1、CAD技術(shù)的進展與發(fā)展趨向任海東（中國計量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院，310018）摘要：回顧了過去40年來CAD技術(shù)的發(fā)展歷程，論述了CAD技術(shù)在基于歷史的造型、參數(shù)化設(shè)計,曲面造型、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計、數(shù)據(jù)交換與共享等方面的新進展，并探討了適應(yīng)計算環(huán)境變革、計算方法改進和產(chǎn)品制造業(yè)的需求，未來CAD技術(shù)的發(fā)展趨向等問題。關(guān)鍵詞：CAD技術(shù)；計算機圖形學(xué)；造型技術(shù)；產(chǎn)品設(shè)計；CAD發(fā)展趨機械CAD的硬件組成根據(jù)機械設(shè)計與制造的要求，針對系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和相應(yīng)的軟件規(guī)模，可以選用不同規(guī)模、不同結(jié)構(gòu)、不同功能的計算機、外部設(shè)備及其生產(chǎn)加工設(shè)備。常用的硬件組成類型如圖2-5所示。鼠標(biāo)字符終端搬運機械oONC機床機

2、器人自動測試裝置/匚圖形終端繪圖儀_打印機_硬盤機0磁帶機操縱桿光筆嚴(yán)夕數(shù)字化儀|計算訕圖1-8機械CAD/CAM系統(tǒng)的硬件組成、計算機主機計算機主機是CAD/CAM硬件系統(tǒng)的核心，用于指揮、控制整個系統(tǒng)完成運算、分析工作。主機的類型及性能很大程度上決定了CAD/CAM系統(tǒng)的使用性能。主機由中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲器等組成。中央處理器由控制器、運算器及各種不同作用的寄存器組成，其主要任務(wù)是存取指令、分析指令、執(zhí)行指令等。CPU的主頻和寄存器的位數(shù)是影響CPU性能和速度的重要因素。內(nèi)存，即主存儲器是主機內(nèi)部直接與CPU相連的存儲裝置，是計算機的記憶及存儲部件。用戶的程序、所需的數(shù)據(jù)及計算機系

3、統(tǒng)中的各類軟件通常都放在外存儲器中，當(dāng)使用某一軟件，或運行某一用戶程序時，首先將其從外存調(diào)入內(nèi)存，而系統(tǒng)運行中的信息、輸入的原始數(shù)據(jù)、經(jīng)過初步加工的中間數(shù)據(jù)、以及最后處理完成的結(jié)果，都在內(nèi)存中，需要通過相應(yīng)的命令，從內(nèi)存送入外存，以便長期保存。內(nèi)存容量的大小，直接影響到程序運行的速度。內(nèi)存通常以MB為單位來定義其容量的大小，目前主機的內(nèi)存已經(jīng)達到Gb量級。二、外部存儲器計算機系統(tǒng)都配置了外部存儲器，以長期保留程序及數(shù)據(jù)。常用的外部存儲器有磁盤、磁帶、光盤等。磁盤是最常用的外部存儲設(shè)備，包括軟盤存儲器和硬盤存儲器。軟盤存儲器由軟盤和軟盤驅(qū)動器組成，由于軟盤的容量小，攜帶不方便等原因，已經(jīng)很少使用

4、。硬盤通常是做成固定式的硬盤機與硬盤驅(qū)動器，或者裝成可移式的硬盤組或硬盤插卡。硬盤是由多個盤片組成，容量可達幾十到幾百Gb,使用時可以被格式化成幾個邏輯盤，用操作系統(tǒng)的分區(qū)命令就可實現(xiàn)。利用硬盤分區(qū)可以有效地管理計算機系統(tǒng)的資源，也允許在不同的邏輯盤上安裝不同的操作系統(tǒng)，以滿足用戶使用各類應(yīng)用軟件的需要。磁帶是典型的順序存儲設(shè)備，在磁帶上以物理記錄為單位寫入或?qū)懗觥Ｍǔ?，在信息必須按順序存入及順序讀出的情況下使用磁帶。磁帶的存儲容量比較大，常用來為系統(tǒng)作備份。光盤是目前計算機系統(tǒng)廣泛使用的存儲介質(zhì)之一，它由光盤和光盤驅(qū)動器組成。光盤分為一次寫入型光盤、可擦寫型光盤兩類。記錄信息時，使用激光照射

