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1、第2章 CAD/CAM系统的组成教学提示：CAD/CAM系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心组成的面向工程设计问题的信息处理系统。从广义上来讲，CAD/CAM相关的硬件、软件以及人都可以作为CAD/CAM系统的组成部分。CAD/CAM系统的组成主要讨论其软硬件组成、分类以及人在CAD/CAM系统中的地位和作用。主要内容：CAD系统的硬件组成、CAD系统的软件组成以及CAD系统的分类等。2.1 硬件组成硬件是CAD/CAM系统运行的物质基础。主要包括：计算机主机输入设备输出设备存储器生产设备以及计算机网络等CAD系统的基本硬件构成如图所示。图2.1 CAD系统的基本
2、硬件构成 2.1.1 计算机主机计算机主机主要由中央处理器和内存储器组成。1.中央处理器运算器和控制器集成在一块芯片上，合称中央处理机(Central Processing Unit，CPU)。CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。2.内存储器内存储器，又称主存储器，用于存储CPU当前正在处理的部分程序和数据。根据存储信息的方式内存储器可以分为随机存储器(Random Acces Memory，RAM)和只读存储器(Read only Memory，ROM)。2.1.2 外存储器外存储器主要用来永久存储，并在计算机运行过程中存放一些暂时不用的数据和程序等。通常来说，外存储器的
3、容量相对内存储器要大一些。外存储器可以是磁带、磁盘和光盘。1.磁盘常用的磁盘有软盘和硬盘等。软盘：已经基本淘汰。硬盘：普遍采用，大容量，随机存储。移动硬盘和U盘发展很快。2.光盘利用激光进行读写，大容量存储，信息保存时间长，成本低廉。分为只读型光盘和可擦写型光盘两种。DVD格式容量巨大，可能成为发展主流方向。2.1.3 输入/输出设备2.1.3 输入/输出设备输入设备泛指用于向计算机输入信息的设备。输出设备是用于将计算机中的信息展示给用户的设备。结合CAD系统的特点，可把输入/输出设备分为图形输入设备、图形输出设备和图形显示设备。1.图形输入设备常见的输入设备包括鼠标、键盘、数字化仪、图形扫描
4、仪等。1)键盘键盘是最常用的输入设备，计算机通过不断的扫描键盘各节点的状态来判断按键的状态并据此进行相应处理。2)鼠标鼠标是CAD作业中常用的图形输入设备之一，属于一种定位输入设备，可很方便的完成定位、拾取和选择功能。3)数字化仪数字化仪因制作原理不同而有多种类型，目前常用的是电磁感应式数字化仪。4)图形扫描仪图形扫描仪是一种能将图纸及文件快速输入到计算机的高速输入设备，根据光学原理来获取被扫描图纸各点的信息，之后将所获得的信息进行处理，得到扫描的图形。其主要性能指标是扫描幅面、扫描分辨率和扫描速度。图2.2 图形扫描输入系统 扫描时，获得的扫描结果为点阵各点的明暗信息，随后经过矢量化处理，输
5、出矢量图，之后进行系列后续处理，得到CAD系统可使用的图形格式，如图所示。5)数码相机用光电转换器件(主要有CCD和CMOS)来感光、滤光并将光信号转化为电信号。直接可得到图形文件。6）其它此外，语音输入是目前正在研究的图形方法，该方法利用人的自然语言通过输入图形特性参数及其属性参数实现图形输入，将是效率很高的一种图形输入方法。2.图形输出设备为方便交流以及生产中的使用，CAD设计的结果经常需要反映在图纸上，用于这一用途的输出设备统称为硬拷贝机，主要包括打印机和绘图仪。1)打印机打印机是计算机系统最常用的输出设备。点阵打印机喷墨打印机激光打印机等2)绘图仪根据在图纸上形成图形的原理不同，绘图仪
6、分为喷墨、激光、静电和笔式绘图仪。在CAD中最常用的是笔式绘图仪和喷墨绘图仪。与打印机相比，绘图仪可以有选择的绘制图形，使用更加灵活，输出的图幅也较大。3.图形显示设备1)显示器标准阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、激光显示、等离子显示等。2)图形显示卡起着CPU与显示器之间的接口、处理图形数据、加速图形显示等作用。4.生产设备最早的CAM主要指的是数控(NC)加工，相应的设备主要包括数控车床、数控铣床、数控线切割机等。随着CAM技术的发展，CAM的定义也不断拓宽，相关的生产设备也不断增多。5.计算机网络硬件其硬件设备主要包括网卡、传输媒体、服务器、计算机终端和网间连接器等。2.2 软
