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CAD/CAM讲义第二章 计算机辅助设计系统,2023/7/29,CAD/CAM讲义,2,第二章 计算机辅助设计系统,1目的及要求：了解CAD系统构成与分类、硬件组成、软件组成，并能够设计与选择CAD系统。2重点：CAD系统硬、软件组成。3难点：正确选择CAD系统。CAD系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是计算机辅助设计技术的物质基础；软件系统是计算机辅助设计技术的核心，它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组合形成了CAD系统。因此，要了解和掌握CAD技术，甚至开发CAD系统，必须具备一定的软硬件知识。本章将讨论CAD系统的构成与分类、系统的硬件与软件组成。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,3,第二章 计算机辅助设计系统,.系统的基本功能.CAD系统的构成与分类.CAD系统的硬件.CAD系统的软件.CAD系统的设计与选择,2023/7/29,CAD/CAM讲义,4,.系统的基本功能,CAD系统的功能，是由硬件和软件的合理组织及功能的匹配来体现的。一、系统中硬件应具有的功能1)计算功能：要求CAD系统中计算机有较强的计算能力,来实现要求的高速数值计算和图形处理能力。,返回第二章目录,2023/7/29,CAD/CAM讲义,5,系统中硬件应具有的功能(续),2)存储功能：CAD系统要有较大存储量,以满足图形信息存储和有限元分析信息的存储空间要求。3)输入输出功能：要强。4)交互功能：通过人机对话(交互)作用进行各种操作，以实现修改、定值及拾取等活动，来达到理想的设计要求。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,6,二、CAD系统中软件应具有的基本功能,1)几何造型功能：线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型等。2)有限元分析功能：如机械零件的强度、振动计算；热传导和热变形的分析计算；流体动力学分析计算等。3)优化设计功能：产品设计实际上是一个寻优的过程。4)工程绘图功能,2023/7/29,CAD/CAM讲义,7,CAD系统中软件应具有的基本功能（续）,5)数据管理功能：工程数据库6)处理数控加工信息的功能：CAD/CAM集成,由APT编程到交互图象编程技术,2023/7/29,CAD/CAM讲义,8,.CAD系统的构成与配置形式,1、系统基本构成计算机主机：和内存储器；外存储器：硬盘类、软盘类、光盘类和磁带类存储器；图形输入设备：键盘、鼠标、数字化仪、图形输入板、图形扫描仪等；图形输出设备：图形显示器、绘图机和打印机等；网络设备：网卡、传输介质、调制解调器等。,返回第二章目录,2023/7/29,CAD/CAM讲义,9,2023/7/29,CAD/CAM讲义,10,2、计算机类型,根据主机性能，计算机可分为大中型机、小型机、工程工作站和微机四种类型。,1)大中型计算机：优点：功能强，计算处理能力强，支持多用户同时工作，能进行大信息量的作业，如大型分析计算、复杂模拟和大型数据库的集中管理等。缺点：当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢，而且一旦主机出故障，整个系统就不能工作；此外价格昂贵。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,11,20世纪80年代占据了主要CAD市场，如前DEC公司的VAX-11/780和785机，CV公司的CDS-400等。80年代后期逐渐被工程工作站所代替。其投资规模适中，能满足一般工程和产品设计的需要，在大中型企业的设计部门使用较多。使用流行的操作系统，使用性能取决于软件水平，系统具有专用性。缺点：系统比较封闭，即开放性较差。,2)小型计算机：,2023/7/29,CAD/CAM讲义,12,3)工程工作站：,它不完全指计算机本身，是指具有较强科学计算、图形处理、网络通信功能的交互式计算机系统。工作站本身具有强大的分布式计算能力，能够支持复杂的CAD作业，能支持多任务进程。工程工作站标准：32位机，具有UNIX操作系统，并采用以太网。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,13,4)微机：,随着硬件的发展，微机在速度、精度、内外存容量等方面已满足CAD应用的要求，且价格便宜；其次微机上的各种应用软件已基本满足了用户的要求；再有现代网络技术能将许多微机及公共外设连接在一起，做到了网内资源共享。因此微型机系统在中小型企业中得到广泛应用。