5、到介質(zhì)表面上，用輸入數(shù)據(jù)調(diào)制光點的強弱，在盤面上會形成一系列凹凸不平的條紋，信息就以這種方式記錄下來了。讀出信息時，由于光盤表面的凹凸不平，當(dāng)激光光源照射到盤面上時，光的強弱變化經(jīng)過解調(diào)就可輸出數(shù)據(jù)。光盤的存儲容量可達600MB以上，常用于保存數(shù)據(jù)、資料、應(yīng)用軟件或常用工具軟件。三、輸入設(shè)備不同的場合需使用不同的輸入方式輸入不同類型的數(shù)據(jù)，為此，人們開發(fā)了各種各樣的輸入設(shè)備。計算機通過輸入設(shè)備將各種外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機能識別的電子脈沖信號。1鍵盤鍵盤是計算機最基本的配置之一，可以用來輸入文字和基本命令及選取菜單等。鍵盤上的鍵主要分為數(shù)字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵和控制鍵。從結(jié)構(gòu)上分，鍵盤有機械

6、式、電容式、薄膜式三類，其中機械式信號穩(wěn)定、不易受灰塵干擾；薄膜式觸感稍差，但可以防潮而電容式操作靈活，觸感好。目前大多數(shù)微機使用電容式鍵盤。2鼠標(biāo)鼠標(biāo)有機械式、光電式、感應(yīng)式和空間球四種。機械式鼠標(biāo)的底部配置了一個橡膠球，當(dāng)鼠標(biāo)在平面上滑動時，橡膠球在平面上滾動，并帶動兩個相互垂直的電位器或者旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，其中一個用于X軸、另一個用于Y軸，電位器阻值或旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角的變化使光標(biāo)在屏幕上同步移動。光電式鼠標(biāo)底部裝有發(fā)光管和光電檢測器，當(dāng)鼠標(biāo)在專用的鼠標(biāo)板上移動時，發(fā)光管發(fā)出的光經(jīng)過鼠標(biāo)板反射至光電檢測器，從而能夠檢測到鼠標(biāo)板上網(wǎng)格發(fā)出的0、1紅外信號，傳到機器內(nèi)部實現(xiàn)光標(biāo)的同步移動。上面介紹

7、的兩類鼠標(biāo)都只能輸入二維坐標(biāo)信息，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD/CAM系統(tǒng)中的應(yīng)用，出現(xiàn)了空間球（三維鼠標(biāo)），用來輸入三維坐標(biāo)。除了鼠標(biāo)外，還有定位指輪、操縱桿、跟蹤球等裝置，它們和鼠標(biāo)的功能非常相似，也是常用的屏幕指示裝置。3光筆光筆屬于指點輸入設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-6所示。顯示器內(nèi)電子束產(chǎn)生的光點在整個屏幕上往返移動，當(dāng)光筆置于顯示屏幕某點上接收到光信號后，通過光電轉(zhuǎn)換向計算機輸送一個響應(yīng)脈沖，計算機可通過X、Y軸的偏轉(zhuǎn)寄存器獲得這一點的XY坐標(biāo)值，并獲得顯示該點的指令。通過檢測光筆信號與程序計數(shù)器內(nèi)容之間的對應(yīng)關(guān)系，確定點的位置，有選擇地指向圖形元素，可以改變圖形內(nèi)容和更改刷新存儲器

8、的程序段。4數(shù)字化儀數(shù)字化儀可以看成一個標(biāo)注有XY坐標(biāo)的平板，可用于輸入精度較高的各類圖形信息。如圖2-7所示，將圖紙置于平板上，平板上的X-Y兩軸上的位置傳感器將各點的坐標(biāo)輸入計算機，使計算機上的光標(biāo)置于相應(yīng)的位置上，令計算機記錄下該點的坐標(biāo)值。例如臺架式數(shù)字化儀上配有可沿X軸和Y軸兩個方向移動的滑道，坐標(biāo)點的位置是由旋轉(zhuǎn)編碼器或線性游標(biāo)尺確定并給出相應(yīng)的數(shù)字量。數(shù)字化儀的尺寸一般為900mmX1200mm及1200mmX1800mm,分辨率和精度可達0.025mm和0.076mm；所用指示定位工具有觸筆和游標(biāo)器兩種。此外，圖形輸入板（原理與數(shù)字化儀相似）、觸摸屏、掃描輸入設(shè)備（包括掃描儀輸

