1、第2章 CAD系統(tǒng)軟硬件及圖形接口技術(shù),羅天洪 博士 副教授 重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院,主要內(nèi)容,CAD硬件系統(tǒng) CAD軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)接口技術(shù),2.1 CAD系統(tǒng)硬件 CAD系統(tǒng)的硬件配置與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有所不同，其主要差異是CAD系統(tǒng)硬件配置中，應(yīng)具有較強(qiáng)的人機(jī)交互設(shè)備及圖形輸入裝置，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供良好的硬件環(huán)境。CAD系統(tǒng)硬件的配置一般也能滿足CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，主要包括如下幾部份：,計(jì)算機(jī)系統(tǒng),圖形輸入設(shè)備,圖形顯示設(shè)備,圖形繪制設(shè)備,2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 目前CAD所使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要有工作站和高檔微機(jī)兩種，它們的主要特征是，都具備很強(qiáng)的圖形處理能力，速度較高，使用較

2、大的內(nèi)外存以適應(yīng)CAD應(yīng)用軟件的需求。,計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)主要有3個(gè)方面：一是運(yùn)算速度，以CPU（中央處理單元）的每秒執(zhí)行指令數(shù)目（MIPS，百萬次/秒）來衡量，時(shí)鐘頻率（主頻）是影響速度的主要方面；二是字長，即CPU每執(zhí)行一條指令可以內(nèi)存提取和處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，例如386、486為32位，pentium是64位并采用了較新的RISC（精簡指令集）技術(shù)；三是內(nèi)存容量，內(nèi)存越大，可容納和處理的程序和數(shù)據(jù)量就愈大。,選用何種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)取決于選用何種CAD應(yīng)用軟件及應(yīng)用開發(fā)方面的要求。一般來說，高檔微機(jī)于中小型CAD系統(tǒng)，如二維繪圖、CAD/CAM、產(chǎn)品信息管理等，具有價(jià)廉物美、共享資源豐富的特點(diǎn)。

3、而工作站適用于集成化CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，包括三維建模、分析，數(shù)控加工和數(shù)據(jù)庫等，但無論在硬件還是在軟件方面均需要較大的投資額度。,2.1.2 圖形輸入設(shè)備 在CAD作業(yè)中，常需要交互地輸入和修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的圖形，對圖形作多種變換操作。僅用鍵盤輸入不能滿足快速作業(yè)的要求，因而出現(xiàn)了各種各樣的輸入設(shè)備，如光筆、鼠標(biāo)器、掃描儀等。,鼠標(biāo)器,數(shù)字化儀,掃描儀,2.1.3 圖形顯示設(shè)備 圖形顯示器的主要器件是陰極射線管(CRT)，目前交互圖形系統(tǒng)廣泛使用的是光柵掃描式顯示器，它的顯示原理與電視機(jī)相似，不同的是電視機(jī)用模擬信號來掃描形成屏幕上的圖像，而圖形顯示器則不斷地讀取幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來控制不

4、同位置的RGB色刷新屏幕上的圖像。,衡量圖形顯示器清晰度的主要指標(biāo)是分辨率。,圖形顯示離不開圖形顯示卡,2.1.4 圖形繪制設(shè)備 CAD設(shè)計(jì)結(jié)果通常以數(shù)據(jù)表的形式或工程圖的形式輸出到打印紙或圖紙上，以形成后續(xù)生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件。用于輸出報(bào)表和圖紙的硬拷貝設(shè)備有打印機(jī)和繪圖機(jī)等。,2.2 CAD系統(tǒng)軟件,CAD系統(tǒng)的軟件分為三個(gè)層次：系統(tǒng)軟件，支撐軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件與硬件和操作系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)，支撐軟件主要指各種工具軟件，應(yīng)用軟件指以支撐軟件為基礎(chǔ)的各種面向工程應(yīng)用的軟件，其中大量的由各行業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員開發(fā)。CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)的軟件除與CAD系統(tǒng)的要求一樣外，還增加了CAPP和的有關(guān)

5、軟件。,2.2.1系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件主要用于計(jì)算機(jī)管理，維護(hù)，控制及運(yùn)行，以及計(jì)算機(jī)程序的翻譯和執(zhí)行，它分為以下幾類:,1.操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的主要功能是管理文件及各種輸入輸出設(shè)備。,2.編譯系統(tǒng) 是將高級語言編制的程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行指令的程序。,3.圖形接口及接口標(biāo)準(zhǔn) 為實(shí)現(xiàn)圖形向設(shè)備的輸出，必須向高級語言提供相應(yīng)的接口程序(函數(shù)庫)。,2.2.2支撐軟件 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足CAD用戶一些共同需要的通用軟件或工具軟件，它是CAD軟件系統(tǒng)的核心。近10多年，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，CAD支撐軟件產(chǎn)品及市場飛速發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用需求分為以下幾類。,(1).計(jì)算機(jī)分析軟件 這類軟件

