第二章CAD系統的硬件主要內容2.1CAD/CAM系統的體系結構2.2CAD/CAM系統分類2.3CAD/CAM系統的硬件2.43D數據獲取及其應用

22.1CAD/CAM系統的體系結構

CAD/CAM系統由硬件和軟件兩大部分構成。硬件由計算機及外圍設備組成，是CAD/CAM系統的物質基礎。軟件是指計算機程序及相關文檔，是信息處理的載體。

32.2CAD/CAM系統分類根據計算機性能和類型不同，可將CAD/CAM系統分為大型機系統、小型機系統、工程工作站系統及微型機系統四種類型。按照CAD/CAM系統的計算機連接方式，可分為：單機系統和聯機系統。

1．按使用的計算機類型劃分

(1)大型機CAD/CAM系統

大容量的存儲器，并以計算功能極強的大型計算機為主機，一臺計算機可以連接幾十至幾百臺圖形和字符終端及其他圖形輸入和輸出設備。4(1)大型機CAD/CAM系統

主要用戶：大型的飛機制造公司和船舶制造公司。主要廠家：IBM、CDC、Honeywell等；主要產品：CADAM、CATIA、CADDS等。5(1)大型機CAD/CAM系統★

主要優點：①具有一個大型數據庫，可對數據實行綜合管理和維護；②計算速度快；③給企業的集成管理帶來方便；④提高了企業在設計、制造方面的效率；★

主要缺點：①安全性能低，如果主機出現故障，則整個系統都不能工作；②終端距離不能太大；③隨著計算機總負荷的增加，系統的響應速度將降低。6(2)小型機CAD/CAM系統20世紀70年代末至80年代初，這類系統處于蓬勃發展時期。★主要生產廠商：美國的CV、Intergraph、DEC、Calma、Unigraphics和法國的Euclid等。7(2)小型機CAD/CAM系統★特點：具有一定的局限性，如系統計算能力和擴充能力差;

不同系統的數據存儲格式不相同，不同系統之間很難進行數據交換。

20世界80年代中期，由于分布式工程工作站的問世和異種機之間聯網技術的發展，促進了這種孤立系統向開放式系統發展，而系統使用的軟件也逐漸向工業標準方向靠攏。8(3)工程工作站組成的CAD/CAM系統9(3)工程工作站組成的CAD/CAM系統工作站是集計算、圖形圖像顯示、多窗口、多進程管理為一體的計算機設備、介于個人機與小型機之間的一種計算機，通常具有較高的性能、良好的人機界面，還可支持高技術指標的外圍設備及網絡環境。工作站是20世紀90年代CAD/CAM系統的主要機器。★特點：一臺工作站只能一個人使用，并且具有較強的聯網功能，其處理速度很快，一般都趕上或超過了過去的小型機的速度。這類工作站一般都以Unix為操作系統。★主要生產廠商：

IBM、CDC、DEC、HP、Sun及SGI。10(4)PC微型機組成的CAD/CAM系統隨著微機性能的不斷提高，價格的不斷下降，以PC機組成的CAD/CAM系統逐漸成為主流。不僅能夠進行二維拼圖和繪圖，可以進行三維造型和復雜的分析計算。現在的微機已能與大型機和小型機及工作站聯網，成為整個網絡的一個節點，共享主機和工作站資源。

這樣，大型機系統、工作站系統、PC機系統就不再相互割裂，而成為一個有機的整體，在網絡中發揮各自的優點，使得原來在小型機和工作站上運行的CAD/CAM軟件直接在微機上運行。11(4)PC微型機組成的CAD/CAM系統122．按計算機的連接方式劃分在實際應用中，按照CAD/CAM系統的計算機連接方式可分為：網絡環境下的CAD/CAM系統和單機環境下的AD/CAM系統。(1)單機方式的CAD/CAM系統單機方式的CAD/CAM系統由一臺計算機加上輸入、輸出設備組成，供單一用戶使用。