9、入條形碼掃描輸入等）、語音輸入設(shè)備等也可用作CAD/CAM系統(tǒng)的輸入設(shè)備。四、輸出設(shè)備機械CAD/CAM系統(tǒng)通過輸出設(shè)備將設(shè)計的數(shù)據(jù)、文件、圖形、程序、指令等顯示、輸出或者發(fā)送給相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備，主要的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖機、影像設(shè)備、語音系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備接口等幾大類。顯示器顯示器是一種快速反應(yīng)的輸出設(shè)備，是計算機最基本的配置之一，也是CAD/CAM系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備，它不僅能直觀地得到計算過程的反饋信息、隨時顯示所設(shè)計的圖形，還能顯示用戶對圖形進行增、刪、改、移動等交互操作的過程。目前大量使用的是平板式的用液晶顯示材料制成的顯示器（LCD），具有輕、薄、小、顯示效果好、對人體影響小等

10、優(yōu)點，相比之下，陰極射線管制成的顯示器（CRT），顯得體積大，功耗大，有逐步淘汰的趨勢。分辨率是顯示器的一個主要技術(shù)指標(biāo)。所謂分辨率是指屏幕上可識別的最大光點數(shù)，對相同尺寸的屏幕，光點數(shù)越多，每個光點就越精細(xì)，顯示的圖形就越精確。通常用水平方向的光點數(shù)與垂直方向的光點數(shù)表示顯示器的分辨率，常見的微機顯示器分辨率有多種模式，如800X600,1024X768甚至達2048X1280以上。顯示器與主機之間的聯(lián)系是通過顯示適配器實現(xiàn)的，也就是通常說的顯卡。常見的顯卡有CGA、EGA、VGA、SVGA、TVGA等多種類型,使用時,要使其分辨率與所選用的顯示器匹配,為了提高顯示器刷新速度和顯示效果,顯卡

11、的顯示存儲器容量應(yīng)足夠大。目前顯卡的顯示存儲器容量有128Mb、256Mb、512Mb等多種。打印機打印機是一種十分常見的計算機信息輸出設(shè)備。打印機操作簡單,工作成本低,但受輸出紙張幅面大小的限制,在CAD/CAM系統(tǒng)中主要用來進行設(shè)計或計算分析信息的中間結(jié)果或最終結(jié)果的輸出。打印機的種類很多,按其工作方式不同,主要分為擊打式和非擊打式兩種類型。擊打式打印機是利用其內(nèi)部機電結(jié)構(gòu)的作用,使打印針撞擊色帶和打印紙,完成打印字符、圖形的過程。非擊打式打印機則是通過其他物理方式來完成打印過程的。打印機的打印規(guī)格是以紙張幅面分，如A4幅面、A3幅面等。按其打印顏色分有單色和彩色兩種。打印機根據(jù)其打印質(zhì)量

12、的不同又可分為針式打印機、噴墨打印機、激光打印機等。針式打印機又稱為點陣打印機，屬于擊打式打印機；噴墨打印機和激光打印機則屬于非擊打式打印機。目前已有激光打印-復(fù)印一體機。此外，還有熱蠟打印機、染色升華(DyeSublimation)打印機，由于打印機的消耗材料較貴和投入相對較大，因而，不適合在CAD/CAM系統(tǒng)中用來進行大量的文件輸出。繪圖機繪圖機是CAD/CAM系統(tǒng)中不可缺少的重要輸出設(shè)備。其原理與XY記錄儀近似，在微處理器控制下，繪圖筆可以在XY兩坐標(biāo)軸方向上移動，繪出所要求的圖形。按照其繪圖原理可分為筆式繪圖機和非筆式繪圖機兩類。1）筆式繪圖機這類繪圖機是以墨水筆作為繪圖工具，計算機通

