《機械CADCAM》課件第2章

第2章機械CAD/CAM系統(tǒng)環(huán)境2.1CAD/CAM硬件系統(tǒng)2.2CAD/CAM的軟件系統(tǒng)2.3CAD/CAM的網(wǎng)絡環(huán)境習題與思考題

CAD/CAM系統(tǒng)由一系列的硬件和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)由計算機、外圍設備及生產(chǎn)設備組成，包括主機、存儲器、輸入/輸出設備、網(wǎng)絡通信設備及各種數(shù)控生產(chǎn)設備；軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件。CAD/CAM系統(tǒng)的組成如圖2.1所示。圖2.1CAD/CAM系統(tǒng)的組成2.1CAD/CAM硬件系統(tǒng)硬件是指CAD/CAM系統(tǒng)中的有形的物理設備。對于一個CAD/CAM系統(tǒng)而言，可根據(jù)系統(tǒng)的應用范圍和相應的軟件規(guī)模，選用不同規(guī)模、不同功能的硬件系統(tǒng)。2.1.1CAD/CAM硬件系統(tǒng)的組成

1．典型CAD/CAM硬件系統(tǒng)的組成一個典型的CAD/CAM硬件系統(tǒng)如圖2.2所示。該系統(tǒng)的具體組成有：圖2.2CAD/CAM硬件系統(tǒng)

(1)計算機(主機)。

(2)圖形終端和字符終端。

(3)外存儲器，如軟盤、硬盤和光盤等。

(4)輸入裝置，如鼠標、鍵盤、數(shù)字化儀、掃描儀等。

(5)輸出裝置，如打印機、繪圖機等。

(6)生產(chǎn)裝備，如數(shù)控機床、機器人、搬運機械和自動測試裝置等。

(7)計算機網(wǎng)絡。網(wǎng)絡將以上各個硬件連接在一起，以實現(xiàn)硬、軟件資源共享以及各設備之間的通信和信息交換。2.1.2硬件系統(tǒng)配置目前，CAD/CAM硬件系統(tǒng)的主流配置方案采用分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2.3所示。這種系統(tǒng)把多個獨立工作的工作站(包括PC機)組織在高速局域網(wǎng)中，形成分布式計算機網(wǎng)絡，局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)(Gatway)還可以和其它局域網(wǎng)和大型主機互連，構(gòu)成遠程計算機網(wǎng)絡。網(wǎng)絡上的各個結(jié)點是工作站和外部設備。圖2.3CAD/CAM硬件系統(tǒng)配置系統(tǒng)通常采用基于客戶(Client)/服務器(Server)的體系結(jié)構(gòu)。分布式系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的軟、硬件資源分布在各個結(jié)點上，每個結(jié)點都有自己的CPU和外圍設備，使用速度不受網(wǎng)絡上其它結(jié)點的影響。通過網(wǎng)絡軟件提供的通信功能，每個結(jié)點上的用戶可以享用其它結(jié)點上的資源，如大型繪圖機、激光打印機等硬件設備，也能共享網(wǎng)絡應用軟件及公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)配置和開發(fā)可分塊進行，由小到大，由簡到繁，逐步投資，符合投資者的心理。在這個系統(tǒng)配置中，除了傳統(tǒng)意義上的工作站外，個人計算機(PC機)已經(jīng)成為系統(tǒng)的主要組成部分之一。目前，PC機的性能已經(jīng)達到了較高的水平，完全可以勝任三維CAD/CAM的要求，許多原先在工作站上運行的CAD/CAM軟件也被移植到了PC機上，在這種狀況下，PC機作為CAD/CAM網(wǎng)絡的一個結(jié)點，將發(fā)揮越來越重要的作用。2.1.3CAD/CAM系統(tǒng)典型硬件設備

CAD/CAM系統(tǒng)中的硬件除計算機(主機)外，還有輸入設備、輸出設備、外存儲設備、計算機網(wǎng)絡設備和生產(chǎn)設備等幾類。下面僅簡單介紹其中典型的幾類設備。有關(guān)計算機網(wǎng)絡設備可參閱2.4節(jié)。有關(guān)數(shù)控機床、自動檢測和控制等生產(chǎn)設備可參閱第5章和有關(guān)資料。在CAD/CAM環(huán)境下的作業(yè)是通過人機交互完成的，因而需要各種性能優(yōu)良、功能各異的輸入和輸出設備，這些設備除了常用的鍵盤、鼠標器、顯示器外，還包括光筆、掃描儀、繪圖機等。另外，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD/CAM中的應用，一些VR專用的輸入/輸出設備如數(shù)據(jù)手套、位置傳感器等的應用逐漸增多。

1．典型的輸入設備

1)掃描儀工程掃描儀是CAD/CAM系統(tǒng)中常用的圖形掃描輸入設備。常用的掃描儀的工作幅面是A2、A3幅面，大型掃描儀能掃描A0幅面的圖紙。系統(tǒng)工作時，首先用掃描儀掃描圖紙，得到一個光柵圖像文件，接著進行矢量化處理，將光柵圖像文件變成一種格式緊湊的二進制矢量文件，針對某種CAD/CAM系統(tǒng)做相應矢量文件的格式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生最終的矢量圖。掃描技術(shù)輸入方便，速度快，且輸入數(shù)據(jù)準確，不易出錯，可以快速地將大量圖紙輸入計算機，比其它錄入方法節(jié)省了大量人力與時間，是建立大型圖庫的有效方法。這種掃描輸入技術(shù)的缺點是矢量識別的正確率不是很理想，需進一步提高。