7、件组成软件一般指计算机运行所需的各种程序、数据及相关的文档。CAD/CAM系统的软件根据其功能可分为系统软件、支撑软件和应用软件等三个层次。图表示了这些软件间的层次关系。图2.3 CAD系统的软件组成 2.2.1 系统软件系统软件指使用、管理、控制计算机运行的操作系统及语言处理程序等的集合，是用户与计算机硬件的连接纽带。是支撑软件和应用软件的基础，主要包括操作系统和编译系统。1.操作系统操作系统是系统软件的核心，主要功能是处理机管理、存贮管理、设备管理、文件管理和作业管理。工作站：UNIX、WindowsNT/2000/XP等微机上主要采用Windows系列操作系统。2.编译系统将用汇编语言、
8、高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。有了编译系统，用户就可以用接近人类自然语言和数学语言的方式编写程序，而翻译成机器指令的工作则由编译系统完成。目前，国内外广泛应用的高级语言，如FORTRAN、PASCAL、Visual C+、Visual Basic等均有各自的编译系统。2.2.2 支撑软件在系统软件基础上开发出来的、满足CAD用户某些需要的通用软件或工具软件。根据支撑软件所提供的功能可分为以下几种：1.图形软件基本图形软件是根据各种图形标准和规范实现的软件包，大多是供各种应用程序调用的图形程序库或函数库。如CGI、GKS、PHIGS、OpenGL等。这类图形资源软件通常与
9、设备无关。2.几何建模软件通常，几何造型软件包括实体造型、曲面造型以及近年来得到迅速发展的特征造型、参数化造型、装配造型等。例如I-DEAS、Pro/ENGINEER、Unigraphics(简称UG)等软件都提供了很完善的几何建模功能。3.工程分析和计算软件满足实际生产各种工程分析和计算的需要。这些功能不可能也不必要在CAD应用软件中全部实现，而是以这些工程分析和计算软件作为支撑。主要包括：1)常用数学方法库用于解决各类数学问题，如提供解微分方程、线性方程组、数值积分、有限差分、曲线(面)拟合等的计算机程序。2)有限元分析软件常见的有限元分析软件有SAP、SKA、NASTRAN、ANSYS等
10、。3)优化方法软件4)模拟仿真软件如机械系统动力学自动分析软件ADAMS。4.数据库管理系统数据库管理系统(Data Base Management System，DBMS)是在操作系统的基础上建立的操纵和管理数据库的软件。用户需通过数据库管理系统使用数据库，因而它是用户和数据库之间的接口。目前广泛应用的商用数据库管理如INGRES、PB、ORACLE、SYBASE、FOXPRO等关系型数据库管理系统。CAD/CAM涉及大量的图形信息，需要工程数据库的支持，但这类软件尚不够成熟。5.网络工程软件网络工程软件包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。应用这些软件可进行网络文件系统管理、存储
11、管理、任务调度、用户间通信、软硬件共享等工作。6.NC编程软件供CAD/CAM系统自动转换和输出NC加工指令之用。另外，有些CAD软件中已经集成了CAE，其功能涵盖了设计、建模、工程分析等方面的功能，例如UG软件。2.2.3 应用软件 应用软件是用户为解决实际应用问题而自行开发或委托开发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。当前，几乎所有的CAD系统软件都提供相应的二次开发工具。如：AutoCAD内置的VisualLisp开发语言，支持面向对象设计的Activex接口；UG的应用程序开发工
12、具UG/Open API等。2.3 CAD系统的分类CAD系统通常按系统的硬件组成、工作方式和功能的不同进行分类。2.3.1 按硬件组成分类CAD系统按其硬件组成和计算机技术的发展历程，可分为主机系统、小型机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的微机工作站系统等5种。1.主机系统主机系统又称大型主机系统，这类系统以一台大(中)型计算机为中心，采用分时操作系统集中支持几十个、甚至上百个CAD终端运行。2.小型机系统小型机系统又称小型机成套系统，出现于20世纪70年代后期。它以32位超级小型机为主机，通常带有几个到几十个终端。小型机配有专用的硬件和软件，是由从事CAD技术开发的公司专门为用户配置的
