機電系統(tǒng)CAD1緒論.doc

1 緒論 機電系統(tǒng)就是機電一體化系統(tǒng)，機電一體化系統(tǒng)是光、機、電、液、控制技術(shù)和軟件技術(shù)集成起來而形成的復(fù)雜系統(tǒng)。 機電一體化（mechatronics）一詞是機械（mechanics）和電子（electronics）兩個詞的合成詞，20世紀70年代中期由日本首先開始使用，現(xiàn)在已得到歐美各國的普遍認同，并得到廣泛使用。近年來，隨處可見許多以前僅有機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動的裝置，通過與電子、軟件技術(shù)相結(jié)合而得到顯著改進和提高的實例。按照上述機電一體化的定義，機械工程學科和電子工程學科是機電系統(tǒng)的兩個支柱。但除此之外，機電一體化還是控制工程和信息工程學科等的多學科綜合技術(shù)。圖1-0 所示的是構(gòu)成和支撐機電一體化的學科和技術(shù)。l 計算機工程學l 信息處理l 通訊工程學l 測試技術(shù)l 傳感技術(shù)l 系統(tǒng)工程學l 生產(chǎn)工程學控制、信息工程學機械工程學電子工程學機電一體化l 機械力學l 機構(gòu)學l 材料力學l 液壓與氣壓l 精密加工l 機械零件與機械設(shè)計l 電子電路l 電器工程學l 微電子學l 光學l 機器人工程學圖1-0考察近年來機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的原因，可以歸納為如下的幾個方面：1） 半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展和價格越來越低；2） 計算機及其編程語言和應(yīng)用技術(shù)的進步；3） 控制技術(shù)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展；4） 小型化、功能強的傳感器和執(zhí)行裝置的進步等。由于上述各個方面今后還將不斷發(fā)展，所以可以預(yù)見機電一體化將還會有更加廣闊的發(fā)展前景。但機電系統(tǒng)組成的復(fù)雜性和技術(shù)復(fù)雜性給其設(shè)計帶來了新的問題，單一學科的人員難以完成，一般是多學科小組形式的開發(fā)團隊形式。計算機輔助設(shè)計（Computer aided design - CAD）成為機電系統(tǒng)開發(fā)的必備工具。本書主要分析計算機輔助機電系統(tǒng)設(shè)計中存在的諸多問題和關(guān)鍵技術(shù)，為機電系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)支持。本章簡要介紹CAD技術(shù)的發(fā)展、特點和應(yīng)用，并對其常用的計算機及外圍設(shè)備、圖形設(shè)備、CAD軟件和集成系統(tǒng)的組成及其特點進行討論。通過本章的學習，可使讀者了解國內(nèi)外常見的CAD系統(tǒng)的功能特征，并能正確地選擇CAD系統(tǒng)應(yīng)用于工程和產(chǎn)品設(shè)計。11 CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用111 發(fā)展過程計算機輔助設(shè)計主要研究用計算機、外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備和相應(yīng)的軟件幫助人們進行工程和產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)，它是隨著計算機、外圍設(shè)備、圖形設(shè)備及其軟件的發(fā)展而發(fā)展的。1準備和醞釀時期（20世紀5060年代初）1950年美國麻省理工學院（MIT）研制出類似于示波器的圖形設(shè)備“旋風I號”（Whirlwind I ），用它可以顯示簡單圖形。1958年，美國Calcomp公司研制出滾筒式繪圖儀；Gerber公司研制出平板繪圖儀。整個 50年代，人們大多采用電子管計算機，用機器語言編程。計算機主要用于科學計算，為之配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能，CAD技術(shù)處于被動式的圖形處理階段。2蓬勃發(fā)展和進入應(yīng)用時用（20世紀 60年代） 1962年美國 MIT林肯實驗室的 I. E. Sutherland發(fā)表了“Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次提出了計算機圖形學、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想，從而為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。60年代中期出現(xiàn)了許多商品化的CAD設(shè)備，如1964年美國IBM公司推出了商品化的計算機繪圖設(shè)備，美國通用汽車公司的多路分時圖形控制臺，可實現(xiàn)各階段的汽車設(shè)計。60年代末，美國安裝的CAD工作站已達200多臺，可供幾百人使用。3廣泛使用的時期（20世紀70年代） 1970年美國Applicon公司第一個推出完整的CAD系統(tǒng)。