2)語音輸入設備該設備能夠?qū)⑷祟愓f話的語音直接輸入計算機。聲音通過話筒變成模擬信號，再將模擬信號通過調(diào)制，變成數(shù)字信號輸入計算機。語音輸入的難點是如何理解、識別語音。其目前的水平處于定量詞匯、定人語音識別的程度。

3)數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是近年來隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展起來的一種輸入裝置，也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最常用的輸入裝置。數(shù)據(jù)手套的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。數(shù)據(jù)手套可以幫助計算機測試人手的位置與指向，可以實時地生成手與物體接近或遠離的圖像。圖2.4數(shù)據(jù)手套

4)位置傳感器在應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的CAD/CAM系統(tǒng)中，為了提高真實感，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與方向。位置傳感器用于檢測和確定瀏覽者的位置和方向。常用的位置傳感器包括電磁場式、超聲波式、機電式、光學式等。位置傳感器的主要性能參數(shù)包括：刷新率(每秒的測量次數(shù))、延遲(從物體對象動作到傳感器檢測出結(jié)果之間的時間間隔)、精確度(實際位置與測量位置的差別)、分辨率(傳感器可以檢測到的物體最小的位置變化)等。

2．典型的輸出設備輸出設備主要用于在輸出媒介上生成圖像，這些輸出媒介包括圖紙、聚酯薄膜、感光膠片等。輸出設備包括顯示器、立體顯示器、繪圖儀、打印機等。

1)顯示器目前采用的圖形顯示器主要是陰極射線管(CRT)和液晶顯示器(LCD)。對于一般用途的CAD/CAM系統(tǒng)，采用對角線尺寸為19～21英寸左右、分辨率為1024×768或1280×1024的顯示器即可較好地滿足使用要求。除上述分辨率和顯示尺寸指標外，一些圖形顯示器有局部圖形“智能”，即根據(jù)一些簡單命令就能生成各種幾何形狀(如圓、橢圓、曲線和矩形)、多邊形填充以及圖形編輯處理功能等。圖形顯示器的圖形處理速度通常以每秒內(nèi)可處理并顯示的三維矢量個數(shù)和三維填充多邊形的個數(shù)來衡量。高檔圖形工作站采用專門設計的處理器執(zhí)行如剪裁、坐標變換、光照等圖形計算，這樣大大加快了圖形的生成過程。圖形顯示器與主機之間的聯(lián)系通過顯示適配器(圖形卡)來實現(xiàn)。圖形卡采用專門的微處理器并行處理指令來輸出圖形。一些圖形卡以硬件支持三維圖形的輸出和真實感顯示，通過深度緩沖器(Z-buffer)來實現(xiàn)三維圖形的消隱。

2)打印機打印機是一種主要的輸出設備。根據(jù)打印機的打印機理的不同，打印機可分為針式點陣打印機、靜電打印機、噴墨打印機和激光打印機等。

3)繪圖儀繪圖儀是把由計算機生成的圖形輸出到圖紙(或其它介質(zhì))上的硬拷貝設備。繪圖儀有筆式、噴墨式和光電式幾類。筆式繪圖儀又分為平板式和滾筒式兩種。

4)立體顯示器在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的CAD/CAM系統(tǒng)中，立體顯示器提供逼真的三維視覺，使用戶盡可能地沉浸在虛擬環(huán)境中。立體顯示設備主要包括頭盔顯示器(HMD)、立體眼鏡及3D立體投影儀等。其中較常用的是頭盔顯示器，如圖2.5所示。圖2.5頭盔顯示器2.2CAD/CAM的軟件系統(tǒng)2.2.1CAD/CAM軟件系統(tǒng)的分類和組成圖2.6CAD/CAM軟件系統(tǒng)軟件是CAD/CAM系統(tǒng)的核心。從CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，軟件占據(jù)著愈來愈重要的地位，軟件的購置成本目前也大大超過了硬件。

CAD/CAM軟件系統(tǒng)可以分為三個層次，即系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件，如圖2.6所示。圖2.6CAD/CAM軟件系統(tǒng)

1．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、高級語言編譯系統(tǒng)等。系統(tǒng)軟件是與計算機硬件直接關(guān)聯(lián)的軟件，一般由軟件專業(yè)人員研制。它起著擴充計算機的功能和合理調(diào)度與運用計算機的作用。系統(tǒng)軟件有兩個特點：一是公用性，無論哪個應用領(lǐng)域都要用到它；二是基礎(chǔ)性，各種支撐軟件及應用軟件都需在系統(tǒng)軟件支撐下運行。

2．支撐軟件支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上研制的，它包括進行CAD/CAM作業(yè)時所需的各種通用軟件。開發(fā)CAD/CAM應用軟件時需要有特殊的支撐軟件環(huán)境。支撐軟件包括圖形支撐軟件、有限元分析軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。系統(tǒng)軟件和支撐軟件是同計算機一起購進的，可形成CAD/CAM系統(tǒng)的二次開發(fā)環(huán)境，用戶在此環(huán)境下移植或自行開發(fā)所需要的CAD/CAM應用軟件來完成特定的設計和制造任務。

3．應用軟件應用軟件則是在系統(tǒng)軟件及支撐軟件的支持下，為實現(xiàn)某個應用領(lǐng)域內(nèi)的特定任務而編制的軟件。CAD/CAM系統(tǒng)的功能和效益最終反映在CAD/CAM應用軟件的水平上，而高水平的CAD/CAM應用軟件又必須以高水平的開發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)。2.2.2系統(tǒng)軟件

1．操作系統(tǒng)