13(2)聯機方式的CAD/CAM系統由一組連成網絡的多臺計算機組成，網絡內的計算機一部分面向用戶的數據處理，一部分控制整個網絡的通信。

聯機方式的CAD/CAM系統又分為集中式和分布式。a)集中式集中式采用一個服務器與多個用戶(工作終端)相聯。這種方式結構簡單，但若主機出現故障，系統將完全癱瘓，因而要求主機具有極高的可靠性。2．按計算機的連接方式劃分14b)分布式分布式系統是利用計算機技術及通訊技術將不同種類的分布于各處的計算機以網絡形式聯結起來，各計算機間的通信既可通過總線進行，也可按已知路徑傳輸，而不需要控制主機加以集中管理。＊優點：①系統的軟、硬件資源分布在各個結點上，可靠性相對較高。②網絡上的硬件如繪圖儀、打印機等設備和軟件可以共享。2．按計算機的連接方式劃分152．按計算機的連接方式劃分162.3CAD/CAM系統的硬件

硬件是一切可以觸摸到的物理設備，對于一個CAD/CAM系統，可以根據系統應用范圍和相應的軟件規模，選用不同規模、不同結構、不同功能的計算機、外圍設備以及生產加工設備。172.3CAD/CAM系統的硬件1.主機

主機是計算機的核心，由中央處理器(CPU)、內存儲器和主板組成，用來控制整個計算機系統的運行。決定了系統的性能。(1)中央處理器

中央處理器由控制器和運算器組成，主要功能是處理數據。

CPU性能的高低決定了計算機整體性能的優劣。衡量CPU性能的指標是數據處理速度和字長。

字長是計算機一次能同時處理數據的位數，有8位、16位、32位和64位等幾種。字長大的計算機處理速度更快。數據處理速度表示每秒處理指令的平均數。18中央處理器酷睿i7E96519(2)內存儲器內存儲器又簡稱為內存，其功能是暫時存儲CPU工作的程序和數據，按性質的不同，又可分為隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。隨機存儲器就是指市場上所銷售的內存條。現在CAD/CAM系統對內存的要求越來越高，一般至少達到256M。只讀存儲器用來制成主板上的BIOS，主要存放最常用而又固定不變的引導程序和基本輸入輸出程序等。2.3CAD/CAM系統的硬件20金士頓內存條21(3)主板

主板是一塊帶有許多功能芯片的印刷電路板，用來把如CPU、內存、顯示卡等電器元件連接在一起，從而起到橋梁紐帶作用。主板的性能對計算機速度影響很大，而主板的性能取決于芯片組的性能。芯片組控制著內存I/O、總線I/O及硬盤控制器，負責處理中斷請求和DMA訪問。目前Intel系列芯片組設計的微機主板在市場上占主流地位。

2.3CAD/CAM系統的硬件22(3)主板微星主板23Wearcharacterizationbyanon-lineferrographimage(2)圖形加速卡

3D圖形加速技術，以前主要用于高檔圖形工作站上的機械、電路和建筑CAD設計。隨著3D圖形軟件特別是3D游戲軟件的大量出現，3D圖形加速軟件技術開始用于PC機，這也就促使3D圖形加速硬件技術應用于圖形顯示卡，推出了3D圖形加速卡。

畫一個三維圖形先畫出幾何圖形的線條，再進行圖形表面的圖像繪制，這兩個步驟都需要進行大量的數學計算。如果是動態的3D圖形，則還有實時性要求，。目前市場上流行的3D顯示卡都是將幾何圖形的處理交由主機CPU實現，而表面圖像的繪制由3D加速卡實現。2.3CAD/CAM系統的硬件243D圖形加速芯片具有如下功能：