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,14,3、CAD系统的配置形式,CAD系统的配置形式有以下几类：主机终端形式分布式台式计算机形式客户/服务器形式浏览器/服务器形式,2023/7/29,CAD/CAM讲义,15,这种系统一般以大型机或小型机为主机，集中配备某些公用的外部设备，如绘图机、打印机和磁带机等。同时接出许多用户工作站及字符终端，如图2-2所示：,1）20世纪70年代的主机终端形式,2023/7/29,CAD/CAM讲义,16,优缺点：,该系统的优点：主机功能强，能进行大信息量的作业，如大型分析计算、复杂模拟和管理等。该系统的缺点：当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢，而且一旦主机出故障，整个系统就不能工作，此外价格昂贵。这种系统在70年代较为流行，目前一般不再采用。,返回,2023/7/29,CAD/CAM讲义,17,2）80年代的分布式台式计算机形式,图2-3为一个台式计算机形式，一般每台计算机只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。随着硬件的发展，工作站和微机在速度、精度、内外存容量等方面已满足CAD应用,2023/7/29,CAD/CAM讲义,18,的要求，且价格便宜；其次工作站和微机上的各种应用软件已基本满足了用户的要求；再有现代网络技术能将许多工作站和微机及公共外设连接在一起，做到了网内资源共享。因此微型机系统在中小型企业中得到广泛应用。环型网（见图2-4b）和总线型网（见图2-4c）,返回,2023/7/29,CAD/CAM讲义,19,3）20世纪90年代的客户/服务器形式,客户机可以选用工作站或各种高档微机，服务器可以选用高档微机、工作站、小型机或大型机。网络采用局域网，网络协议一般采用TCP/IP。网络拓扑结构最常用的是总线网或环形网形式，前者常选用以太网（Ethernet）技术，后者常选用令牌网（Token Ring）技术。,返回,2023/7/29,CAD/CAM讲义,20,4)20世纪90年代后期的浏览器/服务器形式,随着WEB技术的日益成熟，Browse/Server(简称B/S)结构已成为取代Client/Server(简称C/S)结构的一种全新技术。系统以Web为中心，采用TCP/IP、HTTP为传输协议，客户端通过浏览器访问Web服务器以及与Web服务器相连的后台数据库。这种模式突破了传统的客户/服务器(/)两层模式，它是一种由客户端（浏览器）、Web服务器、数据服务器三层分布结构组成的Web应用系统。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,21,图1 基于Web的CAD应用系统,ODBC/OLEDB,2023/7/29,CAD/CAM讲义,22,采用该结构软件的优势在于：,(1)无须开发客户端软件，维护和升级方便；(2)可跨平台操作，任何一台机器只要装有WWW浏览器软件，均可作为客户机来访问系统；(3)具有良好的开放性和可扩充性；(4)可采用防火墙技术来保证系统的安全性。,返回,2023/7/29,CAD/CAM讲义,23,4、网络结构,CAD系统的网络通常采用局域网（LAN：Local Area Network），网上设备通过传输媒介（管线）相互传送信息。常见局域网形式有三种：）星型网（见图2-4a）环型网（见图2-4b）总线型网（见图2-4c）,2023/7/29,CAD/CAM讲义,24,）星型网,星型：优点：服务方便，实时通信，诊断易，故障隔离易，可靠性好；缺点：电缆长，费用高，对中央节点依赖性高。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,25,）环型网,环型：优点：电缆短，适于光纤传输；缺点：可靠性低，故障诊断难，扩充能力差，拓朴结构影响访问协议；,2023/7/29,CAD/CAM讲义,26,3）总线型网：,总线型：优点：电缆短，布线易，费用低，可靠性高，扩充易，安装易；缺点：故障诊断难，故障隔离难，容错功能差；,2023/7/29,CAD/CAM讲义,27,传输速度所支持的操作系统网络协议（如）协议）,网络性能取决于：,2023/7/29,CAD/CAM讲义,28,.CAD系统的硬件,一、主机及外围设备主机：由中央处理机CPU和主存储器（内存）两部分组成。CPU（Central Processing Unit）：包括控制器和运算器。主存储器(Memory)：包括随机读写存储器RAM和只读存储器ROM。RAM用于存放各种输入输出数据及中间结果，与外存交换信息。ROM用于存放存放固定程序，如管理、监控、汇编、诊断程序等。,返回第二章目录,2023/7/29,CAD/CAM讲义,29,1）时钟频率（或称主频）MHZ2）存取周期（微秒）：表示向主存储器中读写数据的时间。