在此時期出現(xiàn)了廉價的固體電路隨機存儲器、產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器、光筆、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設(shè)備，出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的 CAD/CAM商品化系統(tǒng)。70年代末，美國CAD工作站安裝數(shù)量超過12000臺，使用者超過25000人。4突飛猛進的時期（20世紀80年代） 在這個時期，圖形系統(tǒng)和CAD/CAM工作站的銷售量與日俱增。 1981年美國實際安裝CAD系統(tǒng)5000套，1983年超過12000套，1988年發(fā)展到63000套。CAD/CAM技術(shù)從大中企業(yè)向小企業(yè)擴展，從發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴展，從用于產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展到用于工程設(shè)計和工藝設(shè)計。5開放式、標準化、集成化和智能化的發(fā)展時期（20世紀90年代） CAD技術(shù)和系統(tǒng)的開放性取決于其所用計算機和系統(tǒng)軟件的開放性。由于微機加Windows 95/98/NT操作系統(tǒng)與工作站加Unix操作系統(tǒng)在以太網(wǎng)的環(huán)境下構(gòu)成了CAD系統(tǒng)的主流工作平臺，因此，現(xiàn)在的CAD技術(shù)和系統(tǒng)都具有良好的開放性。 圖形接口、圖形功能日趨標準化。從1977年由SIGGRAPH圖形特別興趣小組GSPC推出CORE圖形標準以來，又出現(xiàn)了計算機圖形接口 CGI（computer graphics interface），計算機圖形文件標準 CGM（computer graphics metafile），計算機圖形核心系統(tǒng) GKS（graphics kernel system），面向程序員的層次交互式圖形標準PHIGS （Programmers hierarchical interactive graphics standard），基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范 IGES（initial graphics exchange specification）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范STEP（standard for the exchange of product model data）等。這里的標準有些是面向圖形設(shè)備的驅(qū)動程序包，有些是面向用戶的圖形用戶接口程序包，有些是面向不同CAD系統(tǒng)的文檔規(guī)范。這些由國際標準化組織（ISO）制定的標準為CAD技術(shù)和系統(tǒng)的推廣、移植和信息資源共事起到了重要的作用。 CAD技術(shù)的集成化主要體現(xiàn)在四個方面： （1） 系統(tǒng)構(gòu)造由過去單一功能變成集成功能，軟構(gòu)件和軟總線技術(shù)普遍采用，出現(xiàn)了由計算機輔助設(shè)計（CAD）/計算機輔助制造（CAM）/計算機輔助工程（CAE）/計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）/產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等功能模塊構(gòu)成的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。 （2） CAD技術(shù)中的有關(guān)軟件（合國際標準）和算法不斷固化，即用集成電路及其功能塊來實現(xiàn)有關(guān)軟件和算法的功能。 （3） 多處理機、并行處理技術(shù)用于CAD中，使工作速度成數(shù)量級地提高。 （4） 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAD中被普遍采用，使近程和遠程的資源都能即時共享，實現(xiàn)了異地、協(xié)同、虛擬設(shè)計和制造。在CAD系統(tǒng)中綜合應(yīng)用正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術(shù)和人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)大大提高了自動化設(shè)計的程度，出現(xiàn)了智能CAD的新學科。智能CAD把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體，形成如圖111所示的結(jié)構(gòu)。集成化、智能化CAD技術(shù)與系統(tǒng)是真正實現(xiàn)設(shè)計自動化的關(guān)鍵。