1 緒論 機電系統就是機電一體化系統，機電一體化系統是光、機、電、液、控制技術和軟件技術集成起來而形成的復雜系統。 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構實現運動的裝置，通過與電子、軟件技術相結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。圖1-0 所示的是構成和支撐機電一體化的學科和技術。l 計算機工程學l 信息處理l 通訊工程學l 測試技術l 傳感技術l 系統工程學l 生產工程學控制、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迅速發展的原因，可以歸納為如下的幾個方面：1） 半導體和集成電路技術的不斷發展和價格越來越低；2） 計算機及其編程語言和應用技術的進步；3） 控制技術和仿真技術的不斷發展；4） 小型化、功能強的傳感器和執行裝置的進步等。由于上述各個方面今后還將不斷發展，所以可以預見機電一體化將還會有更加廣闊的發展前景。但機電系統組成的復雜性和技術復雜性給其設計帶來了新的問題，單一學科的人員難以完成，一般是多學科小組形式的開發團隊形式。計算機輔助設計（Computer aided design - CAD）成為機電系統開發的必備工具。本書主要分析計算機輔助機電系統設計中存在的諸多問題和關鍵技術，為機電系統的開發提供技術支持。本章簡要介紹CAD技術的發展、特點和應用，并對其常用的計算機及外圍設備、圖形設備、CAD軟件和集成系統的組成及其特點進行討論。通過本章的學習，可使讀者了解國內外常見的CAD系統的功能特征，并能正確地選擇CAD系統應用于工程和產品設計。11 CAD技術的發展和應用111 發展過程計算機輔助設計主要研究用計算機、外圍設備、圖形輸入輸出設備和相應的軟件幫助人們進行工程和產品設計的技術，它是隨著計算機、外圍設備、圖形設備及其軟件的發展而發展的。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，為之配置的圖形設備僅具有輸出功能，CAD技術處于被動式的圖形處理階段。2蓬勃發展和進入應用時用（20世紀 60年代） 1962年美國 MIT林肯實驗室的 I. E. Sutherland發表了“Sketchpad：一個人機通信的圖形系統”的博士論文，首次提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構等新思想，從而為CAD技術的發展和應用打下了理論基礎。60年代中期出現了許多商品化的CAD設備，如1964年美國IBM公司推出了商品化的計算機繪圖設備，美國通用汽車公司的多路分時圖形控制臺，可實現各階段的汽車設計。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。在此時期出現了廉價的固體電路隨機存儲器、產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備，出現了面向中小企業的 CAD/CAM商品化系統。70年代末，美國CAD工作站安裝數量超過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5000套，1983年超過12000套，1988年發展到63000套。CAD/CAM技術從大中企業向小企業擴展，從發達國家向發展中國家擴展，從用于產品設計發展到用于工程設計和工藝設計。5開放式、標準化、集成化和智能化的發展時期（20世紀90年代） CAD技術和系統的開放性取決于其所用計算機和系統軟件的開放性。由于微機加Windows 95/98/NT操作系統與工作站加Unix操作系統在以太網的環境下構成了CAD系統的主流工作平臺，因此，現在的CAD技術和系統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 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），基本圖形轉換規范 IGES（initial graphics exchange specification）和產品數據轉換規范STEP（standard for the exchange of product model data）等。這里的標準有些是面向圖形設備的驅動程序包，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系統的文檔規范。這些由國際標準化組織（ISO）制定的標準為CAD技術和系統的推廣、移植和信息資源共事起到了重要的作用。 CAD技術的集成化主要體現在四個方面： （1） 系統構造由過去單一功能變成集成功能，軟構件和軟總線技術普遍采用，出現了由計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助制造（CAM）/計算機輔助工程（CAE）/計算機輔助工藝設計（CAPP）/產品數據管理（PDM）等功能模塊構成的計算機集成制造系統（CIMS）。 （2） CAD技術中的有關軟件（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有關軟件和算法的功能。 （3） 多處理機、并行處理技術用于CAD中，使工作速度成數量級地提高。 （4） 網絡技術在CAD中被普遍采用，使近程和遠程的資源都能即時共享，實現了異地、協同、虛擬設計和制造。