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1、第2章 CAD系统的硬件及软件 一个CAD系统是由一系列必要的硬件和软件组成的，如图2-1所示。l硬件是实现各项功能的物质基础；硬件是实现各项功能的物质基础；l软件是实现各项功能技术的核心。软件是实现各项功能技术的核心。l使硬件各个元件能进行正确的协同工作，要有软件使硬件各个元件能进行正确的协同工作，要有软件的控制、指挥实现。的控制、指挥实现。l硬件好比是人的身体，而软件好比是人的头脑，两硬件好比是人的身体，而软件好比是人的头脑，两者只有有机的组织起来才能充分发挥作用。者只有有机的组织起来才能充分发挥作用。l2.1CAD系统的硬件系统的硬件lCAD系系统统的的硬硬件件主主要要由由主主机机、输输
2、入入设设备备、输输出出设设备、存储器组成。备、存储器组成。图图 2 2 CAD系统的硬件构成系统的硬件构成图2-2CAD系统的硬件构成一、一、主机主机l主机即用于主机即用于CADCAD系统的计算机，一般可分为大型机、系统的计算机，一般可分为大型机、小型机、工作站及个人计算机。小型机、工作站及个人计算机。l1.1.大型机大型机CADCAD系统系统l该系统一般采用具有大容量的存储器和极强计算功该系统一般采用具有大容量的存储器和极强计算功能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百个图形终端和字符终端及其它图形输入几十至几百个图形终端和字符终端及
3、其它图形输入和输出设备。和输出设备。l优点是：系统具有一个大型的数据库，可以对整个优点是：系统具有一个大型的数据库，可以对整个系统的数据实行综合管理和维护；计算速度极快。系统的数据实行综合管理和维护；计算速度极快。l缺点是：如果缺点是：如果CPUCPU失效，则整个用户都不能工作；失效，则整个用户都不能工作；由于计算机数据库处于中央位置，计算机数据容易由于计算机数据库处于中央位置，计算机数据容易被破坏；终端距离不能太远；随着计算机的总负荷被破坏；终端距离不能太远；随着计算机的总负荷增加，系统的响应速度将降低。增加，系统的响应速度将降低。l2.2.小型机小型机CADCAD系统系统l生产、制造这类系
4、统的厂商很多，如美国的生产、制造这类系统的厂商很多，如美国的CVCV，IntergraphIntergraph，CalmaCalma，ApplicationApplication，AutotrolAutotrol，UnigraphicsUnigraphics等公司。等公司。l在它们中间生产的产品大致可以分为两种类型。在它们中间生产的产品大致可以分为两种类型。lCVCV公司生产的是属于全封闭系统。该公司曾投入了公司生产的是属于全封闭系统。该公司曾投入了大量的人力和物力进行硬件和软件的开发。大量的人力和物力进行硬件和软件的开发。lIntergraphIntergraph，ApplicationAp
5、plication，UnigraphicsUnigraphics，CalmaCalma等公司，选择通用的计算机，如等公司，选择通用的计算机，如VAXVAX和和MicroVAXMicroVAX等计算机作为系统的硬件环境，有时它们也自己研等计算机作为系统的硬件环境，有时它们也自己研制和生产一些专用的图形处理设备和高性能的图形制和生产一些专用的图形处理设备和高性能的图形显示器。这类系统的优点是软件的移植性较好，用显示器。这类系统的优点是软件的移植性较好，用户有较大的主动权，而且软件的研制者不必在硬件户有较大的主动权，而且软件的研制者不必在硬件生产上分散精力。生产上分散精力。l3.3.工作站组成的工作
6、站组成的CADCAD系统系统l以工作站为基础的以工作站为基础的CAD/CAMCAD/CAM系统与分时系统的小型系统与分时系统的小型机机CAD/CAMCAD/CAM系统不同，一台工作站只能一人使用，系统不同，一台工作站只能一人使用，并且具有联网功能。其处理速度很快，一般都赶上并且具有联网功能。其处理速度很快，一般都赶上或超过了过去的小型和中型计算机的速度。当前某或超过了过去的小型和中型计算机的速度。当前某些高档工作站的处理速度更高，它以达到甚至超过些高档工作站的处理速度更高，它以达到甚至超过小巨机的水平。这类工作站一般都采用小巨机的水平。这类工作站一般都采用RISCRISC技术和技术和开放系统的