1)操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)是對計算機系統(tǒng)硬件資源及各種軟件資源進行全面控制和管理的底層軟件，負責計算機系統(tǒng)內(nèi)所有軟件和硬件資源的監(jiān)控和調(diào)度，使其協(xié)調(diào)一致、高效率地運行。操作系統(tǒng)的基本功能包括：內(nèi)存管理，作業(yè)和進程控制，文件管理，外圍設備管理等。計算機操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是開放式系統(tǒng)，即盡可能遵照流行的或已被行業(yè)部門公認的標準來組建系統(tǒng)，以便于擴充和互相兼容。

2)常用操作系統(tǒng)

(1)?UNIX系統(tǒng)。UNIX系統(tǒng)是由AT&T公司利用與機器無關(guān)的C語言開發(fā)的一個多用戶、多任務的分時操作系統(tǒng)。其特點是功能強、規(guī)模小、可移植性好，是工程工作站廣泛采用的操作系統(tǒng)。目前，從微型機，小型機到大、中型機都可采用UNIX系統(tǒng)，但不同版本的UNIX系統(tǒng)并不完全兼容。UNIX操作系統(tǒng)加上X-Windows窗口系統(tǒng)，是工作站上最流行的軟件運行平臺和開發(fā)環(huán)境。

X-Windows是一個可以在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下工作的多任務多窗口系統(tǒng)。X-Windows最早是由美國MIT(麻省理工學院)開發(fā)的，后來成為了ANSI標準。其圖形用戶接口符合開放式的工業(yè)標準，可在網(wǎng)絡環(huán)境下及各種獨立的計算機上運行，適應能力很強。

(2)?MS-Windows系統(tǒng)。MS-Windows是國內(nèi)目前應用最廣泛的操作系統(tǒng)。MS-Windows界面友好，便于使用，是最受歡迎的個人計算機軟件運行平臺和開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)發(fā)展至今有多個版本，如Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsXP等。值得一提的是，近些年，許多以前僅能在工作站上運行的大型商品化CAD/CAM集成系統(tǒng)如UG、CATIA等，都紛紛推出了Windows平臺版本，以適應CAD/CAM普及和應用的需求。

2．編譯系統(tǒng)與開發(fā)工具高級語言是開發(fā)計算機程序的基本工具。設計和開發(fā)CAD/CAM系統(tǒng)時，可采用各種程序設計語言。編譯系統(tǒng)的作用是將用高級語言編寫的程序，翻譯成計算機能夠直接執(zhí)行的機器指令。因此，編譯系統(tǒng)是開發(fā)CAD/CAM軟件基本的系統(tǒng)軟件環(huán)境。目前，國內(nèi)外廣為應用的高級語言有FORTRAN、BASIC、C、PASCAL、C++、LISP和JAVA等。其中，C和C++語言非常簡潔，由其生成的可執(zhí)行程序運行效率高、功能強，受到專業(yè)編程人員的喜歡。因此，C和C++語言現(xiàn)已成為CAD/CAM軟件中最流行的程序設計語言。2.2.3支撐軟件支撐軟件是CAD/CAM軟件系統(tǒng)中的核心，它是為了滿足CAD/CAM工作中的共同需要而開發(fā)的通用軟件。二十多年來，計算機的應用領(lǐng)域迅速擴大，支撐軟件的開發(fā)研制有了很大的進展，種類繁多的商品化支撐軟件層出不窮。其中比較通用的支撐軟件有圖形支撐軟件、分析和優(yōu)化軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件。

1．圖形支撐軟件計算機圖形系統(tǒng)是CAD/CAM技術(shù)的核心，從某種程度上講，圖形支撐軟件功能的強弱是評價一個CAD/CAM系統(tǒng)很重要的指標。圖形支撐軟件主要包括繪圖軟件和三維幾何造型軟件。

1)繪圖軟件繪圖軟件是CAD/CAM系統(tǒng)最基本的圖形支撐軟件，主要用來生成產(chǎn)品設計中符合工程要求的零件工作圖和裝配圖。繪圖軟件的基本功能包括圖形生成、圖形編輯(對圖形增刪、縮放、平移等)、標注尺寸、拼裝圖形、輸出打印工程圖等。生成圖形的方式既可用人機交互繪圖生成，也可通過三維幾何模型的投影變換獲得。商品化的交互繪圖軟件種類很多，包括國內(nèi)目前廣泛使用的AutoCAD及大量的國產(chǎn)軟件。而商品化的CAD/CAM系統(tǒng)一般都具有一個制圖模塊來完成自動繪圖。

2)三維幾何造型軟件三維幾何造型軟件提供幾何造型、曲面造型和參數(shù)化特征造型等基本功能。它可以為CAD/CAM系統(tǒng)建立產(chǎn)品完整的幾何描述及特征描述，為產(chǎn)品的設計和制造提供統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型，支持CAD/CAM系統(tǒng)的后續(xù)各環(huán)節(jié)工作。目前，國際上主流的三維造型核心軟件是Parasolid和ACIS，大部分商品化CAD/CAM軟件均采用它們作為三維造型核心。為了真實地表現(xiàn)設計對象的形態(tài)，三維造型系統(tǒng)一般具有真實感顯示功能，例如消除隱藏線(面)、著色、色彩明暗處理和各種渲染功能等。為了輸出二維的工程圖紙的需要，三維幾何造型軟件具備從三維模型生成二維圖形的功能，并保持二維圖形與三維造型模型在設計修改過程中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，即所謂的二、三維聯(lián)動功能。