專家系統(tǒng)（知識庫）工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)各種應(yīng)用子系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用戶圖1.1.1 智能CAD系統(tǒng)l12 應(yīng) 用我國科學技術(shù)部在CAD應(yīng)用工程2000年規(guī)劃級要中指出：“到2000年，在國民經(jīng)濟主要部門的科研、設(shè)計單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實現(xiàn)甩掉圖板（指傳統(tǒng)設(shè)計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國 CAD市場，扶持發(fā)展以 CAD為突破口的我國自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國的CAD產(chǎn)業(yè)”。重點在機械制造業(yè)的大中型骨干企業(yè)和科研單位中普及應(yīng)用CAD技術(shù)；同時，在全國各類企事業(yè)單位中大規(guī)模應(yīng)用CAD技術(shù)。到 2000年，機械制造業(yè)應(yīng)用 CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達 70%以上，CAD應(yīng)用水平達到國外工業(yè)發(fā)達國家80年代末、90年代初的水平。工程設(shè)計行業(yè)CAD普及率和覆蓋率均達到100%，實現(xiàn)勘察設(shè)計手段從傳統(tǒng)的手工方式向現(xiàn)代化方式轉(zhuǎn)變，CAD應(yīng)用水平達到國際90年代中期先進水平。廣義CAD的應(yīng)用一般從繪制二維工程圖開始，逐步深入到圖紙文檔電子化管理、三維造型、裝滿渲染、有限元分析與優(yōu)化設(shè)計、工藝設(shè)計、數(shù)控加工、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、制造資源管理、企業(yè)資源管理、異地協(xié)同虛擬設(shè)計制造等內(nèi)容。CAD技術(shù)的應(yīng)用歸納起來主要有以下幾個方面。1工程和產(chǎn)品設(shè)計工程和產(chǎn)品設(shè)計包括的范圍很廣，大到機場、橋梁、高速公路、地鐵等工程項目和飛機、火車、汽車、船舶、火箭、影視片等產(chǎn)品，小到衣服、鞋、帽、頭發(fā)、廣告畫等。超大規(guī)模集成電路的設(shè)計制造離開CAD將無法進行。沈陽變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計圖和計算機分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標項目；滬東造船廠應(yīng)用 CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計開發(fā)能力提高一倍，使其從粗放的造船模式向精密造船模式轉(zhuǎn)化；西北電力設(shè)計院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設(shè)計方案自動校驗，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當即進行了修改，避免了重大損失；寰球化工工程公司應(yīng)用 CAD技術(shù)，在盤綿乙烯裝置工程中，進行碰撞檢查后，使95%以上錯誤得以糾正，在總長20多萬米的管道設(shè)計中，施工結(jié)束后剩余鋼管不到10米，鋼結(jié)構(gòu)壓縮機廠房10萬個釘孔中，不對中的孔不到10個，這是人工設(shè)計絕對辦不到的。在我國類似的實例不勝枚舉。2計算機藝術(shù)和影視、動畫片制作應(yīng)用高性能的CAD系統(tǒng)可以真實地模擬機械零件的加工處理、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞等過程；在電影界可用來產(chǎn)生動畫片和電影片的特技鏡頭以及數(shù)字電影。3事務(wù)處理在事務(wù)處理中采用CAD技術(shù)可繪制各種形式的統(tǒng)計圖表，如直方圖、扇形圖、庫存留等。用圖表反映事實將會更清晰、形象直觀，還可以顯示計算機系統(tǒng)中信息流、控制流的運作情況。4繪制測量圖用CAD技術(shù)繪制的地理、地形圖、礦藏勘探圖、氣象圖、人口分布密度圖以及有關(guān)的等值線、等位面圖，早已在生產(chǎn)建設(shè)中產(chǎn)生了巨大的作用。5機器人用CAD技術(shù)可以模擬各種形式的機器人、機械手及其運動環(huán)境?，F(xiàn)在CAD技術(shù)已成為工程界普遍重視、深入了解、廣泛應(yīng)用、不斷發(fā)展和提高的熱點，以后它所發(fā)揮的作用將會越來越大。113 應(yīng)用CAD技術(shù)的優(yōu)缺點CAD技術(shù)涉及的學科較廣泛，它基本上是計算機硬、軟件及其相應(yīng)的應(yīng)用專業(yè)學科的高度綜合，三者缺一不可。 CAD技術(shù)在工程和產(chǎn)品設(shè)計中所起的作用如圖112所示。CAD技術(shù)是人用計算機硬、軟件幫助進行工程和產(chǎn)品設(shè)計的一種手段。要正確應(yīng)用CAD技術(shù)，有必要對人與計算機的作用有一定的了解，為此列表 111。表111 人與計算機在CAD中的作用活 動人計 算 機邏輯方法經(jīng)驗的直覺，幻想和直觀系統(tǒng)和形式化智能水平學習快，但必須順序進行，效果因人而異學習能力很小，智能程度可靠信息輸入方式能同時聽、看，以吸收大量資料有步驟地形式化輸入從表111可見，計算機沒有自我學習的能力，沒有創(chuàng)造性，必須由人告訴它如何工作。