6、主要用于解決工程設(shè)計(jì)中的各種數(shù)值計(jì)算和分析。主要有：1) 常用數(shù)學(xué)方法庫及其可視化軟件。2)有限無分析軟件。目前，有限元理論和方法已趨成熟，而且求解總是的范圍及規(guī)模日益擴(kuò)大，除彈性力學(xué)和流體力學(xué)外，也應(yīng)用于流動(dòng)分析、電磁場分析等方面。商品化的有限元分析軟件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些軟件還具有較強(qiáng)的前后置處理功能。,3)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過迭代尋求設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。已有不少成熟的優(yōu)化程序庫，如LBM公司的ODL，我國自主版權(quán)的“優(yōu)化方法程序庫OPB-2”等。,(2).集成化CAD/CAM/CAE

7、軟件 這些軟件支持二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。早期的軟件主要致力于實(shí)現(xiàn)交互式繪圖，如CADAM、AUTOCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二維交互式繪圖為主。80年代中期開始，實(shí)體造型技術(shù)日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)體造型技術(shù)定義產(chǎn)品零件的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。今天，參數(shù)化技術(shù)、裝配設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)方法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型為各個(gè)模塊共享幾何模型和最終的集成創(chuàng)造了條件。,目前較流行的CAD集成系統(tǒng)有：I-DEAS、Pro/Engineer、UG-2、CADDS-5、CATIA、Siemens-Desiggn等。國內(nèi)由清華大學(xué)和華中理工大學(xué)共同開發(fā)的CAD-

8、MLS也初步實(shí)現(xiàn)了CAD、CAM、FCA、2D、數(shù)據(jù)庫管理的集成，但商品化程度仍較低。,(3).數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS) 用于管理龐大的數(shù)據(jù)信息，提供數(shù)據(jù)的增、刪、查詢、共享、安全維護(hù)等操作，是用戶與數(shù)據(jù)之間的接口。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用3種數(shù)據(jù)模型，即層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型。目前流行的系統(tǒng)有Foxbase、oracle、Ingres等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)、事務(wù)管理。而適用于CAD/CAM的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，則要求管理地大的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)類型及關(guān)系很復(fù)雜，有信息模式是動(dòng)態(tài)，一般的DBMS并不適用。研制完善的支持設(shè)計(jì)的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是亟待解決的課題。,(4).網(wǎng)絡(luò)

9、國軟件 采用微機(jī)和工作站局域網(wǎng)形式的CAD系統(tǒng)已成為90年代CAD軟硬件配置的首選方案。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件為這些系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸和共享文件提供了條件。最常用的是NoveII公司的NETWARE，它包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、文件服務(wù)器軟件、通訊軟件等。Mi-crosoft的Window95環(huán)境下可直接支持絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)互連服務(wù)。通過TCP/IP協(xié)議及Inter-net， 我們可以發(fā)送郵件、查詢世界各地各領(lǐng)域的信息。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)即通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息咨詢服務(wù)的市場正迅速擴(kuò)大，SAP公司在短短幾年的成功就是一個(gè)例子。,2.2.3應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件的基礎(chǔ)上，針對某一 專門應(yīng)用領(lǐng)

10、域的需要而研制的軟件。這類軟件通常由用戶結(jié)合當(dāng)前設(shè)計(jì)工作需要自行開發(fā)，也稱“二次開發(fā)”。如模具設(shè)計(jì)軟件、電器設(shè)計(jì)軟件、機(jī)械零件設(shè)計(jì)軟件、飛機(jī)氣流分析軟件等均屬應(yīng)用軟件。能否充分發(fā)揮已有CAD硬件的準(zhǔn)備益，應(yīng)用軟件的技術(shù)開發(fā)工作是關(guān)鍵，也是CAD工作者的主要任務(wù)。,開發(fā)應(yīng)用軟件應(yīng)充分利用已有CAD支撐軟件的技術(shù)及其二次開發(fā)功能，而不是從頭開始，這樣才能保證應(yīng)用技術(shù)的先進(jìn)性和開發(fā)搞效性。需要說明的是，應(yīng)用軟件與支撐軟件之間并沒有本質(zhì)的區(qū)別，當(dāng)某一行業(yè)的應(yīng)用軟件逐步商品化形成通用軟件產(chǎn)品時(shí)，它也可以稱為一種支撐軟件。,專家系統(tǒng)也是一種應(yīng)用軟件。在設(shè)計(jì)過程中有相當(dāng)一部分工作不是計(jì)算及繪圖，而是依賴領(lǐng)域