3）MIPS（10指令/S）：表示每秒处理指令的平均数，即定点运算加、减、乘、除运算次数的平均值。,表示主机性能的重要指标是速度，其表示法有：,2023/7/29,CAD/CAM讲义,30,2、外存储器：,用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。使用信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器特点是容量大，但存取速度慢。磁带机：分1/2与1/4英寸带宽，只能顺序存取。磁盘：硬盘和软盘光盘:海量存储.,2023/7/29,CAD/CAM讲义,31,二、图形输入设备1、定位设备:图形输入板及其触笔、光笔、鼠标、操纵杆及跟踪球等。2、数字化仪：3、图象输入设备：摄象机、录象机、扫描仪等,3、输入输出设备：终端（键盘、显示器）、打印机等,2023/7/29,CAD/CAM讲义,32,1.鼠标(mouse),鼠标器是计算机辅助设计系统中最常见的图形输入设备，移动鼠标器可以驱动光标在图形显示器的屏幕上运动，用于拾取坐标点或选择菜单命令等。鼠标器结构简单，价格便宜，定位方便，目前已成为计算机系统的必选外设。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,33,2.数字化仪,数字化仪由一块平面输入平板和可以在平板上移动的游标定位器组成，游标也可以由感应触笔代替，游标定位器上的十字准线相当于电笔的笔尖。数字化仪按其工作原理可分成电磁场感应式、静电耦合式、超生式等类型。目前常用的是电磁场感应式数字化仪。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,34,3.扫描仪,扫描仪是直接把图形(如工程图纸)或图像(如照片、广告画)扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又可分为电荷耦合器件扫描仪、MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式可分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动扫描仪。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,35,扫描仪的主要技术指标有：,扫描仪的幅面：通常A4。扫描仪的分辨率：指在原稿上的单位长度(英寸)上取样的点数，单位是点/英寸，常用的分辨率在300点/英寸到1000点/英寸之间。扫描的分辨率越高，所需的存储空间就越大。扫描图形灰度等级：指扫描仪支持的颜色、灰度，层次越多，图像的数字化表示就越准确，但同时意味着存储空间的增加。扫描速度：指最大幅面最大分辨率时每分钟扫描的页数。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,36,扫描仪综合了光学机械电子技术，并通过与向量转换软件相结合，提供了一系列光栅格式与向量格式的转换功能，以便存储和修改。目前有各种各样的扫描输入系统，根据对扫描图形性质的不同要求，可以分为两类，一类输出光栅图像；另一类输出矢量化图形。对于后一类扫描系统必须经过矢量软件转换。图2-5所示为这类系统的工作流程图。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,37,系统工作时，首先用扫描仪扫描图纸，得到一个光栅文件，接着进行矢量化处理，变成一种格式紧凑的二进制矢量文件，即MIB格式文件，然后再针对某种CAD系统，进行矢量文件的格式转换，变成CAD系统可接受的文件格式，最后输出矢量图。显然采用这种系统可以快速地将大量图纸输入计算机，节省了大量人力与时间。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,38,三、图形输出设备,图形显示设备只能在屏幕上显示图形，但CAD系统最终还必须将设计好的图形输出到图纸上，产生工程图纸。这类输出设备统称为硬拷贝机，常用的图纸输出设备有打印机和绘图机两种。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,39,1.打印机,打印机是廉价的产生图纸的硬拷贝设备，从机械动作上可分为撞击式和非撞击式两种。撞击式打印机使字符或图形通过色带印在纸上，如点阵式打印机、打印头分别有9，24，32针等几种，由计算机控制每个针头的的撞击，通过色带印在纸上。非撞击式打印机可采用喷墨打印机、激光打印机等，这类打印机速度快、无噪声。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,40,针式打印机,针式打印机是由微型计算机、精密机械和电气构成的机电一体化智能设备，价格较低，日常消耗成本少，在使用油印机的场合，还可以打印蜡纸。