從構(gòu)造設(shè)計邏輯、信息處理、修改和分析等四個方面來看，人和計算機各有優(yōu)勢，只有把人的直觀處理、經(jīng)驗繼承、創(chuàng)新能力和計算機高速度、大容量、精確的數(shù)字處理能力結(jié)合起來，才會產(chǎn)生好的效益。由此也告訴我們對CAD技術(shù)的學習和應(yīng)用必須要有一個正確的認識。具體而言，應(yīng)用CAD技術(shù)的優(yōu)越性有： （1） 減少繪圖勞動量。 （2） 減少各工序間的周轉(zhuǎn)時間。 （3） 減少直接設(shè)計費用。 （4） 提高精度。 （5） 便于企業(yè)內(nèi)部的管理和對外聯(lián)系。 （6） 易于修改設(shè)計。 （7） 易于建立標準圖及標準設(shè)計庫。 （8） 易于廣泛應(yīng)用標準圖和標準設(shè)計?？傊?，應(yīng)用CAD技術(shù)可以縮短設(shè)計周期，節(jié)省人力物力，降低成本，提高質(zhì)量。但CAD技術(shù)的應(yīng)用也會產(chǎn)生一些負作用，具體表現(xiàn)為：（l） 初始投資（硬件、軟件、機房、培訓費）相當大，對于一些中小企業(yè)常常負擔不起。（2） 由于設(shè)計員、操作員對CAD系統(tǒng)及有關(guān)技術(shù)不熟悉，已有的應(yīng)用資料和經(jīng)驗數(shù)據(jù)還沒有輸入到CAD系統(tǒng)中去，在開始應(yīng)用CAD系統(tǒng)的六個月內(nèi)會出現(xiàn)生產(chǎn)力下降的現(xiàn)象。（3） 有一定的影響健康的因素，如長期看顯示屏幕造成的疲勞和硬件噪聲的影響。（4） 工程應(yīng)用的專業(yè)人員需適當改行，或進行知識結(jié)構(gòu)的調(diào)整和再學習。但這些不利因素大多數(shù)是暫時的，經(jīng)過一段時間的工作是完全可以克服的。12 CAD硬件CAD硬件主要由計算機、常用外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備組成。121計算機及其常用外圍設(shè)備1計算機計算機在科學計算和事務(wù)處理中的作用已皆為人知，同樣它在CAD中也起著主導(dǎo)作用。計算機由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運算器、內(nèi)存儲器和控制器五部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖121所示。當前大部分計算機各部件之間是用總線連接起來的，如圖122所示。在此結(jié)構(gòu)中將運算器和控制器合并在一起，稱為中央處理器（CPU：central processing unit）。計算機一般分為大（巨）型機、小型機、工作站和微型機，用于數(shù)據(jù)處理、信息處理、知識處理和智能處理。 CAD主要采用工作站和微型機。隨著集成電路器件和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進，目前微型機也已達到過去大型機的性能指標。常用的計算機以單CPU為主，為了提高處理速度和能力，也采用多CPU的計算機，多CPU的計算機結(jié)構(gòu)分別如圖123和圖l24所示。微型計算機CPU的發(fā)展趨勢如表121所示，從中可見，目前微機已達到過去大型計算機的性能指標，而其價格下降了幾個數(shù)量級。2存儲器計算機的存儲器有內(nèi)外之分，內(nèi)存儲器由集成電路芯片構(gòu)成，外存儲器一般使用磁盤或光盤。（1）磁盤：計算機的基本功能是數(shù)據(jù)處理，用戶使用計算機處理的信息絕大多數(shù)存儲在磁盤（硬盤）上，即磁介質(zhì)上。計算機可以將最基本的數(shù)據(jù)“0”和“l(fā)”電信號通過磁頭在磁介質(zhì)上轉(zhuǎn)化為磁信號而完成記錄（寫）的過程；也可以將磁介質(zhì)上已記錄的磁信號通過磁頭還原成“0”和“l(fā)”的電信號（讀）。目前，全球磁盤驅(qū)動器（HDD）年產(chǎn)銷量上億臺，盤徑130mm（5.25英寸）的單臺最高容量已超過45GB，90mm（3.5英寸）產(chǎn)品已達18GB，65mm（2.5英寸）產(chǎn)品容量已超過9GB；主軸馬達轉(zhuǎn)速為7200r/min，最高已達12000r/min。這對提高存取速度、盤片數(shù)據(jù)傳輸均有重要作用。近來，一種激光與磁學綜合的光學溫徹斯特技術(shù)可得到每平方英寸存儲5GB的巨大容量。隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用的需求，磁盤接口除了EIDE，Ultra，SCSI外，高速光纖通道IEEE 1394等產(chǎn)品也已廣泛應(yīng)用。（2）光盤： 光盤是用激光技術(shù)實現(xiàn)的一種海量存儲器，泛指光盤只讀存儲器CDROM。按其傳輸速率分為第一代光盤CDROM 1X（150KB/s），第二代光盤CDROM 2X（300KB/s），目前已有CDROM 24X（3600KB/s），這類光盤最高可達CDROM 32X。1995年 Sony/Philips聯(lián)盟開發(fā)出一種單面高密度光盤，容量達 3. 7GB；東芝/松下聯(lián)盟開發(fā)的一種雙面光盤容量達5GB。1997年可讀寫光盤已經(jīng)普遍使用。1995年用激光技術(shù)實現(xiàn)的高密度數(shù)字光盤DVD問世（digital video disk）。