CADCAECAM原理与应用(西安交大)-第二章

第二章CAD系统的硬件主要内容2.1CAD/CAM系统的体系结构2.2CAD/CAM系统分类2.3CAD/CAM系统的硬件2.43D数据获取及其应用

22.1CAD/CAM系统的体系结构

CAD/CAM系统由硬件和软件两大部分构成。硬件由计算机及外围设备组成，是CAD/CAM系统的物质基础。软件是指计算机程序及相关文档，是信息处理的载体。

32.2CAD/CAM系统分类根据计算机性能和类型不同，可将CAD/CAM系统分为大型机系统、小型机系统、工程工作站系统及微型机系统四种类型。按照CAD/CAM系统的计算机连接方式，可分为：单机系统和联机系统。

1．按使用的计算机类型划分

(1)大型机CAD/CAM系统

大容量的存储器，并以计算功能极强的大型计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百台图形和字符终端及其他图形输入和输出设备。4(1)大型机CAD/CAM系统

主要用户：大型的飞机制造公司和船舶制造公司。主要厂家：IBM、CDC、Honeywell等；主要产品：CADAM、CATIA、CADDS等。5(1)大型机CAD/CAM系统★

主要优点：①具有一个大型数据库，可对数据实行综合管理和维护；②计算速度快；③给企业的集成管理带来方便；④提高了企业在设计、制造方面的效率；★

主要缺点：①安全性能低，如果主机出现故障，则整个系统都不能工作；②终端距离不能太大；③随着计算机总负荷的增加，系统的响应速度将降低。6(2)小型机CAD/CAM系统20世纪70年代末至80年代初，这类系统处于蓬勃发展时期。★主要生产厂商：美国的CV、Intergraph、DEC、Calma、Unigraphics和法国的Euclid等。7(2)小型机CAD/CAM系统★特点：具有一定的局限性，如系统计算能力和扩充能力差;

不同系统的数据存储格式不相同，不同系统之间很难进行数据交换。

20世界80年代中期，由于分布式工程工作站的问世和异种机之间联网技术的发展，促进了这种孤立系统向开放式系统发展，而系统使用的软件也逐渐向工业标准方向靠拢。8(3)工程工作站组成的CAD/CAM系统9(3)工程工作站组成的CAD/CAM系统工作站是集计算、图形图像显示、多窗口、多进程管理为一体的计算机设备、介于个人机与小型机之间的一种计算机，通常具有较高的性能、良好的人机界面，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。工作站是20世纪90年代CAD/CAM系统的主要机器。★特点：一台工作站只能一个人使用，并且具有较强的联网功能，其处理速度很快，一般都赶上或超过了过去的小型机的速度。这类工作站一般都以Unix为操作系统。★主要生产厂商：

IBM、CDC、DEC、HP、Sun及SGI。10(4)PC微型机组成的CAD/CAM系统随着微机性能的不断提高，价格的不断下降，以PC机组成的CAD/CAM系统逐渐成为主流。不仅能够进行二维拼图和绘图，可以进行三维造型和复杂的分析计算。现在的微机已能与大型机和小型机及工作站联网，成为整个网络的一个节点，共享主机和工作站资源。

这样，大型机系统、工作站系统、PC机系统就不再相互割裂，而成为一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得原来在小型机和工作站上运行的CAD/CAM软件直接在微机上运行。11(4)PC微型机组成的CAD/CAM系统122．按计算机的连接方式划分在实际应用中，按照CAD/CAM系统的计算机连接方式可分为：网络环境下的CAD/CAM系统和单机环境下的AD/CAM系统。(1)单机方式的CAD/CAM系统单机方式的CAD/CAM系统由一台计算机加上输入、输出设备组成，供单一用户使用。

