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1、,第二章 CAD系统的组成,CAD系统的构成与配置形式 CAD系统的硬件 CAD系统的硬件 图形核心与数据交换标准 CAD系统设计与选择原则,本 章 要 点,2 CAD系统的组成,2.1 CAD系统的组成,2.1.1 CAD系统的组成,大中型机系统（Mainframe-based system）小型机系统（Minicomputer-based system）工程工作站系统(Workstation-based system)微型机系统(Microcomputer-based system),计算机类型,2.1.2 CAD系统中的计算机类型,1.主机终端形式,以大、中型机为主机，集中配备某些公用的
2、外部设备 主机功能强 当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢一旦主机发生故障，整个系统就不能工作价格昂贵,2.1.3 CAD系统的配置形式,2.分布式台式计算机形式,工作站系统设计思想：一个工程师使用一台计算机；而且还能使用所有的计算机。前半句话意味着放弃了多用户分时系统的结构，后半句话意味着采用网络技术（集群）。系统的单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。工作站本身具有强大的分布式计算功能，能够支持复杂的CAD作业，能支持多任务进程。,2.1.3 CAD系统的配置形式,分布式工程工作站系统,2.1.3 CAD系统的配置形式,分布式台式计算机形式,2.1.3 CAD系统
3、的配置形式,2.1.3 CAD系统的配置形式,3.客户/服务器形式,2.1.3 CAD系统的配置形式,4.浏览器/服务器形式,2.1.3 CAD系统的配置形式,按工作方法及功能划分,检索型CAD系统自动型CAD系统交互型CAD系统智能型CAD系统,2.1.4 CAD系统的分类,1、检索型CAD系统 检索型CAD系统主要用于产品结构及其零部件已实现标准化、系列化及模块化的产品，它们的零部件图及装配图已转化为程序存储于计算机中，在设计过程中，根据给出参数的具体数值按要求检索出所需要的零部件图，在计算机上装配成产品图，并对产品性能进行校核，满足要求后，输出所需的各种技术文件及图纸。,2.1.4 CA
4、D系统的分类,2、自动型CAD系统 自动型CAD/CAM系统能根据产品性能规格要求在输入基本参数后，不需人工干预，计算机能根据规定的程序，自动完成设计工作，输出产品设计全部图纸及技术文件，仅适用于设计理论成熟；计算公式确定；设计步骤及判别标准清楚；资料数据完备的产品。,2.1.4 CAD系统的分类,3、交互型CAD系统 在机械产品设计过程中，方案的决策及结构布置要完全实现自动化设计是非常困难的，有时也是不可行的，设计过程中往往需要设计人员的随时参与，由此产生了交互型CAD系统。它充分发挥了人与计算机二者的长处，即：计算机的高速运算能力和严格的逻辑判断及大量信息的存储能力和设计人员长期积累的智慧
5、和丰富的经验。交互型CAD系统在产品设计工作中具有较实用的价值，并且在实现上相对也容易一些。,2.1.4 CAD系统的分类,4、智能型CAD系统 将人工智能技术、专家系统技术与普通CAD系统结合起来，便产生了智能型CAD系统。它主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统以及人机接口等组成。智能型CAD系统可以对产品设计的全过程进行支持。,2.1.4 CAD系统的分类,按使用用途划分,机械CAD系统建筑CAD系统电器CAD系统服装CAD系统,2.1.4 CAD系统的分类,（1）主机（2）存储设备（3）输入设备（4）输出设备（5）网络设备（6）生产设备,2.2 CAD系统的硬件,主机,中央处理机
6、(CPU：Central Processing Unit)主存储器(也称内存),2.2 CAD系统的硬件,中央处理机(CPU),CPU包括控制器和运算器。在控制器和运算器中都有寄存器作为暂时的信息写入与取出的地方，存取速度均比从主存储器中存取要快。,2.2 CAD系统的硬件,主存储器（内存）,主存储器用来存放指令、数据及运算结果主存储器一般包括：随机读写存储器(RAM：Random Access Memory)存放各种输入、输出数据及中间结果与外存储器交换信息RAM中信息既可读出，也可写入只读存储器(ROM：Read Only Memory)信息只能读出，不可写入，故信息是不变的，断电后不会丢