在CAD系統中綜合應用正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術和人工智能、專家系統等技術大大提高了自動化設計的程度，出現了智能CAD的新學科。智能CAD把工程數據庫及其管理系統、知識庫及其專家系統、擬人化用戶接口管理系統集于一體，形成如圖111所示的結構。集成化、智能化CAD技術與系統是真正實現設計自動化的關鍵。專家系統（知識庫）工程數據庫管理系統各種應用子系統圖像處理系統數據庫用戶圖1.1.1 智能CAD系統l12 應 用我國科學技術部在CAD應用工程2000年規劃級要中指出：“到2000年，在國民經濟主要部門的科研、設計單位和企業中全面普及推廣CAD技術，實現甩掉圖板（指傳統設計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國 CAD市場，扶持發展以 CAD為突破口的我國自主創新的軟件產業，建立起我國的CAD產業”。重點在機械制造業的大中型骨干企業和科研單位中普及應用CAD技術；同時，在全國各類企事業單位中大規模應用CAD技術。到 2000年，機械制造業應用 CAD技術的普及率和覆蓋率均達 70%以上，CAD應用水平達到國外工業發達國家80年代末、90年代初的水平。工程設計行業CAD普及率和覆蓋率均達到100%，實現勘察設計手段從傳統的手工方式向現代化方式轉變，CAD應用水平達到國際90年代中期先進水平。廣義CAD的應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、有限元分析與優化設計、工藝設計、數控加工、仿真模擬、產品數據管理、制造資源管理、企業資源管理、異地協同虛擬設計制造等內容。CAD技術的應用歸納起來主要有以下幾個方面。1工程和產品設計工程和產品設計包括的范圍很廣，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、影視片等產品，小到衣服、鞋、帽、頭發、廣告畫等。超大規模集成電路的設計制造離開CAD將無法進行。沈陽變壓器廠用CAD技術輸出三峽工程項目三維彩色產品設計圖和計算機分析的數據，從而贏得了三峽工程的招標項目；滬東造船廠應用 CAD技術后，生產技術準備周期縮短1/3以上，造船的設計開發能力提高一倍，使其從粗放的造船模式向精密造船模式轉化；西北電力設計院用CAD系統建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設計方案自動校驗，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用 CAD技術，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多萬米的管道設計中，施工結束后剩余鋼管不到10米，鋼結構壓縮機廠房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計算機藝術和影視、動畫片制作應用高性能的CAD系統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；在電影界可用來產生動畫片和電影片的特技鏡頭以及數字電影。3事務處理在事務處理中采用CAD技術可繪制各種形式的統計圖表，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中信息流、控制流的運作情況。4繪制測量圖用CAD技術繪制的地理、地形圖、礦藏勘探圖、氣象圖、人口分布密度圖以及有關的等值線、等位面圖，早已在生產建設中產生了巨大的作用。5機器人用CAD技術可以模擬各種形式的機器人、機械手及其運動環境。現在CAD技術已成為工程界普遍重視、深入了解、廣泛應用、不斷發展和提高的熱點，以后它所發揮的作用將會越來越大。113 應用CAD技術的優缺點CAD技術涉及的學科較廣泛，它基本上是計算機硬、軟件及其相應的應用專業學科的高度綜合，三者缺一不可。 CAD技術在工程和產品設計中所起的作用如圖112所示。CAD技術是人用計算機硬、軟件幫助進行工程和產品設計的一種手段。要正確應用CAD技術，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 機邏輯方法經驗的直覺，幻想和直觀系統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，沒有創造性，必須由人告訴它如何工作。從構造設計邏輯、信息處理、修改和分析等四個方面來看，人和計算機各有優勢，只有把人的直觀處理、經驗繼承、創新能力和計算機高速度、大容量、精確的數字處理能力結合起來，才會產生好的效益。由此也告訴我們對CAD技術的學習和應用必須要有一個正確的認識。具體而言，應用CAD技術的優越性有： （1） 減少繪圖勞動量。 （2） 減少各工序間的周轉時間。 （3） 減少直接設計費用。 （4） 提高精度。 （5） 便于企業內部的管理和對外聯系。 （6） 易于修改設計。 （7） 易于建立標準圖及標準設計庫。 （8） 易于廣泛應用標準圖和標準設計。總之，應用CAD技術可以縮短設計周期，節省人力物力，降低成本，提高質量。但CAD技術的應用也會產生一些負作用，具體表現為：（l） 初始投資（硬件、軟件、機房、培訓費）相當大，對于一些中小企業常常負擔不起。（2） 由于設計員、操作員對CAD系統及有關技術不熟悉，已有的應用資料和經驗數據還沒有輸入到CAD系統中去，在開始應用CAD系統的六個月內會出現生產力下降的現象。（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） 工程應用的專業人員需適當改行，或進行知識結構的調整和再學習。