提供。为了满足这些要求，听觉显示系 统应该包括发声设备。为了使用户产生置身于某种声场的临场感，要求解决声音空 间定位和建模问题。 听觉通道的关键技术包括：合成由接口提供的虚拟声音信号，声音在虚拟空间的 定位问题，以及发声设备等 4.外围设备 随着计算机技术与通信技术的发展，越来越多的机械CAD系统采用网络化系 统以达到资源和数据共享。 1.2.2机械CAD系统的软件 机械CAD系统的软件是指控制CAD系统运行，并能使计算机发挥最大功效的 计算机程序、数据及其相关文档资料的总和。软件包含了应用和管理计算机的全部 技术，软件水平是决定CAD系统功能、工作效率及使用方便程度的关键因素。依据 软件在机械CAD系统中执行任务及服务对象的不同，可将其分为三个层次，即系统 软件、支撑软件和应用软件。 系统软件与计算机硬件直接关联，一般由软件专业人员研制，它起着扩充计算机 功能和合理调度与运用计算机的作用：支撑软件是在系统软件的基础上研制的，包括 实现CAD各种功能的通用性应用基础软件：应用软件则是根据用户的具体要求，在 支撑软件的基础上经过二次开发而成的专业性软件。 1.系统软件 系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行，以及对计算机程序的翻译和
·16* 机械CAD技术 执行。系统软件的特点一是通用性，二是基础性。系统软件主要包括操作系统、编程 语言系统、网络通信与管理软件等。 2.支量软件 支撑软件是CAD系统的通用软件，是各类应用软件的基础，由专门的软件公司 开发，为用户提供工具或二次开发环境。目前市场上流行的机械CAD支撑软件主 要分为二维建模软件和三维建模软件两大类。 1)二维CAD建模软件 这类软件主要以人机交互方法完成二维工程图样的生成和绘制，绘图功能强、操 作方便，价格便宜，软件主要有美国Autodesk公司的AutoCAD,以及国内自主开发 的CAXA_E,天喻IntelCAD、中望CAD等。 早期的计算机辅助设计主要是通过二维CAD建模系统实现的，其主要任务就 是生成工程图纸。与使用图板的传统设计方法相比，这些二维CAD系统使用不同 的输人和操作技术。尽管设计环境改变了，但是设计过程的概念基本上没有改变，和 传统设计一样，二维几何处理也是用多个二维视图表示物体的轮廓，然后标注尺寸 最后绘制图纸。 在三维CAD系统中也存在二维建模功能，但二维描述主要用于在三维设计中 输人草图和输出设计图纸。与三维CAD系统相比，尽管二维CAD系统在原理上有 些限制，但它仍然得到了广泛的应用，因为并非所有领域都需要三维的物体描述，如 有规则形状的机械零件的设计。二维CAD系统最大的优点在于它操作简单，而且 能在价格低廉的个人计算机上运行。实际上，仍然有许多企业主要使用CAD系统 来生成二维工程图纸，数据的很大部分用作技术文档。 采用面向绘图的二维CAD建模系统的基本目的是生成加工图纸和加工文档 借助系统中的几何元素，可以生成技术图纸。这些几何元素和可执行的功能借助于 鼠标在计算机屏幕上被确认和激活。点、直线、圆、圆弧、样条曲线等几何元素被选中 用来生成技术图形，还可以对这些几何元素进行插入，删除、连接、拉伸、裁剪、修平和 旋转等编辑操作。系统还提供更进一步的辅助功能，如进行比例放缩，细节放大等功 能。栅格功能可以帮助设计者对几何元素进行准确的定位和尺寸标注。通过剖面 线、尺寸标注和各种符号，使技术图纸更加完整 2)三维CAD建模软件 国内功能比较单一的中低端三维CAD建模系统主要以SolidWorks、SolidEdge、 Inventor为主，具有参数化特征造型功能、装配和干涉检查功能，以及简单的曲面造 型和有限元分析功能，易于学习掌握。 高端综合集成型支撑软件则提供设计、分析、造型及加工控制等多种功能模块， 功能比较完备，如DASSULT公司的CATIA,UGS PLM公司UG和I-DEAS,PTC 公司的Pro/Engineer(Pro/E)等。 三维CAD建模系统中的产品模型是三维的。三维模型的描述经历了从线框