7、设计原则，用开放系统的设计原则，用UNIXUNIX作为它们的操作系统。作为它们的操作系统。l4.PC4.PC微机组成的微机组成的CADCAD系统系统l随着微机性能的不断提高，价格的不断下降，以随着微机性能的不断提高，价格的不断下降，以PCPC机组成的机组成的CAD/CAMCAD/CAM系统近年来不断增多。系统近年来不断增多。l以微机为基础，配上相应的软件与图形输入输出设以微机为基础，配上相应的软件与图形输入输出设备，就可以组成一套微机备，就可以组成一套微机CAD/CAMCAD/CAM系统。系统。l目前以目前以PCPC微机为主处理机的微机为主处理机的CAD/CAMCAD/CAM系统除了用于系统除
8、了用于进行二维绘图以外，还能做三维几何造型和有限元进行二维绘图以外，还能做三维几何造型和有限元分析计算工作。目前在微机上运行的软件主要是分析计算工作。目前在微机上运行的软件主要是Auto CADAuto CAD等，随着微机性能的进一步提高，将来有等，随着微机性能的进一步提高，将来有可能用它进行复杂的三维造型和计算，甚至可取代可能用它进行复杂的三维造型和计算，甚至可取代低档工作站。低档工作站。l由于网络技术的发展，现在微机已能与大型机、小由于网络技术的发展，现在微机已能与大型机、小型机和工作站联网，成为整个网络的一个结点，共型机和工作站联网，成为整个网络的一个结点，共享大型机和工作站等的资源。这
9、样，大型机系统、享大型机和工作站等的资源。这样，大型机系统、工作站系统和工作站系统和PC机系统就不再相互割裂，而成为机系统就不再相互割裂，而成为一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得原来要在小型机和工作站上进行的原来要在小型机和工作站上进行的CAD/CAM工作工作可由微机来完成。可由微机来完成。二二输入设备输入设备1.键盘l键键盘盘是是常常用用的的输输入入设设备备。CAD系系统统工工作作时时，可可将将设设计计参参数数、图图形形的的坐坐标标值值、命命令令和和字字符符等等都都可可以以用键盘输入计算机。用键盘输入计算机。2.鼠标l鼠鼠标标是是一一种种
10、手手动动输输入入的的屏屏幕幕指指示示装装置置。它它用用于于移移动动光光标标在在屏屏幕幕上上的的位位置置，以以便便在在该该位位置置上上输输入入图图形形、字字符符，或或从从屏屏幕幕菜菜单单上上选选择择需需要要的的项项目目。有有的的鼠鼠标标有有专专用用接接口口卡卡。大大多多数数的的鼠鼠标标器器和和计计算算机机端口的端口的RS-232C串行口相连接。串行口相连接。3.数字化仪l数字化仪是由一块尺寸为数字化仪是由一块尺寸为A4-A0的图板和一个类似的图板和一个类似鼠标器的定位器或触笔组成的。数字化仪用于输入鼠标器的定位器或触笔组成的。数字化仪用于输入图形，跟踪、控制光标位置和选择菜单。大规模的图形，跟踪
11、、控制光标位置和选择菜单。大规模的数字化仪常常用于将已有图样输入到计算机。数字化仪常常用于将已有图样输入到计算机。数字化仪的主要技术指标是：数字化仪的主要技术指标是：1）分辨率）分辨率每英寸每英寸2000-2500线。线。2）精度）精度0.25-0.125mm。数字化仪通常与计算机的数字化仪通常与计算机的RS-232C串行口连接。串行口连接。4.扫描仪l用用于于将将工工程程图图样样自自动动的的输输入入计计算算机机，以以便便在在计计算算机机里里建建立立图图样样的的技技术术档档案案，代代替替目目前前占占用用大大量量房房屋屋面面积积和和人人力力的的技技术术档档案案室室管管理理方方法法。这这种种图图样
12、样自自动动输输入技术可分为三部分：入技术可分为三部分：1）用用扫扫描描仪仪将将图图形形录录入入计计算算机机，形形成成灰灰度度及及不不同同的的图像格式的文件。图像格式的文件。2）经经二二值值化化处处理理后后，该该文文件件转转化化成成以以二二进进制制数数表表示示的点阵图像文件。的点阵图像文件。3）经过有关软件的处理，点阵图像转换为矢量化图。）经过有关软件的处理，点阵图像转换为矢量化图。4）将图形信息和文本、符号分离与识别。）将图形信息和文本、符号分离与识别。l扫描仪的主要技术指标有：扫描仪的主要技术指标有：l1）分辨率）分辨率每英寸每英寸200-1200点。点。l2）灰灰度度灰灰度度是是指指一一系