但這些不利因素大多數是暫時的，經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、常用外圍設備、圖形輸入輸出設備組成。121計算機及其常用外圍設備1計算機計算機在科學計算和事務處理中的作用已皆為人知，同樣它在CAD中也起著主導作用。計算機由輸入設備、輸出設備、運算器、內存儲器和控制器五部分組成，其結構框圖如圖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。在此結構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，用于數據處理、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結構的改進，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的計算機結構分別如圖123和圖l24所示。微型計算機CPU的發展趨勢如表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量級。2存儲器計算機的存儲器有內外之分，內存儲器由集成電路芯片構成，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據處理，用戶使用計算機處理的信息絕大多數存儲在磁盤（硬盤）上，即磁介質上。計算機可以將最基本的數據“0”和“l”電信號通過磁頭在磁介質上轉化為磁信號而完成記錄（寫）的過程；也可以將磁介質上已記錄的磁信號通過磁頭還原成“0”和“l”的電信號（讀）。目前，全球磁盤驅動器（HDD）年產銷量上億臺，盤徑130mm（5.25英寸）的單臺最高容量已超過45GB，90mm（3.5英寸）產品已達18GB，65mm（2.5英寸）產品容量已超過9GB；主軸馬達轉速為7200r/min，最高已達12000r/min。這對提高存取速度、盤片數據傳輸均有重要作用。近來，一種激光與磁學綜合的光學溫徹斯特技術可得到每平方英寸存儲5GB的巨大容量。隨著網絡多媒體應用的需求，磁盤接口除了EIDE，Ultra，SCSI外，高速光纖通道IEEE 1394等產品也已廣泛應用。（2）光盤： 光盤是用激光技術實現的一種海量存儲器，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聯盟開發出一種單面高密度光盤，容量達 3. 7GB；東芝/松下聯盟開發的一種雙面光盤容量達5GB。1997年可讀寫光盤已經普遍使用。1995年用激光技術實現的高密度數字光盤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除需一臺驅動器外，還需要一塊MPEG解壓卡。3計算機系統常用的計算機系統有單機和聯網工作方式兩種。單機工作方式如圖125所示。聯網又分為集中式、分布式和環網式，如圖126所示。4計算機網絡計算機網絡是計算機技術和通信技術相結合的產物。它利用通信設備和線路將地理位置不同、功能獨立的多個計算機系統互聯起來，以功能完善的網絡軟件（即網絡通信協議、信息交換方式及網絡操作系統等）實現網絡中的資源共享和信息傳遞。計算機網絡按其所處位置的遠近分為局域網（LAN）和廣域網（WAN）。LAN將計算機與外圍設備互聯起來，使用戶可以通信、共享資源，如數據庫、打印機、繪圖儀等，還可訪問其他計算機或其他網。WAN由遠程線路，如電話交換網、公用數據網、衛星等，將地理位置不同的兩個或多個局域網連接起來。網絡上設備之間的拓撲連接形式有：外存CPU用戶打印機（l）總線型：所有設備連接到干線電纜，干線電纜構成網絡總線或中樞。 （2）星 型：所有設備連接到一個點上，此中心點為網絡的集線器（hub）。 （3）環 型：所有設備串行連接，構成一個回路或一個環。實際的網絡連接是上述三種模式的混合型。某企業的一個實用網絡連接如圖127所示。其中樓宇結構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，網絡采用樹型結構，便于集中管理。由中心機房到各配線間，構成大樓網絡的主干系統，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。異地通過衛星通信連成一體，NT主干網采用TCP/IP協議。為確保系統具有較高的可靠性，在主信道發生故障時啟用備用信道。網絡的Internet出口經過防火墻控制，以保證網絡的安全。 122圖形輸入設備圖形輸入設備從邏輯上分為六種，如表122所示，但實際的圖形輸入設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備的種類很多。其中圖形輸入效率較高的設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及其屬性參數后，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，經過光電掃描轉換裝置的作用，即可把圖形的像素特征乃至幾何特征輸入到計算機內。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、結構化等方面尚未達到實用。123圖形顯示設備圖形顯示設備是CAD系統中必不可少的核心裝置。大多數圖形設備中的監視器采用標準的陰極射線管（CRT： cathode ray tube）結構，也有采用其他技術的顯示器，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生不同顏色的熒光物質進行組合而實現的。