13(2)联机方式的CAD/CAM系统由一组连成网络的多台计算机组成，网络内的计算机一部分面向用户的数据处理，一部分控制整个网络的通信。

联机方式的CAD/CAM系统又分为集中式和分布式。a)集中式集中式采用一个服务器与多个用户(工作终端)相联。这种方式结构简单，但若主机出现故障，系统将完全瘫痪，因而要求主机具有极高的可靠性。2．按计算机的连接方式划分14b)分布式分布式系统是利用计算机技术及通讯技术将不同种类的分布于各处的计算机以网络形式联结起来，各计算机间的通信既可通过总线进行，也可按已知路径传输，而不需要控制主机加以集中管理。＊优点：①系统的软、硬件资源分布在各个结点上，可靠性相对较高。②网络上的硬件如绘图仪、打印机等设备和软件可以共享。2．按计算机的连接方式划分152．按计算机的连接方式划分162.3CAD/CAM系统的硬件

硬件是一切可以触摸到的物理设备，对于一个CAD/CAM系统，可以根据系统应用范围和相应的软件规模，选用不同规模、不同结构、不同功能的计算机、外围设备以及生产加工设备。172.3CAD/CAM系统的硬件1.主机

主机是计算机的核心，由中央处理器(CPU)、内存储器和主板组成，用来控制整个计算机系统的运行。决定了系统的性能。(1)中央处理器

中央处理器由控制器和运算器组成，主要功能是处理数据。

CPU性能的高低决定了计算机整体性能的优劣。衡量CPU性能的指标是数据处理速度和字长。

字长是计算机一次能同时处理数据的位数，有8位、16位、32位和64位等几种。字长大的计算机处理速度更快。数据处理速度表示每秒处理指令的平均数。18中央处理器酷睿i7E96519(2)内存储器内存储器又简称为内存，其功能是暂时存储CPU工作的程序和数据，按性质的不同，又可分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。随机存储器就是指市场上所销售的内存条。现在CAD/CAM系统对内存的要求越来越高，一般至少达到256M。只读存储器用来制成主板上的BIOS，主要存放最常用而又固定不变的引导程序和基本输入输出程序等。2.3CAD/CAM系统的硬件20金士顿内存条21(3)主板

主板是一块带有许多功能芯片的印刷电路板，用来把如CPU、内存、显示卡等电器元件连接在一起，从而起到桥梁纽带作用。主板的性能对计算机速度影响很大，而主板的性能取决于芯片组的性能。芯片组控制着内存I/O、总线I/O及硬盘控制器，负责处理中断请求和DMA访问。目前Intel系列芯片组设计的微机主板在市场上占主流地位。

2.3CAD/CAM系统的硬件22(3)主板微星主板23Wearcharacterizationbyanon-lineferrographimage(2)图形加速卡

3D图形加速技术，以前主要用于高档图形工作站上的机械、电路和建筑CAD设计。随着3D图形软件特别是3D游戏软件的大量出现，3D图形加速软件技术开始用于PC机，这也就促使3D图形加速硬件技术应用于图形显示卡，推出了3D图形加速卡。

画一个三维图形先画出几何图形的线条，再进行图形表面的图像绘制，这两个步骤都需要进行大量的数学计算。如果是动态的3D图形，则还有实时性要求，。目前市场上流行的3D显示卡都是将几何图形的处理交由主机CPU实现，而表面图像的绘制由3D加速卡实现。2.3CAD/CAM系统的硬件243D图形加速芯片具有如下功能：