11、專家豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專門知識，經(jīng)過專家們進(jìn)行思考、推理和判斷才獲得解決。使計(jì)算機(jī)模氦專家解決問題的工作過程而編制的智能型計(jì)算機(jī)程序稱為專家系統(tǒng)。在人工智能技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，近幾年專家系統(tǒng)技術(shù)有了迅速的發(fā)展。,2.3 交互技術(shù)與用戶接口 基于由計(jì)算機(jī)圖形表示的幾何模型的設(shè)計(jì)和分析已經(jīng)成為CAD系統(tǒng)的主要特征，CAD系統(tǒng)中的坐標(biāo)輸入、圖形拾取、坐標(biāo)變換都要用到交互技術(shù)，而圖形輸出、輸入事件的處理又進(jìn)交互的基礎(chǔ)。好的用戶接口可大大縮短人與計(jì)算機(jī)之間的距離，統(tǒng)一不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)的交互風(fēng)格，縮短CAD系統(tǒng)的開發(fā)周期。,2.3.1 用戶接口常用形式 面向應(yīng)用的用戶接口形式通常有三種，即子程序庫、專用語言和交

12、互命令。,(1)子程序庫 為一種或多種高級程序設(shè)計(jì)語言(C、C+、Fortran、Pascal)提供一系列擴(kuò)展的過程和函數(shù)調(diào)用。這類子程序庫有ISO公布的圖形核心系統(tǒng)(GKS、GKS3D)，程序員層次交互圖形系統(tǒng)PHIGS， MIT發(fā)布的Xlib,美國SGI公司的GL和OpenGL庫等。,（2）專用語言 最典型的是PostScript語言，它是解釋執(zhí)和的，其語句由關(guān)鍵字(命令)及其參數(shù)組成。解釋程序?qū)⒌囊恍姓Z句放在行緩存中，當(dāng)接收到行結(jié)束符時(shí)，該語言的編譯器對緩存內(nèi)容進(jìn)行解釋。首先拼關(guān)鍵字，如Color、line等，檢查關(guān)鍵字的正確生；再轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的關(guān)鍵字語句云拼參數(shù)，檢查參數(shù)的正確性；若參數(shù)

13、無誤，即可調(diào)用相應(yīng)的處理程序生成數(shù)據(jù)或圖形。PS語言在出版系統(tǒng)、照排系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。,（3）交互命令 交互反映了人與計(jì)算機(jī)程序之間傳遞信息的形式，而在程序包中的每個(gè)子程序的功能及專用語言中的有關(guān)語句均可按命令的言式提供給用衣使用。交互式用戶接口就是基于某種接口模型，實(shí)現(xiàn)用戶所需的輸入、選擇、拾取、增、刪、改的操作。交互命令是用讀書接口中應(yīng)用最普遍、效率最高的形式，隨著交互設(shè)備和交互技術(shù)的發(fā)展，人們對計(jì)算機(jī)提出的“所見即所得“的要求已基本實(shí)現(xiàn)。,2.3.2 交互技術(shù) 交互技術(shù)是完成交互任務(wù)的手段，其實(shí)現(xiàn)很在程度上依賴于交互設(shè)備。從邏輯上講，交互設(shè)備有定位、鍵盤、選擇、取值和拾取五種。最基本的

14、交互任務(wù)有定位、字串、選擇和取數(shù)。對給定的交互任務(wù)可以用不同的交互技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如一個(gè)選擇任務(wù)可以用鼠標(biāo)點(diǎn)菜單，也可以用鍵盤輸入選項(xiàng)名字，還可以用功能鍵來實(shí)現(xiàn)選擇。針對不同的交互任務(wù)，交互技術(shù)主要有以下幾種：,（1）定位技術(shù) 定位技術(shù)用于指定一個(gè)坐標(biāo)，有一維、二維、三維坐標(biāo)。定位方法有三種：1) 圖形輸入板或鼠標(biāo)器控制光標(biāo)定位； 2)鍵盤輸入坐標(biāo)值； 3) 鍵盤控制光標(biāo)定位。應(yīng)用定位技術(shù)時(shí)還需要考慮是用讀書坐標(biāo)系還是設(shè)備坐示系、光標(biāo)形狀、定位速度和精度等，為了使定位更加方便，還可以使用網(wǎng)格點(diǎn)、輔助線、導(dǎo)航技術(shù)等。,（2）定理技術(shù) 用戶經(jīng)常需要輸入一個(gè)數(shù)值，指定一個(gè)數(shù)量，在圖形系統(tǒng)中，它常表示一個(gè)大小、比例、長度或角度等。定量最基本的方法是用鍵盤輸入一數(shù)值，也可以用定位器作兩次定位，通過兩定位點(diǎn)之間的距離或方位關(guān)系來轉(zhuǎn)換出所需的量，如比例、距離、角度等。,（3）文本技術(shù) 文本技術(shù)需要確定字符串的內(nèi)容及長度。實(shí)現(xiàn)文本的技術(shù)有：1) 鍵盤輸入字符； 2) 菜單選擇字符； 3) 語音識別或筆畫識別等。在窗口系統(tǒng)中，常有專門的單行和多行文本編輯窗口來完成輸入，具有較好的交互性能。,（4）橡皮筋技術(shù)及施動(dòng)技術(shù) 橡皮筋技術(shù)主要針對變形類的要求，動(dòng)態(tài)地、連續(xù)地將變形過程表現(xiàn)出來，直到產(chǎn)生的用戶