第2章CAD系統(tǒng)的硬件及軟件

一個(gè)CAD系統(tǒng)是由一系列必要的硬件和軟件組成的，如圖2-1所示。硬件是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)；軟件是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能技術(shù)的核心。使硬件各個(gè)元件能進(jìn)行正確的協(xié)同工作，要有軟件的控制、指揮實(shí)現(xiàn)。硬件好比是人的身體，而軟件好比是人的頭腦，兩者只有有機(jī)的組織起來(lái)才能充分發(fā)揮作用。2.1

CAD系統(tǒng)的硬件CAD系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器組成。

一、

主機(jī)主機(jī)即用于CAD系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，一般可分為大型機(jī)、小型機(jī)、工作站及個(gè)人計(jì)算機(jī)。

1.大型機(jī)CAD系統(tǒng)該系統(tǒng)一般采用具有大容量的存儲(chǔ)器和極強(qiáng)計(jì)算功能的大型通用計(jì)算機(jī)為主機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以連接幾十至幾百個(gè)圖形終端和字符終端及其它圖形輸入和輸出設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)具有一個(gè)大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)行綜合管理和維護(hù)；計(jì)算速度極快。缺點(diǎn)是：如果CPU失效，則整個(gè)用戶(hù)都不能工作；由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)處于中央位置，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)容易被破壞；終端距離不能太遠(yuǎn)；隨著計(jì)算機(jī)的總負(fù)荷增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將降低。2.小型機(jī)CAD系統(tǒng)生產(chǎn)、制造這類(lèi)系統(tǒng)的廠商很多，如美國(guó)的CV，Intergraph，Calma，Application，Autotrol，Unigraphics等公司。在它們中間生產(chǎn)的產(chǎn)品大致可以分為兩種類(lèi)型。CV公司生產(chǎn)的是屬于全封閉系統(tǒng)。該公司曾投入了大量的人力和物力進(jìn)行硬件和軟件的開(kāi)發(fā)。Intergraph，Application，Unigraphics，Calma等公司，選擇通用的計(jì)算機(jī)，如VAX和Micro—VAX等計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的硬件環(huán)境，有時(shí)它們也自己研制和生產(chǎn)一些專(zhuān)用的圖形處理設(shè)備和高性能的圖形顯示器。這類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是軟件的移植性較好，用戶(hù)有較大的主動(dòng)權(quán)，而且軟件的研制者不必在硬件生產(chǎn)上分散精力。3.工作站組成的CAD系統(tǒng)以工作站為基礎(chǔ)的CAD/CAM系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的小型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)不同，一臺(tái)工作站只能一人使用，并且具有聯(lián)網(wǎng)功能。其處理速度很快，一般都趕上或超過(guò)了過(guò)去的小型和中型計(jì)算機(jī)的速度。當(dāng)前某些高檔工作站的處理速度更高，它以達(dá)到甚至超過(guò)小巨機(jī)的水平。這類(lèi)工作站一般都采用RISC技術(shù)和開(kāi)放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，用UNIX作為它們的操作系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在微機(jī)已能與大型機(jī)、小型機(jī)和工作站聯(lián)網(wǎng)，成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，共享大型機(jī)和工作站等的資源。這樣，大型機(jī)系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)和PC機(jī)系統(tǒng)就不再相互割裂，而成為一個(gè)有機(jī)的整體，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使得原來(lái)要在小型機(jī)和工作站上進(jìn)行的CAD/CAM工作可由微機(jī)來(lái)完成。二輸入設(shè)備1.

鍵盤(pán)鍵盤(pán)是常用的輸入設(shè)備。CAD系統(tǒng)工作時(shí)，可將設(shè)計(jì)參數(shù)、圖形的坐標(biāo)值、命令和字符等都可以用鍵盤(pán)輸入計(jì)算機(jī)。2.

鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種手動(dòng)輸入的屏幕指示裝置。它用于移動(dòng)光標(biāo)在屏幕上的位置，以便在該位置上輸入圖形、字符，或從屏幕菜單上選擇需要的項(xiàng)目。有的鼠標(biāo)有專(zhuān)用接口卡。大多數(shù)的鼠標(biāo)器和計(jì)算機(jī)端口的RS-232C串行口相連接。

3.