1．Z缓冲

是一项三维图形的消隐（遮挡）技术，硬件实现Z缓冲可提高速度。

2．颜色插值

颜色插值是一种处理表面图像颜色的技术，它可以快速营造3D图形表面颜色的深浅、明暗和清晰模糊等效果。

3．纹理映射

纹理映射是对3D图形表面花纹的细节描绘，通过复杂的算法可以绘制出质感好和凹凸感真实的图像。

4．其它

另外还有图像透明处理、光线跟踪、场景雾化和渲染等许多功能。2.3CAD/CAM系统的硬件252．外存储器(1)硬盘

硬盘是计算机系统中最主要的外存设备，用于存储频繁使用的大量数据。它由驱动器、控制器和盘片组成。(2)光盘

光盘主要用于机外数据的存储，光盘存储器可分为只读型光盘(CD-ROM)，只写一次型光盘(WORM)和可擦写型光盘三种类型。

262．外存储器273．输入设备输入设备是将各种外部数据转换成计算机内部能识别的电脉冲信号的设备。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪及其他设备等(1)键盘键盘是最常用的输入设备，它可将字符型数据输入到计算机，还可进行定位、拾取等工作。(2)鼠标鼠标在工作原理上分为机械式和光电式两种。在CAD/CAM系统中，鼠标的左键、中键和右键都被赋予了特殊的用途，因此，作为CAD/CAM系统的工作站应选用3键鼠标。283．输入设备光电鼠标光电管照明并记录栅格无线鼠标红外或篮牙系统：鼠标发射和USB连接接收器机械鼠标小球在表面滚动时，垂直安放的滚子监测X和Y方向运动变化，按键记录位置293．输入设备(3)数字化仪数字化仪又称图形输入板，主要用于输入图形的坐标值，其主要技术指标是分辨率和精度。在工作时必须与触笔或鼠标器配合使用。目前数字化仪逐渐被扫描仪所取代。30数字化仪313．输入设备

(4)扫描仪

采用激光等光学装置将光电信号变为电信号，输入到计算机中。扫描仪一般由扫描头、主板、机械结构及附件四部分组成。扫描仪的性能指标有分辨率、扫描速度、色彩位数等，其中，分辨率表示扫描仪的扫描精度，色彩数表示了扫描仪对色彩的分辨能力，其色彩位数通常有8位、24位等，位数越大，分辨力越强，相应的图像品质也越高。

32扫描仪

明基扫描仪33输出设备是将计算机处理后的数据转换成用户所需形式的设备。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。(1)显示器显示器是CAD/CAM的基本配置之一，用于文字和图形等信息的显示。根据显示器的工作原理，显示器分为阴极射线管(CRT)显示器、直观存储显象管(DVST)显示器、液晶显示器及等离子板显示器等。目前广泛使用的是CRT显示器和液晶显示器。显示器的主要技术指标包括对角线尺寸、分辨率、对比度等4．输出设备344．输出设备－矢量设备CRT（阴极射线管）电磁场控制电子束使磷放光，持续时间取决于镀层材料（10－60微秒）。刷新速度30－80次/秒，高于人的眼睛获取速度（23次/秒）354．输出设备-光栅设备分辨率取决于屏幕的象素数目，而数目取决于内存数和光束的分辨率 例如：13英寸屏幕（8X10英寸）

100X100象素/英寸2黑白显象，

1bit/象素（彩色或灰度不同时8bits）

80英寸2X10,000象素/英寸2=800,000bits36图形输出设备-光栅设备液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay等离子显示器PDP(PlasmaDisplayPanel）发光二极管显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）平面图像显示设备LCD与PDP具有同样的缺点，诸如反应速度慢，温度范围窄，尺寸与视角由限制平显技术有了很大的发展，越来越多的LCD和LED用在电视和计算机屏幕37LCD和等离子显示38CRT、LCD、PDP、LED比较CRT比LCD好的原因成本低，色彩丰富，反应快没有拖尾现象；利用发射技术扩大视角LCD比CRT好的原因小和轻，

能耗少；因为图像是由每个LCD象素显示图像鲜艳，降低视力应力和疲劳，辐射少与其他设备干扰少；总是有好的几何形状。LCD与LED相比LED能耗降低90%；LED视角范围更宽；LED低温极限高，零下40度；LED更薄39两种光栅显示设备(CRT和LCD)

描的方式生成图像传统的阴极射线管电视以扫

LCD显示一个象素表示一个光点，以增加图像质量采用象素，每

40(2)显示卡显示卡用于控制图形显示的具体实现，它接受显示指令的数字信息，通过显示处理单元，转换成显示装置所需要的电压值，再经电子枪将图形和文字显示在屏幕上。显示卡主要技术指标是显示缓存，具体大小是由显示分辨率、每个像素的色彩数、每个像素对应z方向的深度来确定(3)打印机打印机以纸为介质，将打印机处理后的结果变为永久性的可保留信息。按工作方式可分为击打式和非击打式两种。击打式打印机又可分为针式打印机、链式打印机、点阵式打印机、菊花式打印机等，非击打式打印机可分为喷墨打印机、激光打印机等。4．输出设备41丽台显示卡\惠普打印机424．输出设备(4)绘图仪绘图仪主要用于大型图纸绘制，有笔式、喷墨和激光式多种，目前在CAD/CAM系统中最常用的是喷墨绘图仪。喷墨式绘图仪实质上就是一台大幅面的喷墨打印机，其工作原理与喷墨打印机完全相同，它的机械结构主要包括六部分：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。(5)其他输出设备