2．分析和優(yōu)化軟件分析軟件主要包括有限元分析軟件、機械運動分析軟件、動力學分析軟件等。其中，有限元分析軟件是最重要的分析軟件，不但可以進行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動態(tài)分析，還可進行流體力學、電磁場分析等。目前商品化的分析軟件很多，流行的有ADAMS、ADINA、NASTRAN、ANSYS等。優(yōu)化設計軟件運用最優(yōu)化數(shù)學理論和現(xiàn)代數(shù)值計算技術(shù)來尋求設計的最優(yōu)方案解。國內(nèi)外有許多優(yōu)化、分析和仿真軟件，包括大量的解決諸如解微分方程、線性代數(shù)方程、數(shù)值積分、有限差分、優(yōu)化算法以及曲線曲面擬合等數(shù)學問題的工具。MATLAB是其中非常典型的分析仿真軟件。

3．數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對于CAD/CAM數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)處理和信息交換的需要，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystem，DBMS)是十分重要的支撐軟件之一。當前國內(nèi)流行的商品化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有VFP、SQLServer、ORACLE等，它們均屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，適用于商業(yè)及事務管理，但并不適用CAD/CAM的工程數(shù)據(jù)的管理。該問題常采用兩種方法來解決：一種是在商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)上建立一套面向CAD/CAM工程應用的軟件接口，對商用DBMS進行擴充和修改，使它適用于CAD/CAM工程領(lǐng)域；另一種是從頭開始研制一個完善的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(EDBMS)，這是目前尚在努力解決的重大課題。

4．網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件基于網(wǎng)絡的CAD/CAM系統(tǒng)已成為目前CAD/CAM的主要使用環(huán)境之一。在基于網(wǎng)絡的CAD/CAM系統(tǒng)中，網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件是必不可少的。常見的網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件有WindowsNT、NetWare等，它包括服務器操作系統(tǒng)、文件服務器軟件、通信軟件等。應用這些軟件可進行網(wǎng)絡文件系統(tǒng)管理、存儲器管理、任務調(diào)度、用戶間通信、軟/硬件資源共享等工作。2.2.4應用軟件應用軟件主要有兩類：一類是典型意義上的應用軟件。這類軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件的基礎(chǔ)上，針對某一專門應用領(lǐng)域而研制的軟件，通常可由用戶根據(jù)專業(yè)設計需要而自行研究開發(fā)，此項工作又稱為“二次開發(fā)”。這類軟件種類繁多，內(nèi)容涉及專業(yè)計算與算法、專用圖形生成、專用設備控制接口等多方面，比如一些專用模具設計軟件、電器設計軟件、機械零件設計軟件、機床設計軟件，以及汽車、船舶、飛機設計制造專用軟件等。它們的特點是針對特定問題，具有很強的針對性和專用性。另一類比較常見的CAD/CAM應用軟件是一些專業(yè)軟件公司開發(fā)的具有較廣用途的通用商品化CAD/CAM系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般規(guī)模較大、功能齊全，可應用于多個工業(yè)領(lǐng)域，具有較高的知名度。2.2.5常見主流CAD/CAM軟件簡介

1．UG軟件

UG是UNIGRAPHICSⅡ的簡稱，起源于美國的麥道(MD)公司，20世紀90年代起歸屬于全球最大的信息技術(shù)(IT)服務公司——EDS公司。UG是一個集CAD、CAE和CAM于一體的計算機輔助設計與制造集成系統(tǒng)，適合于航空航天器、汽車、通用機械以及模具等的設計、分析及制造。UG的顯著特點是其工程背景具有很強的設計制造功能，是混合建模技術(shù)的提倡者和首先使用者，也是第一個將CAQ和智能CAD(ICAD)集成到系統(tǒng)中的軟件。UG的CAM功能被認為是業(yè)界中最好和最具代表性的。

UG系統(tǒng)獨到、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫真正實現(xiàn)了CAD、CAE、CAM各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自由切換，便于實施并行工程。在幾何建模方面，UG采用基于約束的特征建模和實體建模無縫地結(jié)合成一體的混合建模技術(shù)，并具有很強的曲面建模功能和強大的自由曲面模型編輯功能，對于逆向工程，可通過曲線/點網(wǎng)格來定義形狀或通過點云來擬合形狀。

UG的裝配建模功能支持并行的、自上而下的產(chǎn)品開發(fā)方法，具有動態(tài)裝配過程仿真功能。

UG提供了很好的工程制圖功能，設計者可以直觀地從三維實體模型得到二維工程圖，并可保證隨著實體模型的改變而同步更新工程圖尺寸。強大的NC編程功能是UG的一大特點，UG提供了包括車削、銑削、線切割等在內(nèi)的各種加工方法，可以進行2軸～5軸聯(lián)動的復雜曲面的加工(詳見第6章)。

UG提供了方便有效的CAE分析功能，如有限元分析、機構(gòu)分析、注塑流動分析(Moldflow)等。此外，UG還提供了一系列實用性很強的其它功能模塊，比如鈑金件設計(SheetMetalDesign)、電氣配線(Harness)、快速成型(RapidPrototyping)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Manager)、數(shù)據(jù)交換等。

2．Pro/Engineer(Pro/E)軟件

Pro/Engineer是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)的著名軟件產(chǎn)品，采用了先進的基于特征的參數(shù)化設計技術(shù)，使設計工作十分靈活和簡便。Pro/E備有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，并具有較強的參數(shù)化設計、組裝管理、加工過程及刀具軌跡生成等功能。它還提供各種現(xiàn)有標準交換格式的轉(zhuǎn)換器以及與著名的CAD、CAE系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的專用轉(zhuǎn)換器，所以也具備集成化功能。