DVD既可作為計算機的存儲器，又可用于影像、游戲等領(lǐng)域。DVD在外形上與CDROM相似，均為12cm直徑，其存儲容量高達4.7GB到17GB。DVD采用MPEG壓縮方式，使得單面單層的一張盤片可以存儲133分鐘電影，清晰度達5001000線。DVDROM除需一臺驅(qū)動器外，還需要一塊MPEG解壓卡。3計算機系統(tǒng)常用的計算機系統(tǒng)有單機和聯(lián)網(wǎng)工作方式兩種。單機工作方式如圖125所示。聯(lián)網(wǎng)又分為集中式、分布式和環(huán)網(wǎng)式，如圖126所示。4計算機網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用通信設(shè)備和線路將地理位置不同、功能獨立的多個計算機系統(tǒng)互聯(lián)起來，以功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（即網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、信息交換方式及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的資源共享和信息傳遞。計算機網(wǎng)絡(luò)按其所處位置的遠近分為局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）。LAN將計算機與外圍設(shè)備互聯(lián)起來，使用戶可以通信、共享資源，如數(shù)據(jù)庫、打印機、繪圖儀等，還可訪問其他計算機或其他網(wǎng)。WAN由遠程線路，如電話交換網(wǎng)、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)、衛(wèi)星等，將地理位置不同的兩個或多個局域網(wǎng)連接起來。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備之間的拓撲連接形式有：外存CPU用戶打印機（l）總線型：所有設(shè)備連接到干線電纜，干線電纜構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)總線或中樞。 （2）星 型：所有設(shè)備連接到一個點上，此中心點為網(wǎng)絡(luò)的集線器（hub）。 （3）環(huán) 型：所有設(shè)備串行連接，構(gòu)成一個回路或一個環(huán)。實際的網(wǎng)絡(luò)連接是上述三種模式的混合型。某企業(yè)的一個實用網(wǎng)絡(luò)連接如圖127所示。其中樓宇結(jié)構(gòu)化綜合布線均采用五類標準無屏蔽雙絞線，樓間用光纖連接，網(wǎng)絡(luò)采用樹型結(jié)構(gòu)，便于集中管理。由中心機房到各配線間，構(gòu)成大樓網(wǎng)絡(luò)的主干系統(tǒng)，交換機到交換機的主干連接為100MB交換，交換機到集線器為10MB交換，集線器到一般用戶端為10MB共享。異地通過衛(wèi)星通信連成一體，NT主干網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議。為確保系統(tǒng)具有較高的可靠性，在主信道發(fā)生故障時啟用備用信道。網(wǎng)絡(luò)的Internet出口經(jīng)過防火墻控制，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。 122圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備從邏輯上分為六種，如表122所示，但實際的圖形輸入設(shè)備往往是某些邏輯輸入功能的組合。目前正在研制，尚未達到實用階段的圖形輸入設(shè)備的種類很多。其中圖形輸入效率較高的設(shè)備有語音輸入和掃描輸入。語音輸入是人用自然語言輸入圖形特征參數(shù)及其屬性參數(shù)后，即可在顯示屏幕上或繪圖儀上輸出用戶要求的圖形。圖形掃描輸入是把已有圖形（或工程圖紙）放在圖形輸入板上，經(jīng)過光電掃描轉(zhuǎn)換裝置的作用，即可把圖形的像素特征乃至幾何特征輸入到計算機內(nèi)。這種輸入方式在對已有圖紙建圖形庫，或進行圖像處理及識別等方面具有實用價值，但在掃描工程圖紙矢量化、結(jié)構(gòu)化等方面尚未達到實用。123圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備是CAD系統(tǒng)中必不可少的核心裝置。大多數(shù)圖形設(shè)備中的監(jiān)視器采用標準的陰極射線管（CRT： cathode ray tube）結(jié)構(gòu)，也有采用其他技術(shù)的顯示器，如液晶顯示器、激光顯示器等。1CRTCRT顯示器的類型可分為球面、平面直角和柱面三種。平面直角顯示器的實際工作面積大于球面顯示器。柱面顯示器在垂直方向幾乎沒有彎曲，其效果又優(yōu)于平面直角顯示器。顯示器的尺寸越大，提供的工作空間越大。15英寸顯示器比14英寸顯示器只大了l英寸，但實際使用面積卻大了20%30%。17英寸比15英寸顯示器使用面積大了50%以上。顯示器的點距多為0.28mm和0.25mm。點距越小，圖像越細，其質(zhì)量越好。顯示器的閃爍率以72HZ以上為推薦刷新頻率。2彩色CRTCRT顯示不同顏色的圖形是通過把發(fā)生不同顏色的熒光物質(zhì)進行組合而實現(xiàn)的。常用射線穿透法和影孔板法實現(xiàn)彩色顯示。