1．Z緩沖

是一項三維圖形的消隱（遮擋）技術，硬件實現Z緩沖可提高速度。

2．顏色插值

顏色插值是一種處理表面圖像顏色的技術，它可以快速營造3D圖形表面顏色的深淺、明暗和清晰模糊等效果。

3．紋理映射

紋理映射是對3D圖形表面花紋的細節描繪，通過復雜的算法可以繪制出質感好和凹凸感真實的圖像。

4．其它

另外還有圖像透明處理、光線跟蹤、場景霧化和渲染等許多功能。2.3CAD/CAM系統的硬件252．外存儲器(1)硬盤

硬盤是計算機系統中最主要的外存設備，用于存儲頻繁使用的大量數據。它由驅動器、控制器和盤片組成。(2)光盤

光盤主要用于機外數據的存儲，光盤存儲器可分為只讀型光盤(CD-ROM)，只寫一次型光盤(WORM)和可擦寫型光盤三種類型。

262．外存儲器273．輸入設備輸入設備是將各種外部數據轉換成計算機內部能識別的電脈沖信號的設備。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、數字化儀、掃描儀及其他設備等(1)鍵盤鍵盤是最常用的輸入設備，它可將字符型數據輸入到計算機，還可進行定位、拾取等工作。(2)鼠標鼠標在工作原理上分為機械式和光電式兩種。在CAD/CAM系統中，鼠標的左鍵、中鍵和右鍵都被賦予了特殊的用途，因此，作為CAD/CAM系統的工作站應選用3鍵鼠標。283．輸入設備光電鼠標光電管照明并記錄柵格無線鼠標紅外或籃牙系統：鼠標發射和USB連接接收器機械鼠標小球在表面滾動時，垂直安放的滾子監測X和Y方向運動變化，按鍵記錄位置293．輸入設備(3)數字化儀數字化儀又稱圖形輸入板，主要用于輸入圖形的坐標值，其主要技術指標是分辨率和精度。在工作時必須與觸筆或鼠標器配合使用。目前數字化儀逐漸被掃描儀所取代。30數字化儀313．輸入設備

(4)掃描儀

采用激光等光學裝置將光電信號變為電信號，輸入到計算機中。掃描儀一般由掃描頭、主板、機械結構及附件四部分組成。掃描儀的性能指標有分辨率、掃描速度、色彩位數等，其中，分辨率表示掃描儀的掃描精度，色彩數表示了掃描儀對色彩的分辨能力，其色彩位數通常有8位、24位等，位數越大，分辨力越強，相應的圖像品質也越高。

32掃描儀

明基掃描儀33輸出設備是將計算機處理后的數據轉換成用戶所需形式的設備。常用的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀等。(1)顯示器顯示器是CAD/CAM的基本配置之一，用于文字和圖形等信息的顯示。根據顯示器的工作原理，顯示器分為陰極射線管(CRT)顯示器、直觀存儲顯象管(DVST)顯示器、液晶顯示器及等離子板顯示器等。目前廣泛使用的是CRT顯示器和液晶顯示器。顯示器的主要技術指標包括對角線尺寸、分辨率、對比度等4．輸出設備344．輸出設備－矢量設備CRT（陰極射線管）電磁場控制電子束使磷放光，持續時間取決于鍍層材料（10－60微秒）。刷新速度30－80次/秒，高于人的眼睛獲取速度（23次/秒）354．輸出設備-光柵設備分辨率取決于屏幕的象素數目，而數目取決于內存數和光束的分辨率 例如：13英寸屏幕（8X10英寸）

100X100象素/英寸2黑白顯象，

1bit/象素（彩色或灰度不同時8bits）

80英寸2X10,000象素/英寸2=800,000bits36圖形輸出設備-光柵設備液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay等離子顯示器PDP(PlasmaDisplayPanel）發光二極管顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）平面圖像顯示設備LCD與PDP具有同樣的缺點，諸如反應速度慢，溫度范圍窄，尺寸與視角由限制平顯技術有了很大的發展，越來越多的LCD和LED用在電視和計算機屏幕37LCD和等離子顯示38CRT、LCD、PDP、LED比較CRT比LCD好的原因成本低，色彩豐富，反應快沒有拖尾現象；利用發射技術擴大視角LCD比CRT好的原因小和輕，

能耗少；因為圖像是由每個LCD象素顯示圖像鮮艷，降低視力應力和疲勞，輻射少與其他設備干擾少；總是有好的幾何形狀。LCD與LED相比LED能耗降低90%；LED視角范圍更寬；LED低溫極限高，零下40度；LED更薄39兩種光柵顯示設備(CRT和LCD)

描的方式生成圖像傳統的陰極射線管電視以掃

LCD顯示一個象素表示一個光點，以增加圖像質量采用象素，每

40(2)顯示卡顯示卡用于控制圖形顯示的具體實現，它接受顯示指令的數字信息，通過顯示處理單元，轉換成顯示裝置所需要的電壓值，再經電子槍將圖形和文字顯示在屏幕上。顯示卡主要技術指標是顯示緩存，具體大小是由顯示分辨率、每個像素的色彩數、每個像素對應z方向的深度來確定(3)打印機打印機以紙為介質，將打印機處理后的結果變為永久性的可保留信息。按工作方式可分為擊打式和非擊打式兩種。擊打式打印機又可分為針式打印機、鏈式打印機、點陣式打印機、菊花式打印機等，非擊打式打印機可分為噴墨打印機、激光打印機等。4．輸出設備41麗臺顯示卡\惠普打印機424．輸出設備(4)繪圖儀繪圖儀主要用于大型圖紙繪制，有筆式、噴墨和激光式多種，目前在CAD/CAM系統中最常用的是噴墨繪圖儀。噴墨式繪圖儀實質上就是一臺大幅面的噴墨打印機，其工作原理與噴墨打印機完全相同，它的機械結構主要包括六部分：噴頭和墨盒、清潔單元、小車單元、送紙單元、傳感器單元及輔助單元。(5)其他輸出設備