Pro/Engineer提供了70多個模塊供用戶選擇配置適合自己的系統(tǒng)。其中，主要模塊功能包括：三維造型；參數(shù)化功能定義；零件組裝造型；工程圖的生成輸出；二維或三維裝配圖組裝設計及參數(shù)化裝配管理；復雜形狀特征造型和復雜型面造型的功能；實體模型的有限元網(wǎng)絡自動生成及有限元分析；數(shù)控自動編程及刀具路線軌跡仿真。Pro/E軟件的主要特點表現(xiàn)在基于特征參數(shù)化設計方面，其實體特征或曲面特征一般是通過一個或幾個剖面創(chuàng)建的。剖面是由以參數(shù)化草圖為基礎(chǔ)的二維輪廓構(gòu)成的，包括尺寸、幾何約束或尺寸參數(shù)關(guān)系式等，修改剖面尺寸會產(chǎn)生新的特征形狀。其三維實體模型和二維工程圖是關(guān)聯(lián)的，同時與零件裝配、零件加工等其它相關(guān)數(shù)據(jù)也具有關(guān)聯(lián)性。Pro/E提供了與其它CAD/CAM系統(tǒng)間各種標準數(shù)據(jù)的交換功能；同時還具有模具設計、鈑金設計、電纜布線等專門模塊。

3．CATIA軟件

CATIA(Computer-GraphicsAidedThree-DimensionalInteractiveApplications)即計算機輔助三維圖形交互應用軟件包，是法國達索公司研制開發(fā)的三維幾何造型功能很強的交互式CAD/CAM軟件。它本身具有三維設計、高級曲面、工程繪圖、數(shù)控加工編程、結(jié)構(gòu)設計和鋼結(jié)構(gòu)件、有限元計算分析等方面的功能；能方便地實現(xiàn)二維元素與三維元素之間的轉(zhuǎn)換；具有平面或空間機構(gòu)運動學方面的模擬及分析功能。它的主要特點是提供用戶從概念設計、風格設計、詳細設計、工程分析、制造到應用軟件開發(fā)等面向過程的設計思想和解決方案；采用1～15次Bezier曲線面和非均勻有理B樣條計算方法，具有很強的三維復雜曲面造型和加工編程能力，適用于飛機、汽車等復雜機械產(chǎn)品的外形幾何設計和數(shù)控加工編程；同時提供統(tǒng)一的用戶界面數(shù)據(jù)管理和豐富的應用程序接口。

4．SolidWorks軟件

SolidWorks是由美國SolidWorks公司研制開發(fā)的基于特征的實體建模技術(shù)機械CAD系統(tǒng)，也是最早在Windows平臺下開發(fā)的商品化系統(tǒng)。它采用參數(shù)化設計技術(shù)，可以用來進行零件設計、裝配設計和工程繪圖。SolidWorks使用的特征分為草圖和應用型特征兩類。草圖特征以2D設計為基礎(chǔ)，一般地，這種草圖可以通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描轉(zhuǎn)化為實體。應用型特征是直接在實體模型上生成倒角和溝槽等。SolidWorks支持VisualBasic、VisualC++或任何支持OLE的程序設計語言來做二次開發(fā)。

5．Cimatron軟件

Cimatron軟件是以色列Cimatron軟件公司開發(fā)的著名的CAD/CAM軟件。該軟件提供了產(chǎn)品的裝配設計、零件設計、工程圖輸出、NC加工編程、模具設計和電極設計等眾多模塊，在汽車、航空航天、電子、消費類商品等多個行業(yè)得到了廣泛應用。特別是最近推出的CimatronE版本，比原先在DOS環(huán)境下的Cimatronit版本的操作界面更友好，更便于操作。

CimatronE的零件造型采用混合建模技術(shù)，融合了線框、曲面和實體造型的功能，結(jié)合參數(shù)化和特征技術(shù)，提供一個高效的、參數(shù)化的造型設計模塊用于零件模型的建立。CimatronE的工程繪圖模塊可方便地將三維幾何模型轉(zhuǎn)換成工程圖紙，同時提供了裝配樹管理、自動BOM表單生成、坐標標注等功能。

CimatronE的加工編程功能非常有特色，并在國內(nèi)擁有眾多的用戶。該軟件提供的智能化2～5軸數(shù)控加工編程功能，支持數(shù)控銑削、車削、鉆、鏜、線切割的加工編程；具有基于殘留毛坯、曲面輪廓、等高分層、環(huán)繞等距、曲面流線、角落清根等多種刀具軌跡控制方式；同時，系統(tǒng)提供了刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理等功能。另外，CimatronE提供了具有特色的專業(yè)模具設計和電極設計功能，利用拆模向?qū)Э煽焖偻瓿煞帜ＴO計；同時，還提供了強大的參數(shù)化設計的標準件生成工具及通用的標準模架庫。系統(tǒng)的快速電極設計功能使用戶可在電極向?qū)Чぞ叩囊龑拢啽愕刂谱鞒鲞M行復雜模具型腔加工所需的電極，并生成電極工程圖。

6．DELCAM軟件

DELCAM是英國DelcamInternational公司開發(fā)的CAD/CAM集成軟件,適用于復雜形體零件及工模具的設計與制造。它廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、內(nèi)燃機、家用電器、輕工業(yè)產(chǎn)品等行業(yè)，特別在塑料模、壓鑄模、橡膠模、鍛模、大型覆蓋件沖壓模、玻璃模具的設計與制造方面具有比較明顯的優(yōu)勢。其主要模塊有：