7、失一般用来存放固定程序，如管理、监控、汇编、诊断程序等,2.2 CAD系统的硬件,主机的性能指标,速度（1）时钟频率（主频）计算机通过一个电子钟高速发出有规律的脉冲，单位为MHz(兆赫)（2）MIPS106指令s 每秒处理指令的平均数（3）存取周期 向内存中读写数据的时间，单位微秒字长CPU每执行一条指令可以从内存提取和处理的数据位数,32位，64位,2.2 CAD系统的硬件,外存储设备,用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器的特点是容量大但存取速度慢。常见种类有：磁带机 磁盘驱动器（软盘、硬盘）光盘驱动器,2.2 CAD系统的硬件
8、,磁带机,存储介质是磁带，只能顺序存取的设备，存取速度较慢，但成本低，存储容量大，它是理想的系统的备份设备。,2.2 CAD系统的硬件,磁盘驱动器,磁盘驱动器是一种可随机存取的存储设备其存储介质为磁性圆盘，两种结构形式硬盘它是由一组同轴的金属圆盘(表面涂覆一薄层磁性物质)、读写头和驱动器所组成的密封机构。它的旋转速度很高，具有很高的数据读写速度硬盘的容量很大。软盘软磁盘是由聚酯材料制成的薄圆片，其上涂覆一薄层磁性材料。两种尺寸，旧尺寸是5英寸，新的3.5英寸。,2.2 CAD系统的硬件,光盘驱动器,存储介质是光盘采用激光技术进行海量存储，单片双面光盘存储量达2GB，只读光盘，只读光盘驱动器称为
9、CD-ROM 可以反复读写的光盘,2.2 CAD系统的硬件,可移动存储设备,闪存类存储器,闪存类存储器的存储介质有别于上述移动存储器的磁介质和光介质，为半导体电介质。闪存类存储器具有体积小、可靠性高等优点。闪存芯片是非易失性存储器，即存储数据是不需要电压维持的，所消耗的能源主要是用在读写数据的。是一种“固态存储介质”，不存在磁头与盘片之间产生的碰撞，所以不怕磕碰。,2.2 CAD系统的硬件,输入设备,键盘,字符键用来输入数据和程序功能键用来输入一个命令或执行一个程序控制键用来对屏幕和程序进行特殊处理,2.2 CAD系统的硬件,机械式鼠标器底部装有一对轴线相互垂直的金属滚轮，当在桌面上移动鼠标器
10、时，滚轮的转动转化成x、y方向的数值被记录下来,并相应地移动屏幕上的光标 光学鼠标器底部有一光源，当鼠标在专用的鼠标板上移动时，采用光束调制及光学编码技术，测出鼠标移动量，随之驱动屏幕光标作相应移动,鼠标,2.2 CAD系统的硬件,三种主要类型定位设备操作方式是控制屏幕上的光标并确定它的位置定位设备除了定位功能外，还兼有拾取目标、选择对象、跟踪录入、及徒手画草图等具体的物理设备有图形输入板及其触笔、光笔、鼠标器、操纵杆(Joystick)及跟踪球数字化仪能将放在上面的图形用游标器指点摘取大量的点，进行数字化后存储起来图象输入设备如摄象机、录象机、扫描仪(Scanner)等，图形经图象数字化及图
11、象处理后输出,2.2 CAD系统的硬件,光笔(Light Pen),检测屏幕上图形的光强，从而使计算机就可知道光笔所指的位置。定位、拾取和跟踪,2.2 CAD系统的硬件,数字化仪(Digitizer)图形输入板(Digitizing Tablet),数字化仪台面大，常见尺寸为9001200及l200l300(mm)，分辨率和精度分别可达0.025和0.076(mm)；定位工具是带有十字叉丝的游标器。,图形输入板较小，尺寸为280280到900900(mm)，分辨率也低，一般为0.13mm。定位工具是细长的触笔,2.2 CAD系统的硬件,二者的工作原理相同 操作时触笔或游标叉丝对准某一点，并按下
12、按钮，这时靠某种藕合原理，如电磁耦合产生信号，经AD转换为(x,y)坐标，送给计算机,数字化仪(Digitizer)图形输入板(Digitizing Tablet),2.2 CAD系统的硬件,数字化仪时常用来摘取放在它上面的工程图上的大量点，经数字化后存储起来，以此作为图形输入的一种手段。图形输入板则更多地用于交互设计，使用时大多数划出一个台板图形区，其余部分放置菜单，称为菜单区。台板图形区与显示屏之间存在一种映射关系屏幕光标将随触笔或游标的移动而移动，如移出了台板图形区范围，屏幕光标将随之消失。,数字化仪(Digitizer)图形输入板(Digitizing Tablet),2.2 CAD系
13、统的硬件,图形扫描仪,将图像通过光电扫描生成点阵信息存储到计算机内。在CAD作业中，可以将图纸扫描到计算机内形成点阵文件，再经专门的矢量化识别程序自动生成矢量文件,从而交由大多数CAD绘图系统进行处理。这种技术大大缩短了已有图纸的输入时间，其缺点是矢量识别的正确率不是很理想，但仍是建立大型图库的有效方法。,2.2 CAD系统的硬件,其他图形输入设备,三维扫描仪,是用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。,2.2 CAD系统的硬件,三坐标测量仪,是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测