13、系列列具具有有黑黑白白比比例例或或彩彩色色浓浓淡的色调，通常为淡的色调，通常为256级，级，64级，或更低。级，或更低。l扫扫描描仪仪与与计计算算机机的的接接口口，常常用用RS-232C标标准准接接口口,一些新型扫描器采用快速传输数据的一些新型扫描器采用快速传输数据的SCSI接口。接口。5.5.触摸屏触摸屏又又称称为为触触感感型型终终端端，是是一一种种特特殊殊的的显显示示屏屏。与与普普通通的的显显示示器器不不同同的的是是：附附加加了了坐坐标标定定位位装装置置，从从而而感感知接触点的位置，功能与图形板相同。知接触点的位置，功能与图形板相同。触触感感可可由由红红外外式式、电电容容式式、机机械械式式
14、传传感感系系统统获获得得，当当手手指指触触摸摸屏屏幕幕时时，通通过过相相应应的的电电路路就就可可以以检检测到该点的位置。测到该点的位置。将将应应用用软软件件的的菜菜单单提提示示于于屏屏幕幕上上，利利用用触触摸摸技技术，手指直接术，手指直接“点菜点菜”，既直观又方便，不易出错。，既直观又方便，不易出错。6.6.语音输入设备语音输入设备l将将人人类类说说话话的的语语音音直直接接输输入入计计算算机机的的设设备备。将将声声音音通通过过话话筒筒变变成成模模拟拟信信号号，再再将将模模拟拟信信号号通通过过调调制制变变成数字信号。成数字信号。l语语音音输输入入的的难难点点是是如如何何理理解解、识识别别语语音音
15、，目目前前的的水水平平处处于于定定量量词词汇汇、定定人人语语音音识识别别的的程程度度。已已有有公公司司开开发发出出操操作作系系统统的的语语音音输输入入系系统统，用用户户只只需需读读出出所所需需进进入入选选项项的的名名称称，系系统统会会自自动动识识别别用用户户语语音音而而选选择相应的操作，其效果与鼠标选择是相同的。择相应的操作，其效果与鼠标选择是相同的。7.7.数据手套数据手套 虚虚拟拟现现实实系系统统中中最最常常用用的的输输入入装装置置。如如下下图图所所示示，数数据据手手套套利利用用光光导导纤纤维维的的导导光光量量来来测测量量手手指指角角度度。当当光光导导纤纤维维弯弯曲曲时时，传传输输的的光光
16、将将会会有有损损失失，弯弯曲曲越越大大，损损失失越越多多。数数据据手手套套可可以以帮帮助助计计算算机机测测试试人人手手的的位位置置与与指指向向，从从而而可可以以实实时时地地生生成成手手与与物物体接近或远离的图像。体接近或远离的图像。8.8.位置传感器位置传感器 在在应应用用虚虚拟拟现现实实技技术术的的CAD/CAMCAD/CAM系系统统中中，为为了了提提高高真真实实感感，必必须须知知道道浏浏览览者者在在三三维维空空间间中中的的位位置置，尤尤其其是是必必须须知道浏览者头部的位置和方向。知道浏览者头部的位置和方向。位位置置传传感感器器用用于于检检测测和和确确定定浏浏览览者者的的位位置置和和方方向向
17、，通通常常包括电磁场式、超声波式、机电式、光学式等。包括电磁场式、超声波式、机电式、光学式等。电磁场式传感器通过检测低频磁场的变化来确定运动电磁场式传感器通过检测低频磁场的变化来确定运动对象的位置和方向，并据此跟踪运动对象的位置和方向。对象的位置和方向，并据此跟踪运动对象的位置和方向。超声传感器的工作原理与电磁场式传感器类似，超声传感器的工作原理与电磁场式传感器类似，也是采用接收器和发送器方式，只不过发送器是超声扬声也是采用接收器和发送器方式，只不过发送器是超声扬声器，接收器是超声麦克风并且利用了三角形定位原理器，接收器是超声麦克风并且利用了三角形定位原理 。l三 输出设备l1.显示器l图图像
18、像显显示示是是将将计计算算机机CPU当当前前所所做做的的工工作作的的数数字字信信息息，通通过过显显示示处处理理单单元元DPU,转转换换成成显显示示装装置置所所需需的的电电压压值值，将将图图形形和和文文字字立立即即显显示示在在显显示示器器阴阴极极射射线管（线管（CRT）的屏幕上。的屏幕上。l2.打印机l以以纸纸为为介介质质，将将计计算算机机处处理理后后的的结结果果变变为为永永久久的的可可保保留留信信息息，这这种种输输出出称称为为硬硬拷拷贝贝。按按其其工工作作方方式式，可分为可分为击打式击打式和和非击打式非击打式两种。两种。l击打式：特点是便宜，打印速度慢，噪声大。击打式：特点是便宜，打印速度慢，