影孔板法廣泛用于光柵掃描的顯示器中（包括家用電視機）。這種CRT屏幕內(nèi)部涂有很多組呈三角形的熒光物質(zhì)，每一組有三個熒光點。當某組熒光物質(zhì)被激勵時，分別發(fā)出紅、綠、藍三原色，而每一束電子束的電流強度控制著三點組產(chǎn)生的紅、綠、藍三種光的強度，混合后即產(chǎn)生不同顏色。例如，關(guān)閉紅、綠電子槍就會產(chǎn)生藍色，以相同強度的電子束去激發(fā)全部三個熒光點，就會得到白色。在廉價的光柵圖形系統(tǒng)中，電子束只有發(fā)射、關(guān)閉兩種狀態(tài)，因此只能產(chǎn)生8種（23）種顏色。比較復(fù)雜的顯示器可以產(chǎn)生中間等級強度的電子束，因而可達幾百萬種顏色。3顯示卡（圖形卡）一臺微機通常由主板（含CPU，如 P/450等）、硬盤（如奔騰 4.3GB）、內(nèi)存（如 168線 32MB SD）、顯示器（如菲利浦 30cm）、顯示卡（如 AGP）、光驅(qū)（如索尼 24速）、軟驅(qū)（如索尼90mm）、鼠標器（如康柏）、鍵盤（加宏基）、機箱（如ATX結(jié)構(gòu)）等組成，其中顯示卡也是必不可少的重要部件。目前較為流行的顯示卡有PCI和AGP兩類。顯示卡主要用于解決輸人（I）輸出（O）總線速度遠遠慢于CPU內(nèi)部處理速度的問題。與傳統(tǒng)的顯示卡相比，AGP在傳輸總線上有較大改進。它在顯示加速卡和系統(tǒng)內(nèi)存之間建立了一條高速通道，從而可用低廉的價格獲得更好的三維圖形顯示性能；而傳統(tǒng)的PCI顯示卡與硬盤、網(wǎng)卡等設(shè)備共享一條通道，其結(jié)構(gòu)如圖128所示。顯示卡一般都有顯示緩存。根據(jù)不同的需求，顯示緩存有2MB，4MB，8MB等配置。顯示緩存的具體大小是由顯示分辨率（如1024 X 1024，即顯示屏上像素的個數(shù)）、每個像素的色彩數(shù)（如 256色，真彩色為 224色）、每個像素對應(yīng)三維空間中 Z方向的深度來確定的。為了加速每個像素的顯示和渲染，還要分別占用前臺緩存和后臺緩存兩個緩存區(qū)。因此，1024X1024分辨率、真彩色（224）、16位Z緩存、兩個緩存區(qū)的顯示緩存的大小為1024X1024X24/8X21024X1024X16/8，約為8MB（其中，1024X1024是顯示分辨率，24是真彩色的位面數(shù)，8代表一字節(jié)，2代表兩個緩存區(qū)）。如果對表面紋理有要求，則還應(yīng)增加紋理緩存，如用2MB，此時顯示緩存配置到10MB較為理想。124繪圖輸出設(shè)備圖形顯示設(shè)備只能在屏幕上產(chǎn)生各種圖形，而在CAD中還必須把圖形畫在紙上，產(chǎn)生工程圖紙。常用的繪圖輸出設(shè)備也稱為硬拷貝設(shè)備，有打印機和繪圖儀兩種。1打印機打印機是最廉價的產(chǎn)生圖形的硬拷貝設(shè)備，又分為撞擊式和非撞擊式兩種。撞擊式打 印機使成型字符通過色帶印在紙上，如行式打印機、點陣式打印機等。非撞擊式打印機常用的技術(shù)有：噴墨技術(shù)、激光技術(shù)、靜電復(fù)印技術(shù)等，這類打印設(shè)備速度快、無噪聲。2繪圖儀在 CAD工作中最常用的是筆式繪圖儀，也有采用噴墨、靜電或激光技術(shù)的繪圖儀。與打印機不同，繪圖儀需要有輔助的軟件命令，并能根據(jù)程序要求，有選擇地繪出圖形。在筆式繪圖儀上，電脈沖通過驅(qū)動電機與傳動機構(gòu)使畫筆移動的距離稱為步距，或脈沖當量。步距愈小，畫出的圖形越精細。一般國產(chǎn)繪圖儀步距為0.l0.00625mm。國外質(zhì)量高的繪圖儀步距可達0.001mm。通常0.l mm的步距可以滿足一般圖形的要求，0.005mm的步距可以使人的肉眼覺察不出階梯狀的波動，而0.00625mm的步距可滿足一般精密繪圖的要求。筆式繪圖儀可分為滾筒式和平板式繪圖儀兩類。滾筒式繪圖儀是用兩個電機分別帶動繪圖紙和繪圖筆運動。這類繪圖儀構(gòu)造簡單、價格便宜，但速度和精度不會太高，近來已被噴墨線圖儀和激光繪圖儀所取代。平面電機驅(qū)動的平板式繪圖儀采用兩軸同時驅(qū)動的單向脈沖電機。動子重量輕，兼作為筆架；它與定子間采用空氣軸承，速度快，每分鐘可達120米；且精度高，維修方便，但價格貴。如美國XYNETICS繪圖儀、日本精工社的繪圖儀等，由于其價格昂貴很少用于繪圖。噴墨、激光繪圖儀因其價廉，速度快，精度較高，已成為當今繪圖儀的主流產(chǎn)品。13 CAD系統(tǒng)CAD技術(shù)集中體現(xiàn)在CAD系統(tǒng)上，CAD系統(tǒng)是最終用戶用來實現(xiàn)設(shè)計思想，加速產(chǎn)品和工程設(shè)計的信息化工具。131 CAD系統(tǒng)的分類CAD系統(tǒng)作為計算機應(yīng)用系統(tǒng)的一個重要分支，經(jīng)歷過三個階段的發(fā)展，即許多用戶共享一臺計算機；一個用戶使用一臺計算機；一個用戶共享多臺計算機。CAD系統(tǒng)的基本組成如圖13l所示。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，CAD系統(tǒng)大致可分為兩類，即集中式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)的模塊如圖132所示。這種系統(tǒng)要求有功能較強的計算機，一次投資大，使用起來不靈活，在80年代中期以前應(yīng)用比較廣泛。