14、量能力的仪器。,其他图形输入设备,2.2 CAD系统的硬件,数据手套,设有弯曲传感器，把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式。,其他图形输入设备,2.2 CAD系统的硬件,位置传感器语音输入设备。,其他图形输入设备,2.2 CAD系统的硬件,输出设备,CAD系统设计的结果在大部分情况下仍然要画在纸上，以便在生产中使用及交流。这类输出设备统称为硬拷贝机，常见的有:打印机绘图机,2.2 CAD系统的硬件,打印机,打印机既能打
15、印字符型文件，又能打印图形，是最廉价的输出设备。可分撞击式与非撞击式两种。前者用得最多的是点阵打印机，打印头分别有9，24，32针等几种，由计算机控制每个针头的搏击，通过色带印在纸上。非撞击式打印机可采用喷墨技术、激光技术、静电复印技术等，这类打印机速度快，无噪声。,2.2 CAD系统的硬件,三维打印机,三维立体打印机，也称三维打印机（3D Printer，简称3DP）是快速成型（Rapid Prototyping,RP）的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，其运行过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的
16、塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。,2.2 CAD系统的硬件,2.2 CAD系统的硬件,2.2 CAD系统的硬件,自动绘图机,滚筒式平台式 平面电机型 其他新型绘图机，如静电绘图机、喷墨绘图机、缩微胶片绘图机等,2.2 CAD系统的硬件,滚筒式,x,y向驱动部分：图中1和5两台步进电机分别使滚筒旋转(产生x向运动)和笔架移动(产生y向运动)，使笔在纸上画出各种图形。Z向驱动部分。用电磁铁控制抬笔与落笔。送纸部分。使纸与滚筒一起移动。人工调整操作部分。调整绘图位置，使图形画在合适位置上。,2.2 CAD系统的硬件,平台式,滚筒式绘图机结构简单，占地面积小
17、，价格较低，所绘图纸可长达数十米，但速度低，精度较差，广泛用在机械与土建等行业中。平台式特点是台面大，可达26m，精度高，速度快，适用于造船、汽车、飞机及大规模集成电路的图形输出；缺点是结构复杂，占地面积大，价格贵。,2.2 CAD系统的硬件,自动绘图机的主要技术指标,绘图速度一般为l2-48mmin步距（分辨率）一般为步，步距越小，图形精度越高绘图精度静态精度。画笔单方向移动时实际移动距离与按脉冲计算的位移差重复精度。画笔从出发点移动一定距离后，再回到出发点，出发点与实际终点之间的偏差零位精度。画笔从零位移动到允许的最大距离后，再返回零位时，零位与实际终点间的偏差 功能有绘图幅面的大小(A0
18、、A1和A3等)画笔数量；其它辅助功能(如插补功能、曲线拟合功能等),2.2 CAD系统的硬件,图形显示设备,阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube)液晶显示等离子体显示其他显示器激光显示光二极管显示,2.2 CAD系统的硬件,CRT显示器工作原理,CRT的结构，由装在一个玻璃壳内的电子枪、偏转系统及荧光屏组成,2.2 CAD系统的硬件,分辨率,电子束产生的光点直径通常为0.25-0.5mm,若取屏幕的有效面积为3030cm2，则可在屏幕上构成了10241024个网格,也称为栅格，其单位约等于0.3mm。同样大小的屏幕，如光点直径小，则网格数就可增多，称分辨率高（分辨率是指两个光
19、点之间的最小距离，是指分辨能力大小的物理量）。分辨率越高图形线条越平滑，图形越清晰。目前微机显示器的光点有约0.26及0.32mm等，分辨率可达1024768。,2.2 CAD系统的硬件,显示器性能的指标,分辨率：沿水平和垂直方向单位长度上所能识别的最大光点（象素）数。对于相同尺寸的屏幕，点数越多，距离越小，分辨率越高，显示的图形越精细。显示速度：同显示器在输出图形时采用的分辨率以及计算机本身处理图形的速度有关，从人机工程学的角度来看，通常应满足人眼观察图形时不出现闪烁为基本要求，图形屏幕的刷新速度应该不低于30帧/秒。,2.2 CAD系统的硬件,象素的灰度和颜色,光栅化后的象素值存放在帧缓存