其他輸出設備有影像輸出設備和語音輸出設備等。

43惠普繪圖儀4445（1）兩種技術矢量繪圖設備光柵掃描設備（例如－筆式繪圖儀）（例如－點陣打印機激光打印機）用數組A（I，J)數組中每個元素為“0”或“1”說明：圖形輸出技術之比較

（1）好的分辨率（1）速度與圖像無關

a）直線

b）光滑曲線（2）僅需很少的內存和指示 優點缺點（1）復雜圖像成像慢 在CRT上抖動（2）著色困難且慢矢量光柵矢量光柵465．網絡通訊設備網絡通信設備一般包括網絡適配器、集線器、交換機、傳輸介質和調制調解器等。

除前面介紹的基本配置外，對于一個功能完整的CAD/CAM硬件系統，還應配置數控機床等生產設備。47網絡傳輸設備482.4CAD/CAM系統選擇原則1.CAD/CAM系統的硬件選擇原則具體應考慮以下幾個方面：(1)系統功能CPU的數據處理能力、運算速度；內、外存容量；輸入/輸出性能；圖形顯示和處理能力；接口及通信功能。(2)系統的開放性和可移植性開放性：①獨立于制造廠商、并遵循國際標準的應用環境；②為各種應用軟件、數據、信息提供交互操作和移植界面③新安裝的系統應能與原安裝的計算機環境進行交互操作49CAD/CAM系統選擇原則

可移植性：應用程序從一個平臺移植到另一個平臺上的方便程度。(3)系統升級擴展能力由于硬件的發展更新很快，為保護用戶的投資不受或少受損失，應注意欲購買產品的內在結構是否具有擴展和升級能力，能否向下兼容。(4)系統的可靠性，可維護性和服務質量可靠性：在給定時間內，系統運行不出錯的概率。應注意了解欲購產品的平均年維修率、系統故障率等指標。

可維護性：排除故障以及滿足新的要求的難易程度。50CAD/CAM系統選擇原則(1)軟件性能價格比

運行穩定可靠、容錯性好、人機界面友好，價格合理。

(2)與硬件匹配若軟、硬件都需配置，應先選軟件，再選硬件；若已有硬件，只配軟件，則要考慮硬件能力，配備相應檔次軟件。

(3)二次開發環境(4)開放性(5)軟件商的綜合能力51其他顯示設備52數字光處理?-DLP?由德州儀器公司生產的基于半導體,的顯示(1993)一個小平鏡安裝在DLP?投影系統的小懸臂上可以傾斜或離開光源(ON/OFF)-生成亮或暗點在投影平面.DLP?投影系統的的燈泡產生白光當它投到投影平面時通過一個彩色轉輪.DLP?投影系統1-芯片和3-芯片系統53光真空管顯示54高性能計算與高端虛擬化55虛擬現實和工廠設計56572.43D數據獲取及其應用

從測距傳感設備或3D攝像機得到的3D圖像/數據–根據它們的x,y,z坐標定義數據點(可以是點數據)。3D數據獲取包括：

基于CAD模型的機器視覺生成

反求工程

機器視覺和智能機器人

車輛尺寸測量和交通監視

掃描3D物體,人體,藝術作品

圖像獲取設備機械傳感器(測量和掃描)激光掃描

*基于三角測量測距傳感設備

*基于消耗時間測距傳感設備

58以自由形狀的汽車設計為例59汽車設計和CAD模型生成60根據3DCAD模型用5軸CNC銑床加工的全尺寸泡沫塑料汽車模型61根據3DCAD模型用5軸CNC銑床加工的全尺寸泡沫塑料汽車模型62從3D掃描生成的CAD模型63用機械傳感器掃描6465利用多個圖像3D測距和物體/工作空間建模66一、用3D位置傳感器(攝像機)

獲得