(1)?PowerMILL：具有智能化、面向模型、面向工藝特征的CAM加工系統(tǒng)(2～5軸)。

(2)?PowerSHAPE：由概念設計到產(chǎn)品制造的綜合設計系統(tǒng)，它將曲面建模與特征實體建模結(jié)合起來，發(fā)揮曲面建模與實體建模雙重優(yōu)勢。

(3)?PowerINSPECT：在線檢測系統(tǒng)。與三坐標測量機、檢測臂及CNC數(shù)控設備集成，可用于對具有復雜曲面的精密零件進行在線檢測，并與原始數(shù)據(jù)進行對比分析。此外，目前國內(nèi)常用的三維CAD/CAM軟件還有許多，如美國Autodesk公司的MDT和Inventor、美國CNC公司的MasterCAM等。近些年來，國內(nèi)開發(fā)的部分CAD/CAM軟件的用戶群也在不斷擴大，如北京北航海爾軟件公司的CAXA系列軟件等。2.3CAD/CAM的網(wǎng)絡環(huán)境2.3.1計算機網(wǎng)絡概述計算機網(wǎng)絡是計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡是利用通信線路將地理位置分散的、具有獨立功能的許多計算機系統(tǒng)連接起來，按照某種協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)資源共享的信息系統(tǒng)。

1．計算機網(wǎng)絡的構(gòu)成一個典型計算機網(wǎng)絡由四種組件組成：服務器、客戶機、介質(zhì)和協(xié)議，如圖2.7所示。

(1)服務器。服務器是一臺計算機。服務器允許網(wǎng)絡上的多個用戶訪問其軟件程序和數(shù)據(jù)文件，同時提供各種網(wǎng)絡服務并肩負網(wǎng)絡管理的功能。按服務器主要提供的網(wǎng)絡資源的不同，可將服務器分為文件服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器、電子郵件服務器和打印機服務器等。圖2.7典型計算機網(wǎng)絡

(2)客戶機?？蛻魴C是指一個享用服務器共享資源的計算機。要成為客戶機的計算機，必須安裝相應的硬件和網(wǎng)絡通信軟件。例如，具有通用功能的客戶機需要安裝能夠訪問服務器文件和共享打印服務的軟件；電子郵件服務器要求其客戶機裝有特定的電子郵件客戶端軟件。一臺計算機可以同時成為許多服務器的客戶端。

(3)介質(zhì)。網(wǎng)絡中各結(jié)點之間的通信和數(shù)據(jù)交換通過傳輸介質(zhì)來進行。計算機網(wǎng)絡使用多種介質(zhì)，最普通的是電纜、光纖、微波等。常見的電纜包括同軸電纜和雙絞線。

(4)協(xié)議。在任何時候，當兩個實體開始通信時，它們必須使用一種雙方都能理解的語言，這種網(wǎng)絡通信所使用的語言就叫做協(xié)議。協(xié)議如同詞匯和語法規(guī)則。

2.計算機網(wǎng)絡的種類計算機網(wǎng)絡具有多種不同的分類方式，根據(jù)不同的建網(wǎng)原理和目的，可得到不同類型的計算機網(wǎng)絡。按網(wǎng)絡結(jié)點分布分類，可將網(wǎng)絡分為局域網(wǎng)LAN(LocalNetwork)、廣域網(wǎng)WAN(WideNetwork)和城域網(wǎng)MAN(MetropolitanNetwork)。按網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)分類，可將網(wǎng)絡分為星型網(wǎng)絡、總線型網(wǎng)絡、環(huán)型網(wǎng)絡、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡和混合型網(wǎng)絡。按交換方式分類，可將網(wǎng)絡分為線路交換網(wǎng)絡(CircuitSwitching)、報文交換網(wǎng)絡(MessageSwitching)和分組交換網(wǎng)絡(PacketSwitching)。按采用的協(xié)議分類，可將網(wǎng)絡分為以太網(wǎng)(Ethernet)、令牌環(huán)網(wǎng)(TokenRing)、FDDI網(wǎng)絡、X.35分組交換網(wǎng)絡、TCP/IP網(wǎng)絡、SNA網(wǎng)絡和異步傳輸模式網(wǎng)絡(ATM)等。另外，在CAM應用中，以現(xiàn)場總線為代表的工業(yè)控制網(wǎng)的使用日趨廣泛。所謂現(xiàn)場總線，是指連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的網(wǎng)路通信系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡，可使控制設備具有通信功能，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞。

3．計算機網(wǎng)絡的功能計算機網(wǎng)絡以共享為目的，概括地說，它應包括以下基本功能：

(1)數(shù)據(jù)通信。該功能為計算機網(wǎng)絡的基本功能，用于實現(xiàn)計算機與終端、計算機與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。

(2)資源共享。資源共享是計算機網(wǎng)絡的核心目標。通過計算機網(wǎng)絡，實現(xiàn)對硬件(如打印機、掃描儀、繪圖儀等)、軟件和信息的共享，可最大限度地降低成本和提高效率。

(3)遠程傳輸。通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)信息的遠程異地傳輸和協(xié)同工作。