常用射線穿透法和影孔板法實現彩色顯示。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屏幕內部涂有很多組呈三角形的熒光物質，每一組有三個熒光點。當某組熒光物質被激勵時，分別發出紅、綠、藍三原色，而每一束電子束的電流強度控制著三點組產生的紅、綠、藍三種光的強度，混合后即產生不同顏色。例如，關閉紅、綠電子槍就會產生藍色，以相同強度的電子束去激發全部三個熒光點，就會得到白色。在廉價的光柵圖形系統中，電子束只有發射、關閉兩種狀態，因此只能產生8種（23）種顏色。比較復雜的顯示器可以產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）、內存（如 168線 32MB SD）、顯示器（如菲利浦 30cm）、顯示卡（如 AGP）、光驅（如索尼 24速）、軟驅（如索尼90mm）、鼠標器（如康柏）、鍵盤（加宏基）、機箱（如ATX結構）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內部處理速度的問題。與傳統的顯示卡相比，AGP在傳輸總線上有較大改進。它在顯示加速卡和系統內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；而傳統的PCI顯示卡與硬盤、網卡等設備共享一條通道，其結構如圖128所示。顯示卡一般都有顯示緩存。根據不同的需求，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）、每個像素的色彩數（如 256色，真彩色為 224色）、每個像素對應三維空間中 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。因此，1024X1024分辨率、真彩色（224）、16位Z緩存、兩個緩存區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，8代表一字節，2代表兩個緩存區）。如果對表面紋理有要求，則還應增加紋理緩存，如用2MB，此時顯示緩存配置到10MB較為理想。124繪圖輸出設備圖形顯示設備只能在屏幕上產生各種圖形，而在CAD中還必須把圖形畫在紙上，產生工程圖紙。常用的繪圖輸出設備也稱為硬拷貝設備，有打印機和繪圖儀兩種。1打印機打印機是最廉價的產生圖形的硬拷貝設備，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有：噴墨技術、激光技術、靜電復印技術等，這類打印設備速度快、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，電脈沖通過驅動電機與傳動機構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。一般國產繪圖儀步距為0.l0.00625mm。國外質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。平面電機驅動的平板式繪圖儀采用兩軸同時驅動的單向脈沖電機。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品。13 CAD系統CAD技術集中體現在CAD系統上，CAD系統是最終用戶用來實現設計思想，加速產品和工程設計的信息化工具。131 CAD系統的分類CAD系統作為計算機應用系統的一個重要分支，經歷過三個階段的發展，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系統的基本組成如圖13l所示。從系統結構上看，CAD系統大致可分為兩類，即集中式系統和網絡系統。集中式系統的模塊如圖132所示。這種系統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年代中期以前應用比較廣泛。自從工作站和高性能微機問世以后，大多數用戶采用工作站和微機網絡系統來代替這類集中式CAD系統。一個典型的CAD網絡系統如圖133所示。CAD系統可分為三個層次，如圖134所示。基礎層由計算機、外圍設備和系統軟件組成。由于微電子技術的飛速發展（見表132），微機已成為CAD系統的主流計算機（包括服務器和客戶機）。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域CAD的需求。外圍設備主要是噴墨、激光打印機（或稱之為繪圖儀）和掃描儀（輸入已有圖檔）。對于系統軟件，工作站上流行Unix、Motif操作系統；微機上流行 Windows 95/98/NT操作系統及其支撐軟件、系統開發和維護的工具軟件。支撐層包含了圖134所示內容，隨著網絡的廣泛使用，異地協同虛擬CAD環境將是CAD支撐層的重要發展趨勢。應用層針對不同應用領域的需求有各自的CAD專用軟件來支持相應的 CAD工作。132 如何選擇CAD系統CAD系統是一個人與計算機軟硬件相結合的系統，用來幫助從事設計、制造、生產的工程技術人員提高工作效率，擴展工作能力，逐步將傳統的分散、重復、串行的作業方式集成起來，實現分布式并行作業。一個企業、一個部門若要建立一套運行有效的CAD系統，除了圖134所示的硬軟件外，還必須有人才培訓、專用軟件開發和CAD技術服務三個基礎。從總體上說，為了有效地應用CAD系統，在選型中應遵守“提前培訓人才，針對應用需求選擇軟件，根據軟件運行環境配置計算機硬件”的原則；決不能先買硬件，再配軟件，后找人。