13、计算机配套系统。小型机系统具有很强的针对性，适于中等规模企业的应用要求，但小型机系统针对性过强，应用范围受到限制，用户难于进一步开发。目前，此类系统大多已被淘汰。3.工作站系统工作站包括工程工作站和图形工作站，是为满足用户在工程和图形图像处理上的专业需求和克服原有大型计算机、小型计算机由于其系统庞大，不能适应工程和图形处理中灵活多变的缺点而研制的专用计算机。工作站具有强大的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能，通过网络可以共享系统资源。4.微机系统随着微机运算和图形处理性能的迅速提高，许多过去只能在工作站上运行的著名的高端CAD/CAM软件，如CATIA、Unigraphics、
14、Pro/ENGINEER、I-DEAS等，目前均已移植到微机上，微机CAD系统目前主要用于运行中、低端的CAD支撑软件和应用软件。5.基于网络的微机工作站系统2.3.2 按工作方式分类CAD系统按其工作方式可分为检索型、自动型、交互型和智能型CAD系统4大类。1.检索型预先将已定型的产品资料(图样、技术文件等)存入计算机，并设计检索程序。系统根据用户输入的设计参数，选择标准产品图样及有关数据，并调用系统中的标准程序库及图形库，计算相应的参数及绘制图形。适用于产品定型之后标准化、系列化的设计。不适于新产品的开发设计。2.自动型自动型系统是设计者预先将待解决的问题建立数学模型，找到目标函数，将其求
15、解过程编制程序形成的系统。系统运行时，根据输入的参数自动进行数学模型求解，不需人工介入。适用于事先能够用数学模型描述的一类设计问题。其工作流程图如图所示。图2.4 自动型CAD系统工作流程图3.交互型交互型系统是利用输入、输出设备，通过人机对话的方式工作的。图为交互式CAD系统的工作流程图。由于产品的设计是一个设计、分析、计算、显示、修改，不断反复的过程，计算机不能代替人的全部思维活动，将人的创造性与计算机特性充分结合的系统，是现代CAD应用系统的主要类型，适合于新产品的设计、开发工作。图2.5 交互型CAD系统工作流程图4.智能型将人工智能技术应用于CAD系统，就可以形成智能型CAD系统，用
16、计算机来实现上述问题的求解。人工智能就是让计算机拥有人类的智能，在遇到问题时能像人类一样进行思考和解决问题。就某一领域来讲，实现人工智能目的主要是要让计算机通过利用计算机中存储的该领域知识，按照一定的方式进行推理，这一类系统我们称之为专家系统。图为智能型CAD系统工作的流程图。它主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统和人机接口等组成。图2.6 智能型CAD系统工作流程图2.3.3 按功能分类按系统的功能及适应范围，CAD/CAM系统可分为通用系统和专用系统两类。通用的CAD/CAM系统功能全面，适用范围广。如，CATIA、I-DEAS、CADDS5、Pro/ENGINEER和UG等系统均
17、属此类。专用的CAD/CAM系统指的是那些为特定的应用而开发的系统。这类系统通常只能适用于一定的专业领域，或用于解决某一类问题。如冲模CAD/CAM系统和注塑模CAD/CAM系统皆属此类。本章教学要求了解CAD/CAM系统的硬件组成熟悉硬件各组成部分的作用和功能了解软件的概念和CAD/CAM系统软件的层次划分掌握系统软件、支撑软件和应用软件的功能和特点了解CAD/CAM系统的分类方法掌握各类CAD/CAM系统的特点及适应范围。习题与思考题二2-1 CAD系统的硬件基本配置应该包括哪些内容？2-2 CAD系统软件包括那几个层次？试举例说明。2-3 试分析智能型CAD系统能否完全取代人类专家。2-4 简述CAD系统中硬件和软件的功能。2-5 列举当前微机的典型配置并讨论各部件的主要功能。2-6 试述CAD系统软、硬件的发展趋势。2-7 试述CAD系统的分类方法及各类系统的特点。