20、中，每个单元地址与屏幕上的象素地址是一一对应的，但单元的位数可不同。当只存一位时，则代表该象素亮或不亮，图形只有黑白效果；如有8位，则每个象素值的变化有256种，就可用来表示不同灰度或颜色，图形就有灰度和彩色；常用的是4位或8位,16位，24位,32位，可以表示十分丰富的色彩等级。,2.2 CAD系统的硬件,在机械CADCAM系统中，生产系统设备主要包括加工设备（如各类数控机床、加工中心等）、物流搬运设备（如有轨小车、无轨小车、机器人等）、仓储设备（加立体仓库、刀库等）、辅助设备（如对刀仪等）等。这些设备与CAD/CAM系统中计算机的连接通常采用RS232通讯接口、DNC接口或某些专用接口，主
21、要用于计算机与设备间的通讯，如获取和接收设备的状态信息和其它数据信息，向设备发送命令和控制程序（加数控加工程序、机器人控制程序）等。,生产设备,2.2 CAD系统的硬件,1服务器 2工作站3电缆4网卡5集线器HUB6中继器7网桥 8路由器 9网关,网络设备,2.2 CAD系统的硬件,CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个发展阶段：集中式系统：一台主机控制多台终端（早期模式，80年代中期，微机没普及）；分离式系统：一台主机一套系统，毫无关系，工作站与微机的发展；分布式系统：网络时代的产物，C/S或B/S结构，支持异地、异构（采用工作站和微机网络系统）,2.3 CAD系统的软件,C
22、AD软件系统的发展,系统软件支撑软件应用软件,2.3 CAD系统的软件,组成,2.3 CAD系统的软件,CAD组成层次架构,2.3 CAD系统的软件,概念提供CAD运行环境的通用软件或工具软件分类操作系统 Windows、Unix、Linux、Dos、Os等数据库管理系统（DBMS）SQL server、ORACLE、SYBASE、ACCESS网络服务软件 服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等基础算法、界面支撑类库 VC，VB的基础算法、图形界面类库,2.3 CAD系统的软件,系统软件,概念在系统软件的基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用软件或工具软件分类计算机分析软件常用数学方
23、法库及其可视化有限元分析优化设计集成化CAD/CAM/CAE软件 AutoCAD、SolidWorks、UG、ProE、CATIA数据库管理系统（DBMS）图形核心系统（GKS,Parasolid,ACIS）数据交换接口,2.3 CAD系统的软件,支撑软件,在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门领域的需要而研制的软件，通常由用户结合当前设计工作自行开发，也称为“二次开发”。与支撑软件比较：应用软件主要是为某一特定产品开发出来的软件，而支撑软件是一些通用性的软件；应用软件通常利用已有的支撑软件的技术及二次开发功能，而不是从头开始；支撑软件一般市场上买的到，而应用软件需要用户开发应用软件逐步商
24、品化成通用软件后，也可以称为支撑软件。,2.3 CAD系统的软件,应用软件,主要商用CAD、CAE系统,2.3 CAD系统的软件,Solidwork最早基于Windows原创的三维设计软件产品；友好的界面，易学易用、价格便宜、性价比高；完全自动捕捉设计意图和引导设计修改；装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件，支持“自顶而下”方法或“自底而上”的方法进行装配设计；全面的零件实体建模功能，二维和三维全关联；标注和细节绘制工具，能快捷地工程图纸；具有全相关的钣金设计能力；提供完整的、免费的开发工具(API)，用户可以用微软的VB、VC或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案丰富的数据转换
25、接口。,2.3 CAD系统的软件,常用CAD软件简介,Pro/E美国参数技术（PTC）公司，提出单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。建立在统一基层上的数据库上，工程中的资料全部来自一个库，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。,2.3 CAD系统的软件,CATIA 法国
26、达索（Dassault System）公司，CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉，为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境，在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。,2.3 CAD系统的软件,UGUG是Unigraphics Solutions公司的主要产品；首次突破传统CAD/CAM模式，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合，被大多数CAD/CAM软件厂商所采用