(4)均衡負荷。通過網(wǎng)絡控制中心的實時檢測和動態(tài)分配機制，實現(xiàn)不同計算機系統(tǒng)的負荷均衡，以提高工作效率。

(5)分布式處理。計算機網(wǎng)絡的發(fā)展使得分布式處理成為可能，通過對大型項目的分布式處理，可達到提高效率的目的。

4．網(wǎng)絡通信協(xié)議計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是由各種各樣的計算機和終端設備通過通信線路連接起來的復雜系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，要使通信的各方能以協(xié)同方式進行通信，必須解決各方共同遵守約定標準等問題，這就是計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議問題。為了減少協(xié)議設計的復雜性，大多數(shù)網(wǎng)絡都按層或級的方式來組織：每一層都建立在它的下層之上；每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而把如何實現(xiàn)這一服務的細節(jié)對上一層加以屏蔽。一臺機器上的第n層與另一臺機器上的第n層進行對話時，通話的原則就是第n層協(xié)議。不同機器里包含對應層的實體叫對等進程。換言之，正是對等進程利用協(xié)議進行通信。

1)開放系統(tǒng)互連模型(ISO/OSI)國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連模型(OSI)，這是一個定義連接異種計算機標準的主體結(jié)構(gòu)，它為連接分布式處理的開放系統(tǒng)提供了基層。

OSI參考模型的基本構(gòu)造技術(shù)是分層技術(shù)，利用層次結(jié)構(gòu)，將開放系統(tǒng)的信息交換問題分解到一系列較易控制和實現(xiàn)的層次中，每個層次都在完成信息交換的任務中充當一個相對獨立的角色，具有特定的功能。OSI參考模型具有7層結(jié)構(gòu)，如圖2.8所示。圖2.8OSI參考模型

(1)物理層：提供為建立、維護和拆除物理連接所需要的機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，給出有關(guān)在物理鏈路上傳輸?shù)奈涣骷拔锢礞溌饭收蠙z測指示。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層：為網(wǎng)絡層實體提供傳送數(shù)據(jù)的功能，提供數(shù)據(jù)鏈路的流控、檢測，并校正物理鏈路產(chǎn)生的差錯。

(3)網(wǎng)絡層：控制分組傳送操作，即路由選擇、擁塞控制、網(wǎng)絡互連等。

(4)傳輸層：提供建立、維護和拆除傳輸連接的功能，選擇網(wǎng)絡層提供的最適宜的服務，在系統(tǒng)間提供可靠的透明的數(shù)據(jù)傳輸，提供端到端的流控制和錯誤恢復。

(5)會話層：提供兩個進程間建立、維護和結(jié)束會話連接的功能，提供交互會話的管理功能。

(6)表示層：表示應用進程數(shù)據(jù)，協(xié)商數(shù)據(jù)語法，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和文本壓縮。

(7)應用層：提供OSI用戶服務，例如事務處理程序、文件傳送協(xié)議和網(wǎng)絡管理等。

2)?TCP/IP參考模型圖2.9TCP/IP協(xié)議模型(與OSI協(xié)議對照)TCP/IP是20世紀70年代中期，美國國防部為其ARPANET廣域網(wǎng)開發(fā)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標準。到20世紀80年代，它被確認為因特網(wǎng)的通信協(xié)議。TCP/IP雖不是國際標準，但它是為全世界廣大用戶和廠商接受的網(wǎng)絡互連的事實標準。TCP/IP參考模型是將多個網(wǎng)絡進行無縫連接的體系結(jié)構(gòu)，其模型如圖2.9所示。圖2.9TCP/IP協(xié)議模型(與OSI協(xié)議對照)

TCP/IP是一組通信協(xié)議的代名詞，是由一系列協(xié)議組成的協(xié)議族。它本身只有兩個協(xié)議集：TCP為傳輸控制協(xié)議，IP為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

(1)互聯(lián)網(wǎng)層。它提供了無縫連接的分組交換服務。它的主要功能是使主機可以把分組發(fā)往任何網(wǎng)絡并使分組獨立地傳向目標(可能經(jīng)由不同的網(wǎng)絡)?；ヂ?lián)網(wǎng)層定義了正式的分組格式和協(xié)議，即IP協(xié)議。互聯(lián)網(wǎng)層的功能就是要把IP分組發(fā)送到應該去的地方。定義分組路由和避免阻塞是該層的主要工作。

(2)傳輸層。它的功能是使源端和目的端主機上的對等實體可以進行會話。這里定義了兩個端到端的協(xié)議。第一個是傳輸控制協(xié)議TCP，它是一個面向連接的協(xié)議，允許從一臺機器發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)上的其他機器。第二個是用戶數(shù)據(jù)描述協(xié)議(UserDatagramProtocol，UDP)，它是一個不可靠的無連接協(xié)議，用于不需要TCP的排序和流量控制能力而由自己完成這些功能的應用程序。

(3)應用層。TCP/IP模型沒有會話層和表示層。傳輸層的上面是應用層，它包含了所有的高層協(xié)議，如虛擬終端協(xié)議、文件傳輸協(xié)議和電子郵件協(xié)議等。

(4)主機至網(wǎng)絡層。TCP/IP參考模型沒有真正描述這一部分，只是指出主機必須使用某種協(xié)議與網(wǎng)絡連接，以便能在其上傳遞IP分組。這個協(xié)議未被定義，并且隨主機和網(wǎng)絡的不同而不同。

TCP/IP提供了許多網(wǎng)絡服務，目前大多數(shù)CAD/CAM網(wǎng)絡均把它作為實用的網(wǎng)絡協(xié)議。

3)?MAP/TOP協(xié)議

MAP/TOP協(xié)議是兩個協(xié)議的總稱。MAP(ManufacturingAutomaticProtocol)是美國通用汽車公司(GeneralMotor，GM)提出的專門用于生產(chǎn)自動化的局域網(wǎng)協(xié)議。TOP(TechnologyandOfficeProtocol)是美國波音公司研制與開發(fā)的一種用于辦公自動化的協(xié)議。兩者的開發(fā)背景相似，都采納了ISO/OSI的七層協(xié)議模型，并在許多層次上有相同的定義。