13、過程序指令來控制筆和紙的相對運動，同時，對圖形的顏色、圖形中的線型以及繪圖過程中抬筆、落筆動作加以控制，由此將屏幕顯示的圖形或存儲器的圖形輸出。筆式繪圖機的驅(qū)動裝置常用步進電動機、小慣量直流電動機和伺服電動機等。為了使傳動裝置靈活、不自鎖、效率高、不易發(fā)生爬行現(xiàn)象，傳動方式多采用滾珠絲杠、齒輪齒條、鋼絲鋼帶等結(jié)構(gòu)。根據(jù)筆與紙的相對運動方式的不同，筆式繪圖機分為平板式和滾筒式兩類。平板式繪圖機的外形和工作方式類似于手工繪圖時用的繪圖板，如圖2-8所示。在整個繪圖過程中，圖紙固定在臺面上保持不動，筆架沿X和Y兩方向移動，設(shè)計人員可以自始至終觀察圖形的繪制，繪圖過程易于監(jiān)視。但受圖紙幅面的限制，占地

14、面積比較大，價格比較高。滾筒式繪圖機由一水平放置的滾筒和一個能夠沿滾筒軸線方向移動的筆組成，如圖2-9所示。滾筒式繪圖機繪圖時，圖紙放置在滾筒上，滾筒的旋轉(zhuǎn)帶動紙作垂直于滾筒軸線方向的運動來實現(xiàn)X方向的運動，繪圖筆可沿滾筒軸向運動，完成Y方向的移動。這類繪圖機的繪圖速度比平板式快，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，價格也相對便宜，但其精度相對較低。（2）非筆式繪圖機這類繪圖機的作圖工具不是筆。一般包括靜電繪圖機、噴墨繪圖機、熱敏繪圖機等幾種類型。靜電繪圖機的工作原理類似于靜電記錄設(shè)備，如圖2-10所示，它采用一個專用的記錄系統(tǒng)繪圖，記錄頭上的“筆尖”在繪圖數(shù)據(jù)控制下，凡是通電的“筆尖”與靜電電極共同作用

15、在繪圖紙上產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，再經(jīng)四色調(diào)色劑組成的彩色處理系統(tǒng)粘附上色，形成用戶所需的各種不同顏色的可視圖形。這種繪圖機繪圖速度快，噪聲小，但主機負(fù)荷大，造價較高。噴墨繪圖機是利用噴墨槍作記錄頭，采用類似光柵的原理，如圖2-11所示。通過圖形數(shù)據(jù)控制噴射強度或單位面積點密度的方法實現(xiàn)圖形繪制。繪圖機的筆架上有三個噴嘴，在高壓作用下，按一定的時間間隔噴出墨跡，噴頭緩慢掃過轉(zhuǎn)動的滾筒表面。每個噴嘴產(chǎn)生一個基本色調(diào)，并用組合方法象彩色光柵顯示器一樣形成多種顏色的圖案。噴墨繪圖機通過設(shè)置可以產(chǎn)生高質(zhì)量的繪圖效果，但要注意在墨盒保質(zhì)期內(nèi)使用，避免噴嘴堵塞。熱敏繪圖機的工作原理與熱敏印刷機相類似，它既無繪圖筆，

16、也不需要噴墨頭等一系列運動部件，它的特點是具有優(yōu)質(zhì)、高效繪制整塊填充實心圖案、陰影圖、精細(xì)線條的能力。此外，還可顯示灰度等級，繪制多色調(diào)層次的圖形，但需專門的熱敏圖紙。目前筆式繪圖機有被噴墨繪圖機取代的趨勢，在選用噴墨繪圖機時需考慮填充色彩種類、彩色線條種類、調(diào)色劑容量、記錄“筆尖”的總數(shù)（分辨率，如1200dpi-dotsperinch）以及緩沖器的容量等性能指標(biāo)。生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備機械CAD/CAM系統(tǒng)包括加工設(shè)備（如各類數(shù)控機床、加工中心等）、物流搬運設(shè)備（如有軌小車、無軌小車、機器人等）、倉儲設(shè)備（如立體倉庫、刀庫等）、輔助設(shè)備（如對刀儀等）等生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備。這些設(shè)備通常采用RS232通信接口