數(shù)字化儀數(shù)字化儀是由一塊尺寸為A4--A0的圖板和一個(gè)類(lèi)似鼠標(biāo)器的定位器或觸筆組成的。數(shù)字化儀用于輸入圖形，跟蹤、控制光標(biāo)位置和選擇菜單。大規(guī)模的數(shù)字化儀常常用于將已有圖樣輸入到計(jì)算機(jī)。

4.

掃描儀用于將工程圖樣自動(dòng)的輸入計(jì)算機(jī)，以便在計(jì)算機(jī)里建立圖樣的技術(shù)檔案，代替目前占用大量房屋面積和人力的技術(shù)檔案室管理方法。這種圖樣自動(dòng)輸入技術(shù)可分為三部分：1）用掃描儀將圖形錄入計(jì)算機(jī)，形成灰度及不同的圖像格式的文件。2）經(jīng)二值化處理后，該文件轉(zhuǎn)化成以二進(jìn)制數(shù)表示的點(diǎn)陣圖像文件。3）經(jīng)過(guò)有關(guān)軟件的處理，點(diǎn)陣圖像轉(zhuǎn)換為矢量化圖。4）將圖形信息和文本、符號(hào)分離與識(shí)別。

掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：1）分辨率每英寸200--1200點(diǎn)。2）灰度

灰度是指一系列具有黑白比例或彩色濃淡的色調(diào)，通常為256級(jí)，64級(jí)，或更低。掃描儀與計(jì)算機(jī)的接口，常用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口,一些新型掃描器采用快速傳輸數(shù)據(jù)的SCSI接口。

5.觸摸屏

又稱(chēng)為觸感型終端，是一種特殊的顯示屏。與普通的顯示器不同的是：附加了坐標(biāo)定位裝置，從而感知接觸點(diǎn)的位置，功能與圖形板相同。觸感可由紅外式、電容式、機(jī)械式傳感系統(tǒng)獲得，當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的電路就可以檢測(cè)到該點(diǎn)的位置。將應(yīng)用軟件的菜單提示于屏幕上，利用觸摸技術(shù)，手指直接“點(diǎn)菜”，既直觀又方便，不易出錯(cuò)。

7.數(shù)據(jù)手套

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最常用的輸入裝置。如下圖所示，數(shù)據(jù)手套利用光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光量來(lái)測(cè)量手指角度。當(dāng)光導(dǎo)纖維彎曲時(shí)，傳輸?shù)墓鈱?huì)有損失，彎曲越大，損失越多。數(shù)據(jù)手套可以幫助計(jì)算機(jī)測(cè)試人手的位置與指向，從而可以實(shí)時(shí)地生成手與物體接近或遠(yuǎn)離的圖像。

8.位置傳感器

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的CAD/CAM系統(tǒng)中，為了提高真實(shí)感，必須知道瀏覽者在三維空間中的位置，尤其是必須知道瀏覽者頭部的位置和方向。位置傳感器用于檢測(cè)和確定瀏覽者的位置和方向，通常包括電磁場(chǎng)式、超聲波式、機(jī)電式、光學(xué)式等。

電磁場(chǎng)式傳感器通過(guò)檢測(cè)低頻磁場(chǎng)的變化來(lái)確定運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位置和方向，并據(jù)此跟蹤運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位置和方向。

超聲傳感器的工作原理與電磁場(chǎng)式傳感器類(lèi)似，也是采用接收器和發(fā)送器方式，只不過(guò)發(fā)送器是超聲揚(yáng)聲器，接收器是超聲麥克風(fēng)并且利用了三角形定位原理。三輸出設(shè)備1.

顯示器圖像顯示是將計(jì)算機(jī)CPU當(dāng)前所做的工作的數(shù)字信息，通過(guò)顯示處理單元DPU,轉(zhuǎn)換成顯示裝置所需的電壓值，將圖形和文字立即顯示在顯示器陰極射線管（CRT）的屏幕上。3.繪圖機(jī)

自動(dòng)繪圖機(jī)按工作原理可分為筆式繪圖和非筆式繪圖兩大類(lèi)。筆式繪圖機(jī)

是以墨水筆作為繪圖工具，計(jì)算機(jī)通過(guò)程序指令控制筆和紙的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，對(duì)圖形的顏色、圖形中的線型以及繪圖過(guò)程中抬筆、落筆動(dòng)作加以控制，由此將屏幕顯示的圖形或存儲(chǔ)器中的圖形輸出。根據(jù)筆與紙的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法的不同，筆式繪圖機(jī)可分為平板式和滾筒式兩類(lèi)。平板式