19、噪声大。l非非击击打打式式：喷喷墨墨式式、激激光光式式,特特点点是是贵贵，打打印印快快，噪音小。噪音小。3.绘图机绘图机l自自动动绘绘图图机机按按工工作作原原理理可可分分为为笔笔式式绘绘图图和和非非笔笔式式绘绘图图两大类。两大类。l笔式绘图机笔式绘图机是以墨水笔作为绘图工具，计算机通过程序指令是以墨水笔作为绘图工具，计算机通过程序指令控制笔和纸的相对运动，同时，对图形的颜色、图控制笔和纸的相对运动，同时，对图形的颜色、图形中的线型以及绘图过程中抬笔、落笔动作加以控形中的线型以及绘图过程中抬笔、落笔动作加以控制，由此将屏幕显示的图形或存储器中的图形输出。制，由此将屏幕显示的图形或存储器中的图形输
20、出。l根根据据笔笔与与纸纸的的相相对对运运动动实实现现方方法法的的不不同同，笔笔式式绘绘图图机可分为机可分为平板式平板式和和滚筒式滚筒式两类。两类。l平板式平板式特点：纸不动、笔在特点：纸不动、笔在x、y两方向运动，绘图者可两方向运动，绘图者可自始至终观察绘图过程，速度稍慢，精度高，但价自始至终观察绘图过程，速度稍慢，精度高，但价格比较贵，而且占地面积大，幅面受限制，工程图格比较贵，而且占地面积大，幅面受限制，工程图纸质量高。纸质量高。l滚筒式滚筒式特点：纸与笔都动，结构紧凑，速度快，精度低，特点：纸与笔都动，结构紧凑，速度快，精度低，适合绘制大型的工程图。适合绘制大型的工程图。l非笔式绘图机
21、非笔式绘图机作图工具不是笔。一般包括静电绘图机、喷墨绘作图工具不是笔。一般包括静电绘图机、喷墨绘图机、热敏绘图机等几种类型。图机、热敏绘图机等几种类型。l2.2CAD系统的软件l计算机软件是指与计算机系统操作使用有关的程序、计算机软件是指与计算机系统操作使用有关的程序、规程、规则及其相关文档资料的总和。规程、规则及其相关文档资料的总和。l在在CAD系统中，根据软件在系统中执行的任务及系统中，根据软件在系统中执行的任务及服务对象的不同，软件大体分为服务对象的不同，软件大体分为系统软件系统软件、支撑软支撑软件件和和应用软件应用软件三大类。三大类。l一、一、系统软件系统软件l系系统统软软件件是是直直
22、接接配配合合硬硬件件工工作作,并并对对其其它它软软件件起起着着支撑作用的软件。主要的系统软件有：支撑作用的软件。主要的系统软件有：l操作系统；操作系统；b b 网络系统；网络系统；c c 高级语言编辑器等。高级语言编辑器等。系统软件构成系统软件构成二二支撑软件支撑软件l支撑软件是在系统软件基础上开发出来的满足支撑软件是在系统软件基础上开发出来的满足CAD用户一些需要的通用软件或工具软件，是用户一些需要的通用软件或工具软件，是CAD/CAM系统的核心。系统的核心。l常见的常见的CAD支撑软件有如下几类支撑软件有如下几类:l几何建模软件几何建模软件:提供一个完整，准确地描述和显示提供一个完整，准确
23、地描述和显示三维几何造型的方法和工具。具有消隐、着色、浓三维几何造型的方法和工具。具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。l计算机辅助工程软件计算机辅助工程软件:集几何建模，三维绘图，有集几何建模，三维绘图，有限元分析，产品装配，公差分析，机构运动学，限元分析，产品装配，公差分析，机构运动学，NC自动编程等功能分析系统为一体的集成软件系自动编程等功能分析系统为一体的集成软件系统。统。l绘图软件绘图软件:具有基本图形元素（点、线、图）绘制具有基本图形元素（点、线、图）绘制等，图形变换（缩放、平移、旋转等），编辑（增、等，图形变换（缩放
24、、平移、旋转等），编辑（增、删、改等），存贮，显示控制以及人机交互，输入删、改等），存贮，显示控制以及人机交互，输入/输出设计驱动等功能。输出设计驱动等功能。l有限元分析软件：可以进行静态、动态、热特性分有限元分析软件：可以进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理、计算分析及后置处理三部析，通常包括前置处理、计算分析及后置处理三部分。举例分。举例:SAP,SKA,NASTRAN,ANSYS等有限元分析软等有限元分析软件。件。l优化方法软件：将优化技术用于工程设计，综合多优化方法软件：将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，为选择最优方案、取得最优解、种优化计算方法，为选择最优方案、取