27、；UG起源于美国麦道飞机公司，它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件；90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD、CAE、CAM、IMAN作为CIM主导系统，进一步推动了UG发展；97年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上；为了实现强强联手的发展战略,2001年EDS并购了SDRC,预计2004年SDRC的IDEAS和EDS的UG推出第一个合并版本NX1.0。2003年11月,UGS从EDS中分离出来独立发展；UG形成了一个从低
28、端到高端，兼有Unix工作站版和Windows NT微机版的较完善的企业级CAD、CAE、CAM、PDM集成系统。,2.3 CAD系统的软件,AUTOCAD 美国AutoDesk公司，最流行的二维绘图软件，有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供VBA、AutoLISP作为二次开发的工具。,2.3 CAD系统的软件,向高级语言提供相应的接口程序(函数库)，以实现图形向设备的输出。依赖于所用的操作系统的图形接口Borland C+的DOS版提供BGI接口Windows的GUI提供与设备无关的绘图函数UNIX操作系统由具有
29、统一接口的Xlib库统一不同硬件环境和操作系统平台下的接口GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OpenGLParasolidACIS,2.4 图形核心与数据交换标准,图形核心系统,为了满足不同CAx应用系统之间对工程产品数据模型的交换、共享需要，制订了图形(产品)信息交换标准。,DXF:Data Exchange FormatIGES:Initial Graphics Exchange SpecificationSTEP:Standard for the Exchange of Product model Data,2.4 图形核心与数据交换标准,数据交换标准,在不同的CAD/CAM系统之
30、间进行交换数据过去常采用的方法是把一个系统产生的数据文件翻译成另一个CAD/CAM系统能识别的数据文件,多个CAD系统就需要多个翻译器。基本图形转换规范IGES如数据要从系统A传递到系统B，必须由系统A中的IGES前处理器把这些传送的数据格式转换为IGES格式，再由系统B中的IGES后处理器把其从IGES格式转换为该系统内部的数据格式，反之亦然。IGES 1982年成为ANSI标准，目前虽然不是ISO标准，实际上已是工业标准。,IGES特点,2.4 图形核心与数据交换标准,IGES特点,数据格式相对简单；不能精确地完整转换数据，其原因是在不同的CAD/CAM系统之间许多概念不一样，使得某些定义
31、数据或信息会丢失；在转换数据的过程中可能会产生错误，且很难确定，常要人工去处理IGES文件；产生的数据量太大。,2.4 图形核心与数据交换标准,STEP,国际标准化组织ISO制定产品数据模型转换标准STEP 克服IGES存在的问题，扩大转换CAD/CAM系统中几何、拓扑数据的范围。产品数据模型覆盖产品整个生命周期，全面定义了产品所以得数据单元，包括设计、分析、制造、测试、检验零部件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据。针对不同的领域制定了相应的应用协议，覆盖的领域包括二维工程图、一般机械设计和工艺、造船、建筑、汽车制造。,2.4 图形核心与数据交换标准,明确系统的需求 设计哪类
32、产品，解决问题的深度要达到的具体目标，存在的关键技术 确定近期目标与长远目标 近期目标 根据人力、资金、现有技术水平长远目标 考虑到将来的发展确定系统的集成水平 数据库、网络、数据交换、各种接口等,CAD系统的设计原则,2.5 CAD系统设计与选型原则,（1）系统功能（2）系统的开放性与可移植性（3）系统升级扩展能力（4）系统的可靠性、可维护性与服务质量,（1）软件性能价格比（2）与硬件匹配（3）二次开发环境（4）开放性（5）软件商的综合能力,软件,硬件,2.5 CAD系统设计与选型原则,小结,重点介绍CAD系统的软、硬件组成及CAD系统体系结构简单介绍目前市场主流CAD系统及特点,思考题,了解CAD系统的软硬件组成了解CAD系统体系结构了解目前市场主流CAD系统特点了解CAD选型原则,