其他输出设备有影像输出设备和语音输出设备等。

43惠普绘图仪4445（1）两种技术矢量绘图设备光栅扫描设备（例如－笔式绘图仪）（例如－点阵打印机激光打印机）用数组A（I，J)数组中每个元素为“0”或“1”说明：图形输出技术之比较

（1）好的分辨率（1）速度与图像无关

a）直线

b）光滑曲线（2）仅需很少的内存和指示 优点缺点（1）复杂图像成像慢 在CRT上抖动（2）着色困难且慢矢量光栅矢量光栅465．网络通讯设备网络通信设备一般包括网络适配器、集线器、交换机、传输介质和调制调解器等。

除前面介绍的基本配置外，对于一个功能完整的CAD/CAM硬件系统，还应配置数控机床等生产设备。47网络传输设备482.4CAD/CAM系统选择原则1.CAD/CAM系统的硬件选择原则具体应考虑以下几个方面：(1)系统功能CPU的数据处理能力、运算速度；内、外存容量；输入/输出性能；图形显示和处理能力；接口及通信功能。(2)系统的开放性和可移植性开放性：①独立于制造厂商、并遵循国际标准的应用环境；②为各种应用软件、数据、信息提供交互操作和移植界面③新安装的系统应能与原安装的计算机环境进行交互操作49CAD/CAM系统选择原则

可移植性：应用程序从一个平台移植到另一个平台上的方便程度。(3)系统升级扩展能力由于硬件的发展更新很快，为保护用户的投资不受或少受损失，应注意欲购买产品的内在结构是否具有扩展和升级能力，能否向下兼容。(4)系统的可靠性，可维护性和服务质量可靠性：在给定时间内，系统运行不出错的概率。应注意了解欲购产品的平均年维修率、系统故障率等指标。

可维护性：排除故障以及满足新的要求的难易程度。50CAD/CAM系统选择原则(1)软件性能价格比

运行稳定可靠、容错性好、人机界面友好，价格合理。

(2)与硬件匹配若软、硬件都需配置，应先选软件，再选硬件；若已有硬件，只配软件，则要考虑硬件能力，配备相应档次软件。

(3)二次开发环境(4)开放性(5)软件商的综合能力51其他显示设备52数字光处理™-DLP™由德州仪器公司生产的基于半导体,的显示(1993)一个小平镜安装在DLP™投影系统的小悬臂上可以倾斜或离开光源(ON/OFF)-生成亮或暗点在投影平面.DLP™投影系统的的灯泡产生白光当它投到投影平面时通过一个彩色转轮.DLP™投影系统1-芯片和3-芯片系统53光真空管显示54高性能计算与高端虚拟化55虚拟现实和工厂设计56572.43D数据获取及其应用

从测距传感设备或3D摄像机得到的3D图像/数据–根据它们的x,y,z坐标定义数据点(可以是点数据)。3D数据获取包括：

基于CAD模型的机器视觉生成

反求工程

机器视觉和智能机器人

车辆尺寸测量和交通监视

扫描3D物体,人体,艺术作品

图像获取设备机械传感器(测量和扫描)激光扫描

*基于三角测量测距传感设备

*基于消耗时间测距传感设备

58以自由形状的汽车设计为例59汽车设计和CAD模型生成60根据3DCAD模型用5轴CNC铣床加工的全尺寸泡沫塑料汽车模型61根据3DCAD模型用5轴CNC铣床加工的全尺寸泡沫塑料汽车模型62从3D扫描生成的CAD模型63用机械传感器扫描6465利用多个图像3D测距和物体/工作空间建模66一、用3D位置传感器(摄像机)

获得