特點(diǎn)：紙不動(dòng)、筆在x、y兩方向運(yùn)動(dòng)，繪圖者可自始至終觀察繪圖過(guò)程，速度稍慢，精度高，但價(jià)格比較貴，而且占地面積大，幅面受限制，工程圖紙質(zhì)量高。非筆式繪圖機(jī)

作圖工具不是筆。一般包括靜電繪圖機(jī)、噴墨繪圖機(jī)、熱敏繪圖機(jī)等幾種類(lèi)型。

2.2

CAD系統(tǒng)的軟件計(jì)算機(jī)軟件是指與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作使用有關(guān)的程序、規(guī)程、規(guī)則及其相關(guān)文檔資料的總和。在CAD系統(tǒng)中，根據(jù)軟件在系統(tǒng)中執(zhí)行的任務(wù)及服務(wù)對(duì)象的不同，軟件大體分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三大類(lèi)。一、

系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是直接配合硬件工作,并對(duì)其它軟件起著支撐作用的軟件。主要的系統(tǒng)軟件有：ａ操作系統(tǒng)；b網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；c高級(jí)語(yǔ)言編輯器等。繪圖軟件:具有基本圖形元素（點(diǎn)、線、圖）繪制等，圖形變換（縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等），編輯（增、刪、改等），存貯，顯示控制以及人機(jī)交互，輸入/輸出設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)等功能。有限元分析軟件：可以進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱特性分析，通常包括前置處理、計(jì)算分析及后置處理三部分。舉例:SAP,SKA,NASTRAN,ANSYS等有限元分析軟件。優(yōu)化方法軟件：將優(yōu)化技術(shù)用于工程設(shè)計(jì)，綜合多種優(yōu)化計(jì)算方法，為選擇最優(yōu)方案、取得最優(yōu)解、求解數(shù)學(xué)模型提供強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具軟件。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)模擬仿真軟件：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)、并行地模擬產(chǎn)品生產(chǎn)或各部分進(jìn)行的全過(guò)程，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造過(guò)程和產(chǎn)品的可制造性。例：ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件。三應(yīng)用軟件是用戶(hù)解決實(shí)際總是而自行開(kāi)發(fā)或委托開(kāi)發(fā)的程序系統(tǒng)。它是在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，或用高級(jí)語(yǔ)言編程，或基于某種支撐軟件，針對(duì)特定的問(wèn)題設(shè)計(jì)研制，既可為一個(gè)用戶(hù)使用，也可為多個(gè)用戶(hù)使用的軟件。2.3

CAD系統(tǒng)的型式

隨著計(jì)算機(jī)功能的提高和CAD技術(shù)的應(yīng)用推廣，目前各行業(yè)都相繼建立了具有本行業(yè)特點(diǎn)的CAD系統(tǒng)。下面介紹一些典型的CAD系統(tǒng)。

一、

檢索型CAD系統(tǒng)在信息檢索型CAD系統(tǒng)中，已把定型產(chǎn)品的圖紙整理成標(biāo)準(zhǔn)圖存入計(jì)算機(jī)，同時(shí)存入加工用的信息，當(dāng)用戶(hù)需要某種產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)可按需要而選擇出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格圖紙；而當(dāng)用戶(hù)所給的初始參數(shù)不足時(shí)，系統(tǒng)可在同系列產(chǎn)品中，利用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的類(lèi)比方法，選擇計(jì)算出介于兩種產(chǎn)品規(guī)格之間，滿(mǎn)足初始要求的產(chǎn)品。檢索型CAD系統(tǒng)工作原理二、

計(jì)算型CAD系統(tǒng)計(jì)算型CAD系統(tǒng)主要是通過(guò)優(yōu)化分析計(jì)算，得到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

計(jì)算型CAD系統(tǒng)工作原理三、

人機(jī)交互型CAD系統(tǒng)交互型系統(tǒng)是利用輸入、輸出設(shè)備，通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式工作的。由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、顯示、修改，不斷反復(fù)的過(guò)程，計(jì)算機(jī)不能代替人的全部思維活動(dòng)，因此，交互式系統(tǒng)是將人的創(chuàng)造性與計(jì)算機(jī)特性充分結(jié)合的系統(tǒng)，是現(xiàn)代CAD應(yīng)用系統(tǒng)的主要類(lèi)型，適合于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工作。人機(jī)交互型CA