自從工作站和高性能微機問世以后，大多數(shù)用戶采用工作站和微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來代替這類集中式CAD系統(tǒng)。一個典型的CAD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖133所示。CAD系統(tǒng)可分為三個層次，如圖134所示?；A(chǔ)層由計算機、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件組成。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展（見表132），微機已成為CAD系統(tǒng)的主流計算機（包括服務(wù)器和客戶機）。若配置大屏幕高性能的顯示器及其顯示卡，微機的計算和圖形處理功能和性能完全能夠滿足不同領(lǐng)域CAD的需求。外圍設(shè)備主要是噴墨、激光打印機（或稱之為繪圖儀）和掃描儀（輸入已有圖檔）。對于系統(tǒng)軟件，工作站上流行Unix、Motif操作系統(tǒng)；微機上流行 Windows 95/98/NT操作系統(tǒng)及其支撐軟件、系統(tǒng)開發(fā)和維護的工具軟件。支撐層包含了圖134所示內(nèi)容，隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，異地協(xié)同虛擬CAD環(huán)境將是CAD支撐層的重要發(fā)展趨勢。應(yīng)用層針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求有各自的CAD專用軟件來支持相應(yīng)的 CAD工作。132 如何選擇CAD系統(tǒng)CAD系統(tǒng)是一個人與計算機軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)，用來幫助從事設(shè)計、制造、生產(chǎn)的工程技術(shù)人員提高工作效率，擴展工作能力，逐步將傳統(tǒng)的分散、重復(fù)、串行的作業(yè)方式集成起來，實現(xiàn)分布式并行作業(yè)。一個企業(yè)、一個部門若要建立一套運行有效的CAD系統(tǒng)，除了圖134所示的硬軟件外，還必須有人才培訓、專用軟件開發(fā)和CAD技術(shù)服務(wù)三個基礎(chǔ)。從總體上說，為了有效地應(yīng)用CAD系統(tǒng)，在選型中應(yīng)遵守“提前培訓人才，針對應(yīng)用需求選擇軟件，根據(jù)軟件運行環(huán)境配置計算機硬件”的原則；決不能先買硬件，再配軟件，后找人。從質(zhì)量的觀點看，選型過程中不僅要重視比較分析系統(tǒng)的功能和性能，還要充分考慮系統(tǒng)的可靠性、適用環(huán)境以及系統(tǒng)供應(yīng)商的技術(shù)支持和服務(wù)能力。選擇CAD系統(tǒng)應(yīng)考慮的因素有以下一些可供參考。（l）系統(tǒng)的性能價格比這是決定系統(tǒng)取舍的主要條件。擬從以下幾個方面考慮： 主機的 CPU運算處理能力、主存容量、外存容量、輸入輸出吞吐作業(yè)能力、通信聯(lián)網(wǎng)能力、圖形顯示（分辨率、色彩種類、濃淡處理）和處理能力（二維、三維作業(yè)，動態(tài)功能等）及與多種外設(shè)接口的能力。 各種外設(shè)配備情況。輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標器、數(shù)字化板、掃描儀，輸出設(shè)備：打印機、繪圖機等。 操作系統(tǒng)、語言編譯系統(tǒng)、圖形支持系統(tǒng)、軟件開發(fā)工具、軟件平臺、軟件集成技術(shù)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 通用支撐軟件，包括工程繪圖、幾何造型、計算機輔助工藝設(shè)計、數(shù)控編程、有限元分析等。 專業(yè)應(yīng)用軟件，要根據(jù)各個企業(yè)不同專業(yè)領(lǐng)域的需要具體選配。上述各種性能都要和其價格聯(lián)系起來，根據(jù)性能價格比進行綜合評價后再作選擇。（2）開放性與可移植性所謂開放性的定義是： 獨立于制造廠商并遵循國際標準的應(yīng)用環(huán)境； 為各種應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)、信息提供交互操作和移植界面； 新安裝的系統(tǒng)應(yīng)能與已安裝的計算機環(huán)境進行交互操作。POSIX對開放系統(tǒng)定義為：在接口、服務(wù)和支持方式上充分采用規(guī)范，以便使常規(guī)應(yīng)用軟件經(jīng)過最少的變化，便可在很大范圍內(nèi)的多種系統(tǒng)之間進行移植，并可與本地和遠程系統(tǒng)中的其他應(yīng)用軟件進行交互操作，同時允許用戶按照自己的習慣進行移植。伴隨開放式系統(tǒng)，幾個相關(guān)的概念，如交互操作性（inter operability）、規(guī)模可變性（scalability）、可移植性（portability）和可連接性（connectivity）也已成為選擇 CAD系統(tǒng)的指標。對上述4個名詞的解釋是： 交互操作性是應(yīng)用程序之間的“交談”； 可連接性是系統(tǒng)之間的“交談”； 可移植性為應(yīng)用程序從一個平臺上移植到另一個平臺上提供方便； 規(guī)模可變性是指同一軟件可在某一系列產(chǎn)品的各種系統(tǒng)上均能運行的能力。