25、得最优解、求解数学模型提供强有力的数学工具软件。求解数学模型提供强有力的数学工具软件。l系统运动学系统运动学/动力学模拟仿真软件：在产品设计时，动力学模拟仿真软件：在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分进行的全过程，实时、并行地模拟产品生产或各部分进行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。例：造性。例：ADAMS机械系统动力学自动分析软件。机械系统动力学自动分析软件。l三三应用软件应用软件l是用户解决实际总是而自行开发或委托开发的程序是用户解决实际总是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
26、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制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。软件。l2.3CAD系统的型式系统的型式 l随随着着计计算算机机功功能能的的提提高高和和CAD技技术术的的应应用用推推广广，目目前前各各行行业业都都相相继继建建立立了了具具有有本本行行业业特特点点的的CAD系统。下面介绍一些典型的系统。下面介绍一些典型的CAD系统。系统。l一、一、检索型检索型CAD系统系统l在在信信息息检检索索型型CADCAD系系统统中中，已已把把定定型
27、型产产品品的的图图纸纸整整理理成成标标准准图图存存入入计计算算机机，同同时时存存入入加加工工用用的的信信息息，当当用用户户需需要要某某种种产产品品时时，系系统统可可按按需需要要而而选选择择出出标标准准规规格格图图纸纸；而而当当用用户户所所给给的的初初始始参参数数不不足足时时，系系统统可可在在同同系系列列产产品品中中，利利用用经经验验设设计计中中的的类类比比方方法法，选选择择计计算算出出介介于于两两种种产产品品规规格格之之间间，满满足足初初始始要要求求的产品。的产品。检索型检索型CAD系统工作原理系统工作原理l二、二、计算型计算型CAD系统系统l计计算算型型CAD系系统统主主要要是是通通过过优优
28、化化分分析析计计算算，得得到到技术上和经济上均最优的设计方案。技术上和经济上均最优的设计方案。计算型计算型CAD系统工作原理系统工作原理l三、三、人机交互型人机交互型CAD系统系统l交互型系统是利用输入、输出设备，通过人机对话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。的方式工作的。l由于产品的设计是一个设计、分析、计算、显示、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修改，不断反复的过程，计算机不能代替人的全部思维活动，因此，交互式系统是将人的创造性与计思维活动，因此，交互式系统是将人的创造性与计算机特性充分结合的系统，是现代算机特
29、性充分结合的系统，是现代CAD应用系统应用系统的主要类型，适合于新产品的设计、开发工作。的主要类型，适合于新产品的设计、开发工作。人机交互型人机交互型CAD系统工作原理系统工作原理l四四智能型专家系统智能型专家系统l是在是在CAD系统中引入人工智能技术。系统中引入人工智能技术。l首首先先搜搜集集领领域域内内专专家家的的知知识识和和经经验验，建建立立知知识识库库；其其次次是是设设置置推推理理机机构构，在在求求解解问问题题时时，模模仿仿人人类类专专家家进进行行思思维维与与决决策策；系系统统运运行行时时，输输入入原原始始参参数数及及设设计计要要求求，系系统统检检索索知知识识库库，搜搜索索与与待待解解决决问问题题总总是是相相匹匹配配的的规规则则，通通过过推推理理机机的的推推理理、判判断断或或模模拟拟人人的的智智慧慧，给给出出智智能能性性的的提提示示，建建议议解解决决问问题题的的途途径径和和推推荐荐解解决决方方案案。智智能能型型CAD系系统统工工作作原原理理如如图所示：图所示：