因此，它是经济适用的计算机配套打印设备，至今仍在大量使用。但由于其结构原因，打印图形质量较差，因此目前主要用于文本打印，很少用于图形输出。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,41,激光打印机,激光打印机是激光扫描技术和电子照像技术相结合的非击打式打印输出。激光打印机是目前最先进的打印机，它具有打印速度快、质量高、无噪声等优点。典型的激光打印机提供6页/min打印速度(每分钟打印页数)和600点/英寸分辨率(每英寸上的点数)。因此，激光打印机是最理想的输出设备。但由于价格比较贵，目前仍影响激光打印机的普及。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,42,喷墨打印机,喷墨打印机是开发得较晚的一种打印机，由于其喷墨机构较复杂和成本较高，发展缓慢。但是在最近几年，由于喷墨技术的关键性突破，使得喷墨打印机性能价格比大大提高。在功能、品质、速度、效果等方面远远优于针式打印机，而价格却低于激光器打印机。因此，得到了大面积的普及，特别在小幅面图形输出中得到了很好的应用。普通喷墨打印机的分辨率为360720点/英寸。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,43,2.笔式绘图机,笔式绘图机是一种高速、高精度的图形输出装置，按其工作方式可分为平板式和滚动式两种。平板式绘图机平板式绘图机由绘图平台、导轨、驱动机构、笔架等组成。平台板面从200mm3000mm到1800mm5500mm，甚至长达十几米不等。从驱动方式来看，平板式绘图机通常分为两种，一种是步进马达驱动、机械传动的绘图机，一种是平面电机驱动的绘图机。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,44,平面绘图机的特点:,绘图纸平铺在绘图平台上，精度高、速度快。由于绘图纸完全平铺在平台上，因此全球设计人员监视绘图过程，而且易于将绘图笔必为刻图刀架进行刻图。但结构复杂，占地面积大，价格比较贵。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,45,滚筒式绘图机,滚筒式绘图机由笔架、卷筒、走纸机构、驱动机构等几部分组成，是用两只步进电机分别带动绘图纸和绘图笔运动从而产生图形轨迹。这种绘图机具有结构简单、价格便宜、占用空间少；图纸长度不受限制等特点。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,46,3.喷墨绘图机,随着喷墨技术在绘图机上的应用，原来的笔式绘图机由于各方面的原因，如结构复杂、使用不方便、消耗品成本高、维护麻烦等等，已经开始退出绘图机市场。目前的绘图机与打印机已不再象原先的笔式绘图机与喷墨绘图机那样有比较大的区别，已经是同一个概念，喷墨绘图机实质上就是一台大幅面的喷墨打印机。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,47,喷墨绘图机的外形与笔式滚动绘图机相差不大，幅面为A0和A1两种，普通喷墨绘图机的分辨率一般为600点/英寸。机械结构包含六部分：喷头和墨盒、清洁单元、小车单元、送纸单元、传感器单元及辅助单元。目前喷墨绘图机和激光打印机已经全面替代笔式绘图机，成为主要的绘图输出设备。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,48,四、图形显示设备,显示器是CAD系统中必备的图形输入输出设备，大多采用阴极射线管。阴极射线管显示器根据工作原理可分为三类：随机扫描刷新式显示器、存储管式显示器及光栅扫描式显示器。目前PC机及其它计算机上使用最普遍的显示器是光栅扫描式显示器。此外还有液晶显示器和等离子显示器，它们体积小，功耗少，主要用于笔记本电脑。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,49,1.光栅扫描显示器,光栅扫描显示器的系统组成如图2-19所示。其中内存显示文件代表图形的矢量信息，经矢量度光栅 转换器转换成数字化的光栅点阵信息，存入帧缓冲存储器，再经显示控制器，图形就在阴极射线管(CRT)的屏幕上显示出来。矢量到光栅的转换要用软件(或固化后的硬件)实现。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,50,图形显示设备（续）,显示器的分辨率：指两个光点之间的最小距离，是指分辨能力大小的物理量。用mn表示，m表示水平方向象素个数，n表示垂直方向象素个数。如640X480,1024X768,1024X1024mm。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,51,2.