（3）系統(tǒng)升級擴展能力所選購的系統(tǒng)，隨著應(yīng)用規(guī)模的擴大，應(yīng)該具有升級擴展的能力。原有的系統(tǒng)應(yīng)能在新的系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用，保護用戶的投資不受損失。 （4）可靠性與維護支持能力系統(tǒng)可靠性的定義是；程序在其運行的計算機系統(tǒng)上，在給定時間內(nèi)不出錯的概率。對于可靠性的度量可考慮以下三點： 平均錯誤間隔時間（MTBE： mean time between error）； 平均修復(fù)時間（MTTR：mean time to repair error）； 正常運行時間的百分率（Percent uptime）。對于一個CAD系統(tǒng)來說，維護問題愈來愈重要。特別是對于軟件，維護階段約占其整個生存期的67%以上。維護工作是否完善、有效，決定了整個系統(tǒng)的運行效果?？删S護性的定義是：糾正系統(tǒng)錯誤或故障以及為滿足新的要求需要改變原有系統(tǒng)的難易程度。系統(tǒng)的維護包括三種基本類型：糾錯性維護、適應(yīng)性維護和完善性維護。對于一個具體的CAD系統(tǒng)，不僅要求它本身的質(zhì)量好，還要求供應(yīng)商有完善的維護服務(wù)機構(gòu)和手段。維修服務(wù)效率高能為用戶提供有效的技術(shù)支持、培訓、故障檢修和技術(shù)文件。（5）第三方軟件的支持由于 CAD系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益廣泛并且是多種多樣的，一個深受用戶歡迎的系統(tǒng)，必然有很多第三方公司提供各種應(yīng)用軟件，所以第三方軟件的多少是衡量一個系統(tǒng)成熟的重要標志。（6）供應(yīng)商的發(fā)展趨勢與經(jīng)營狀況計算機技術(shù)的發(fā)展日新月異，CAD系統(tǒng)廠商的發(fā)展也是此起彼伏變化很大，所以在選購一種系統(tǒng)時，不僅要分析、比較它的技術(shù)性能指標、價格，而且還要分析供應(yīng)商的發(fā)展變化趨勢和它的財務(wù)經(jīng)營狀況。有些大公司由于跟不上新技術(shù)的發(fā)展而被迫改組、轉(zhuǎn)產(chǎn)，也有些技術(shù)上很有發(fā)展的公司由于經(jīng)營不善而被兼并、收購。用戶由于對公司發(fā)展情況不了解，買了即將停產(chǎn)換代的產(chǎn)品或是與即將易手的公司做生意，其后果是很被動的。133 CAD支撐軟件CAD面向各行各業(yè)的應(yīng)用軟件均是在支撐軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的。前幾節(jié)已對CAD的硬件作過討論，系統(tǒng)軟件在計算機的有關(guān)課程中已有專門介紹，這里僅簡要介紹CAD的支撐軟件及其有關(guān)算法。CAD支撐軟件主要包括以下幾方面的內(nèi)容：（1） 設(shè)備驅(qū)動程序：如Windows操作系統(tǒng)支持的設(shè)備驅(qū)動程序集， ISO通過的標準程序庫CGI（compute graphics interface），又如HP公司提供的繪圖儀、打印機設(shè)備驅(qū)動程序等。（2） 窗口管理系統(tǒng)：工作站上流行的Motif窗口系統(tǒng)，微機上流行Windows 95，Windows 98，Windows NT窗口系統(tǒng)；微機上的窗口系統(tǒng)已代替了過去的 DOS操作系統(tǒng)，成為最大眾化的操作系統(tǒng)。窗口系統(tǒng)中包含了豐富的圖形用戶接口（GUI）程序。（3） 漢字輸入輸出程序：中文Windows操作系統(tǒng)也已廣泛應(yīng)用。（4） 二維計算機輔助設(shè)計繪圖系統(tǒng)。（5） 三維線框、曲面、實體和特征統(tǒng)一表示的造型系統(tǒng)。（6） 三維真實圖形實時顯示系統(tǒng)。（7） 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDMS：Product data management system）。（8） 異地協(xié)同虛擬設(shè)計系統(tǒng)。（9） 智能CAD系統(tǒng)。支持CAD支撐軟件常用的算法包括以下幾種：（1） 與設(shè)備相關(guān)的直線、圓弧、字符、漢字、區(qū)域填充等圖素生成算法。（2） 曲線與曲面的擬合、插值、逼近、光順和連續(xù)性算法。（3） 圖形變換、裁剪及線、面消隱算法。（4） 0，l，2，3維圖素的相交性計算和集合運算算法。（5） 三維真實感圖形的實時顯示和并行處理算法。（6） 科學計算可視化算法。（7） 虛擬現(xiàn)實環(huán)境的處理算法。（8） 圖形數(shù)據(jù)管理算法。（9） 圖形圖像化和圖像圖形化算法（含壓縮和解壓算法）。（10） 異地協(xié)同圖形處理算法。（11）從二維圖像、線框圖重建三維形體算法。l34 CAD集成系統(tǒng)CAD系統(tǒng)只能產(chǎn)生工程圖紙及其有關(guān)的技術(shù)說明，只有把CAD和生產(chǎn)制造結(jié)合成一體，才能進一步提高生產(chǎn)力。一般產(chǎn)品通常的設(shè)計生產(chǎn)過程如圖135所示。只有通過工程數(shù)據(jù)庫、STEP