MAP網(wǎng)絡協(xié)議的目標是在不同廠家生產(chǎn)的計算機、可編程控制器和數(shù)控機床、機器人等設備之間有效地實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)文件、NC程序、控制指令和狀態(tài)信號等信息功能。而TOP協(xié)議期望在不同廠家的計算機和可編程設備間提供文字處理、文件傳輸、電子郵件、圖形傳輸、數(shù)據(jù)庫訪問和事務處理等服務功能。MAP/TOP正好從工廠兩大主要信息交換領(lǐng)域即技術(shù)、管理信息和生產(chǎn)控制信息方面規(guī)定了相應的通信協(xié)議。MAP適用于生產(chǎn)車間、單元控制級，TOP適用于工廠管理及工程設計。

MAP/TOP3.0版本的主要功能分為應用層、表示層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層等。與TCP/IP相比，MAP/TOP增加了會話層并實現(xiàn)了表示層協(xié)議，還包括了應用層的多種服務，因而有成為CIMS網(wǎng)絡主要協(xié)議的趨勢，有著廣泛的應用前景。但ISO/OSI協(xié)議模型及MAP/TOP網(wǎng)仍處于發(fā)展完善之中，目前國內(nèi)應用尚不普遍。2.3.2Internet/Intranet技術(shù)

1．Internet

Internet是信息技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的產(chǎn)物。它是一個開放的、互聯(lián)的、遍及全世界的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，是一個使世界上不同類型的計算機能交換各類數(shù)據(jù)的通信媒介。在當今的計算機網(wǎng)絡應用中，它是最受重視、發(fā)展最快、對人類社會影響最大的一項新技術(shù)，是所有基于TCP/IP的計算機網(wǎng)絡的集合。Internet的內(nèi)涵及特點如下：

(1)?Internet的通信協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議。

(2)?Internet是構(gòu)筑于現(xiàn)代通信技術(shù)之上并且持續(xù)發(fā)展的全球化數(shù)字信息庫。這個信息庫提供了創(chuàng)立、瀏覽、訪問、搜索、閱讀和交流信息等服務。

(3)Internet是一個邏輯上的概念，它不同于局域網(wǎng)(LAN)、ATM網(wǎng)等。因為局域網(wǎng)和ATM網(wǎng)等都是基于物理概念的，而Internet是一個超越國界、面向公眾并由許許多多的資源、知識與信息所組成的全球網(wǎng)絡。

(4)?Internet是世界上最大、最為流行的計算機網(wǎng)絡，同時也是目前影響最大的一種全球性、開放性的信息資源網(wǎng)，是信息時代的基礎(chǔ)，是未來社會的信息命脈。

Internet的主要信息服務方式有以下幾種：

(1)電子郵件(E-mail)。

(2)遠程登錄(Telnet)。遠程登錄使用支持Telnet協(xié)議的軟件。Telnet協(xié)議是TCP/IP通信協(xié)議的終端機協(xié)議。Telnet使用戶能通過注冊的方式從與Internet連接的一臺主機進入Internet上的任何一臺計算機系統(tǒng)。

(3)文件傳送(FTP)。FTP是文件傳輸?shù)闹饕ぞ撸梢詡鬏斎魏胃袷降臄?shù)據(jù)文件。用FTP可以訪問Internet的各種FTP服務器。

(4)?Web。Web是傳輸各種文檔(包括文件、圖形、語音、視頻等)給遠程訪問者的平臺。WWW是目前使用最廣泛的Internet服務，它采用超文本(hypertext)的或超媒體的信息結(jié)構(gòu)，使用WWW時，是按照超文本的鏈指針查找和瀏覽信息的。

(5)?News。Internet上有許多消息群(newsgroup)，每個消息群討論一個特定主題，用戶可以在上面互相討論問題，交流各自的想法。除此之外，還包括電子公告牌、電子論壇、名錄服務、網(wǎng)上交談等服務。

2．Intranet

Intranet泛指企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，是企業(yè)將Internet中的Web技術(shù)、瀏覽器/服務器模式應用于本企業(yè)的網(wǎng)絡而形成的企業(yè)“內(nèi)聯(lián)網(wǎng)”。Intranet的概念是Internet在全球發(fā)展到一定程度的背景下提出的。它是指在有限的范圍內(nèi)，利用Internet的系列成熟標準構(gòu)筑企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它充分利用Internet的軟/硬件技術(shù)，以TCP/IP協(xié)議和Web模型作為標準平臺，構(gòu)建起企業(yè)內(nèi)的各類業(yè)務信息系統(tǒng)。

Intranet是用Internet的技術(shù)和標準(如TCP/IP、HTTP、SMTP、HTML等)來建立的企業(yè)Internet。當前業(yè)界公認的Intranet所包括的8項服務是：Web電子出版、目錄服務、電子郵件、安全性管理、廣域網(wǎng)絡互聯(lián)、文件、打印和網(wǎng)絡管理。圖2.10典型的防火墻體系結(jié)構(gòu)由于Intranet是建立在企業(yè)內(nèi)部范圍內(nèi)的，因而外來者的訪問要受到“防火墻”的限制。防火墻(NetworkFirewall)可以是一個概念，也可以是一個軟件產(chǎn)品。無論是否選用防火墻軟件，企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的安全都要包括諸如IP層的隔離、客戶端的授權(quán)、用戶授權(quán)、傳輸層的加密等基本內(nèi)容。圖2