液晶显示器,笔记本电脑的显示器是液晶显示器。液晶显示器是一种非发光性的显示器件，它不像CRT那样靠器件本身发光来实现，而是依靠对环境光反射或是对外加光源控制加以控制来实现的。液晶显示器有许多优点，尺寸小、重量轻、省电、方便，由于平板技术线性好，象素可以直接定址，没有电子偏转和畸变的问题。液晶显示器有真、伪彩色之分，真彩无论从哪一个角度看，均能看见色彩，伪彩从一定角度看可以看到色彩，但其它角度就看不屏幕的颜色。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,52,.CAD系统的软件,CAD系统的软件层次如图所示：,返回第二章目录,2023/7/29,CAD/CAM讲义,53,一、系统软件：,操作系统：具有五方面的管理功能，即内存分配管理、文件管理、外部设备管理、作业管理及中断管理。目前最常见的是多用户、多任务操作系统UNIX，WINDOWS系列，已成为事实上的工业标准，从工作站到微机均有使用。计算机语言：汇编、BASIC、FORTRAN、PASCAL、VB、BC+、VC+、Autolisp、Visual Lisp、VBAPASCAL-Delphi语言Powerbuilder：客户/服务器编程语言,2023/7/29,CAD/CAM讲义,54,窗口系统（第二操作系统）,窗口系统是由窗口、菜单、按钮等图形对象组成的一个图形用户界面，用户的操作就是对这些图形对象的操作。有以下特点：采用位图形成图标、窗口、菜单、按钮等界面组成部分。用鼠标移动光标，直接指点图形对象完成各种操作。用户可根据个人喜爱对界面进行裁剪和定制。出错保护与强有力的学习指示功能(Help功能)。提供强有力开发工具，使用户的应用纳入它的环境中。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,55,网络通信与管理软件：,现在CAD系统都是联网系统，为了使网络中信息交换能正常有效地进行，一般都分层次规定了双方通信的约定，称为协议。国际标准的网络协议方案为“开放系统网络标准模式”OSI，分七层：应用层、表达层、会话层、传递层、网络层、链路层和物理层。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,56,数据库及其管理软件：,DBMS和DB。Dbase、FoxBASE、FoxPro、VFP6.0、ORACLE、Sybase、Access等。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,57,二、机械支撑软件：,支撑软件从功能上分三类：解决几何图形设计问题；解决工程分析与计算问题；解决文档写作与生成问题。基本图形资源软件：各种图形标准和规范，如CGI、GKS、PHIGS等。二三维绘图软件：如AutoCAD、CADkey、PD(Personal Design)及众多国产软件（高华CAD、CAXA系列软件等）文档制作软件,2023/7/29,CAD/CAM讲义,58,几何造型软件：如AutoCAD、I-DEAS中的Part Design。工程分析及计算软件：如计算方法库、优化方法库、有限元分析软件（SAP/5、SAP/6、SAP/7、ANSYS、NASTRAN等）、机构分析及机构综合软件、机械系统动态分析软件、注塑模具分析软件等。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,59,三、商品化CAD/CAM支撑软件系统,I-DEAS:由美国SDRC公司推出的CAD/CAM集成软件，在中国由IMAGE公司代理该软件。Pro-Engineer：由美国PTC公司推出的CAD/CAM集成软件。其特点是：参数化特征造型、统一的数据库、设计修改关联性。UGSolid work,2023/7/29,CAD/CAM讲义,60,.CAD系统的设计与选择,1、CAD系统设计应考虑的问题 明确系统需求；确定近远期目标；确定系统的集成水平。、选择CAD系统的准则）硬件系统要有良好的开放性且符合工业标准。）软件系统要求：用标准操作系统；良好的用户界面；齐全的技术文档。）优良的几何造型及绘图功能,返回第二章目录,2023/7/29,CAD/CAM讲义,61,选择CAD系统的准则（续）,）功能丰富（二次开发能力；支持各种计算、有限元分析、机构分析等，数控自动编程、刀具轨迹仿真、CAPP、机器人仿真等工作）。）整个软硬件系统运行可靠、维护简单、性能价格比优良。）良好售后服务、软件商的发展能力。,2023/7/29,CAD/CAM讲义,62,3、注意的几个问题,要遵循软件先行，人才培训并举，硬件实施到位原则；不要期望短期就将投资回收；要适应市场变化进行选择；一定要有长期及综合使用的打算。本章思考题：CAD系统的网络通常采用局域网，常见局域网形式有哪几种？,