從質量的觀點看，選型過程中不僅要重視比較分析系統的功能和性能，還要充分考慮系統的可靠性、適用環境以及系統供應商的技術支持和服務能力。選擇CAD系統應考慮的因素有以下一些可供參考。（l）系統的性能價格比這是決定系統取舍的主要條件。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、輸入輸出吞吐作業能力、通信聯網能力、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，動態功能等）及與多種外設接口的能力。 各種外設配備情況。輸入設備：鍵盤、鼠標器、數字化板、掃描儀，輸出設備：打印機、繪圖機等。 操作系統、語言編譯系統、圖形支持系統、軟件開發工具、軟件平臺、軟件集成技術、數據管理系統。 通用支撐軟件，包括工程繪圖、幾何造型、計算機輔助工藝設計、數控編程、有限元分析等。 專業應用軟件，要根據各個企業不同專業領域的需要具體選配。上述各種性能都要和其價格聯系起來，根據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用環境； 為各種應用軟件、數據、信息提供交互操作和移植界面； 新安裝的系統應能與已安裝的計算機環境進行交互操作。POSIX對開放系統定義為：在接口、服務和支持方式上充分采用規范，以便使常規應用軟件經過最少的變化，便可在很大范圍內的多種系統之間進行移植，并可與本地和遠程系統中的其他應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，幾個相關的概念，如交互操作性（inter operability）、規模可變性（scalability）、可移植性（portability）和可連接性（connectivity）也已成為選擇 CAD系統的指標。對上述4個名詞的解釋是： 交互操作性是應用程序之間的“交談”； 可連接性是系統之間的“交談”； 可移植性為應用程序從一個平臺上移植到另一個平臺上提供方便； 規模可變性是指同一軟件可在某一系列產品的各種系統上均能運行的能力。（3）系統升級擴展能力所選購的系統，隨著應用規模的擴大，應該具有升級擴展的能力。原有的系統應能在新的系統中繼續應用，保護用戶的投資不受損失。 （4）可靠性與維護支持能力系統可靠性的定義是；程序在其運行的計算機系統上，在給定時間內不出錯的概率。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，決定了整個系統的運行效果。可維護性的定義是：糾正系統錯誤或故障以及為滿足新的要求需要改變原有系統的難易程度。系統的維護包括三種基本類型：糾錯性維護、適應性維護和完善性維護。對于一個具體的CAD系統，不僅要求它本身的質量好，還要求供應商有完善的維護服務機構和手段。維修服務效率高能為用戶提供有效的技術支持、培訓、故障檢修和技術文件。（5）第三方軟件的支持由于 CAD系統的應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，必然有很多第三方公司提供各種應用軟件，所以第三方軟件的多少是衡量一個系統成熟的重要標志。（6）供應商的發展趨勢與經營狀況計算機技術的發展日新月異，CAD系統廠商的發展也是此起彼伏變化很大，所以在選購一種系統時，不僅要分析、比較它的技術性能指標、價格，而且還要分析供應商的發展變化趨勢和它的財務經營狀況。有些大公司由于跟不上新技術的發展而被迫改組、轉產，也有些技術上很有發展的公司由于經營不善而被兼并、收購。用戶由于對公司發展情況不了解，買了即將停產換代的產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面向各行各業的應用軟件均是在支撐軟件的基礎上開發的。前幾節已對CAD的硬件作過討論，系統軟件在計算機的有關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算法。CAD支撐軟件主要包括以下幾方面的內容：（1） 設備驅動程序：如Windows操作系統支持的設備驅動程序集， ISO通過的標準程序庫CGI（compute graphics interface），又如HP公司提供的繪圖儀、打印機設備驅動程序等。（2） 窗口管理系統：工作站上流行的Motif窗口系統，微機上流行Windows 95，Windows 98，Windows NT窗口系統；微機上的窗口系統已代替了過去的 DOS操作系統，成為最大眾化的操作系統。窗口系統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操作系統也已廣泛應用。（4） 二維計算機輔助設計繪圖系統。（5） 三維線框、曲面、實體和特征統一表示的造型系統。（6） 三維真實圖形實時顯示系統。（7） 產品數據管理系統（PDMS：Product data management system）。（8） 異地協同虛擬設計系統。（9） 智能CAD系統。支持CAD支撐軟件常用的算法包括以下幾種：（1） 與設備相關的直線、圓弧、字符、漢字、區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） 虛擬現實環境的處理算法。（8） 圖形數據管理算法。（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CAD系統只能產生工程圖紙及其有關的技術說明，只有把CAD和生產制造結合成一體，才能進一步提高生產力。一般產品通常的設計生產過程如圖135所示。只有通過工程數據庫、STEP