17、、DNC接口或某些專用接口與CAD/CAM系統(tǒng)中的計算機連接，實現(xiàn)計算機與這些設(shè)備間的通信，如獲取和接收設(shè)備的狀態(tài)信息和其他數(shù)據(jù)信息，向設(shè)備發(fā)送命令和控制程序（如數(shù)控加工程序、機器人控制程序）等五、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備隨著計算機技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的CAD/CAM系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模千差萬別，大小之間相差懸殊。小者如兩臺計算機連接起來共享文件和打印機，就組成一個簡單網(wǎng)絡(luò)；大者如Internet網(wǎng)，它把世界上難以計數(shù)的計算機連在一起。不管網(wǎng)絡(luò)的類型及模式如何，一個網(wǎng)絡(luò)通常由服務(wù)器、工作站、電纜、網(wǎng)卡、集線器和其它網(wǎng)絡(luò)配件等硬件組成，此外，路由器、網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)等部件與設(shè)備是擴展網(wǎng)絡(luò)所必備的。

18、（1）服務(wù)器通常是指提供服務(wù)的軟件或硬件，或者兩者的結(jié)合體。服務(wù)器是大負(fù)荷的機器，其工作量是普通工作站的幾倍甚至幾十倍。服務(wù)器上運行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，提供文件、通信和打印等服務(wù)等。（2）工作站連接到網(wǎng)絡(luò)上的任一臺計算機成為網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，并稱為網(wǎng)絡(luò)工作站，簡稱工作站。工作站僅為它的操作者服務(wù)，而服務(wù)器則為網(wǎng)絡(luò)上的許多節(jié)點提供共享資源。網(wǎng)卡根據(jù)數(shù)據(jù)位寬度的不同可分為8位、16位和32位網(wǎng)卡。一般來說，工作站上常采用16位網(wǎng)卡、服務(wù)器上采用32位網(wǎng)卡，8位網(wǎng)卡已經(jīng)被淘汰。根據(jù)網(wǎng)卡采用的總線接口，可分為ISA、EISA、MCA、VLBUS、PCI等接口。隨著100Mb/s網(wǎng)絡(luò)的流行和PCI總線的普及，

19、PCI接口的32位網(wǎng)卡將會得到廣泛的采用。通信電纜常用的通信電纜包括細(xì)同軸電纜(BNC)、粗同軸電纜(AUI)、雙絞線和光纖等多種。細(xì)同軸電纜組網(wǎng)容易安裝，電纜線價格便宜，成本較低，但連接的長度較短。粗同軸電纜成本相對要高得多，網(wǎng)絡(luò)維護較困難。雙絞線在目前局域網(wǎng)組網(wǎng)中最為流行，具有價格便宜、容易安裝、維護方便的優(yōu)點。常用的雙絞線電纜的雙絞線對數(shù)有2、4、8、16、32、64等多種規(guī)格。雙絞線上的傳輸速率是較高的，但傳輸速率越高，網(wǎng)段的最大長度越小。在10Mbps的局域網(wǎng)上，一般雙絞線長度不超過100m。光纖適合組建較大型的網(wǎng)格,它具有極高的頻帶、無能量損失、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。(5)集線器(HUB)集線器可分為獨立式、疊加式、智能模塊式、高檔交換式集線平臺。在組網(wǎng)中常選用的是獨立式HUB，這類HUB主要是為了克服總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)布線困難和易出故障的問題而引入，一般不帶管理功能，沒有容錯能力，不能支持多個網(wǎng)段。這類集線器適合于小型網(wǎng)絡(luò)，一般有16端口、24端口和48端口等類型，可以利用串接方式連接來擴充端口。中繼器中繼器是一種附加設(shè)備，用來放大電纜上的信號以便在網(wǎng)絡(luò)上能傳輸?shù)酶h(yuǎn)。中繼器工作在物理層，一般并不改變信息。網(wǎng)橋網(wǎng)橋能夠連