cad原理2011-第二章

1、第二章第二章 CAD 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.1 CAD/CAM系統(tǒng)的體系結構系統(tǒng)的體系結構2.2 CAD/CAM系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件2.4 3D 數(shù)據(jù)獲取及其應用數(shù)據(jù)獲取及其應用 22.1 CAD/CAM系統(tǒng)的體系結構系統(tǒng)的體系結構 CAD/CAM系統(tǒng)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(tǒng)的物質(zhì)基礎。軟件是指計算機程序及相關文檔，是信息處理的載體。 32.2 CAD/CAM系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類根據(jù)計算機性能和類型不同，可將CAD/CAM系統(tǒng)分為、及四種類型。按照CAD/CAM系統(tǒng)的計算機連接方式，可分為：和

2、。 1按使用的計算機類型劃分按使用的計算機類型劃分 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 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(chǎn)品：CADAM、CATIA、CADDS等。5 主要優(yōu)點：主要優(yōu)點： 具有一個大型數(shù)據(jù)庫，可對數(shù)據(jù)實行綜合管理和維護； 計算速度快； 給企業(yè)的集成管理帶來方便； 提高了企業(yè)在設計、制造方面的效率； 主要缺點：主要缺點：安全性能低，如果主機出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)都不能工作；終端距離不能太大；隨著計算機總負荷的增加，系統(tǒng)的響應

3、速度將降低。620世紀70年代末至80年代初，這類系統(tǒng)處于蓬勃發(fā)展時期。 主要生產(chǎn)廠商：主要生產(chǎn)廠商： 美國的CV、Intergraph、DEC、Calma、Unigraphics和法國的Euclid等。7 特點：特點： 具有一定的局限性，如系統(tǒng)計算能力和擴充能力差; 不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲格式不相同，不同系統(tǒng)之間很難進行數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，促進了這種孤立系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)發(fā)展，而系統(tǒng)使用的軟件也逐漸向工業(yè)標準方向靠攏。89 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

4、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(wǎng)絡環(huán)境。工作站是20世紀90年代CAD/CAM系統(tǒng)的主要機器。 特點：特點： 一臺工作站只能一個人使用，并且具有較強的聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)。 主要生產(chǎn)廠商：主要生產(chǎn)廠商： IBM、CDC、DEC、HP、Sun及SGI。10 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(tǒng)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?，F(xiàn)在的微機已能與大型機和小型機及工作站聯(lián)網(wǎng)，成為整個網(wǎng)絡的一個節(jié)點，共享主機和

5、工作站資源。 這樣，大型機系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、PC機系統(tǒng)就不再相互割裂，而成為一個有機的整體，在網(wǎng)絡中發(fā)揮各自的優(yōu)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。11122按計算機的連接方式劃分按計算機的連接方式劃分在實際應用中，按照CAD/CAM系統(tǒng)的計算機連接方式可分為：網(wǎng)絡環(huán)境下的CAD/CAM系統(tǒng)和單機環(huán)境下的AD/CAM系統(tǒng)。 單機方式的CAD/CAM系統(tǒng)由一臺計算機加上輸入、輸出設備組成，供單一用戶使用。 13由一組連成網(wǎng)絡的多臺計算機組成，網(wǎng)絡內(nèi)的計算機一部分面向用戶的數(shù)據(jù)處理，一部分控制整個網(wǎng)絡的通信。 聯(lián)機方式的CAD/CAM系統(tǒng)又分為和。a) 集中式集

6、中式 集中式采用一個服務器與多個用戶(工作終端)相聯(lián)。 這種方式結構簡單，但若主機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)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按計算機的連接方式劃分14b) 分布式分布式分布式系統(tǒng)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(wǎng)絡形式聯(lián)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。n 優(yōu)點：優(yōu)點： 系統(tǒng)的軟、硬件資源分布在各個結點上，可靠性相對較高。n 網(wǎng)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按計算機的連接方式劃分152按計算機的連接方式劃分按計算機的連接方式劃分16

7、2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)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(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)應用范圍和相應的軟件規(guī)模，選用不同規(guī)模、不同結構、不同功能的計算機、外圍設備以及生產(chǎn)加工設備。172.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件- 主機是計算機的核心，由中央處理器(CPU)、內(nèi)存儲器和主板組成，用來控制整個計算機系統(tǒng)的運行。決定了系統(tǒng)的性能。(1) 中央處理器中央處理器 中央處理器由控制器和運算器組成，主要功能是處理數(shù)據(jù)。 CPU性能的高低決定了計算機整體性能的優(yōu)劣。衡量CPU性能的指標是數(shù)據(jù)處理速度和字長。 字長是計算機一次能同時處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，有8位、16位、3

8、2位和64位等幾種。字長大的計算機處理速度更快。數(shù)據(jù)處理速度表示每秒處理指令的平均數(shù)。18中央處理器中央處理器 n酷?？犷7 E96519神威藍光”超級計算機，速度達每秒一千萬億次，但能耗僅1.074兆瓦20(2) 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器 內(nèi)存儲器又簡稱為內(nèi)存內(nèi)存，其功能是暫時存儲CPU工作的程序和數(shù)據(jù)，按性質(zhì)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(nèi)存條?，F(xiàn)在CAD/CAM系統(tǒng)對內(nèi)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。2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬

9、件系統(tǒng)的硬件-內(nèi)存內(nèi)存21金士頓金士頓 內(nèi)存條內(nèi)存條22(3) 主板主板 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(nèi)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(nèi)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。 2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-主板主板23(3) 主板主板n微星微星 主板主板24nWear characterization by an on-line ferrograph image(2) 圖

10、形加速卡圖形加速卡 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、電路和建筑建筑CAD設計。隨著設計。隨著3D圖形軟件特別是圖形軟件特別是3D游戲軟件的大量出現(xiàn)，游戲軟件的大量出現(xiàn)，3D圖形加速軟件技術開始用于圖形加速軟件技術開始用于PC機，這也就促使機，這也就促使3D圖形加速硬件技術圖形加速硬件技術應用于圖形顯示卡，推出了應用于圖形顯示卡，推出了3D圖形加速卡。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(shù)學計算。如

11、果是動態(tài)的繪制，這兩個步驟都需要進行大量的數(shù)學計算。如果是動態(tài)的3D圖形圖形，則還有實時性要求，。目前市場上流行的，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顯示卡都是將幾何圖形的處理交由主機的處理交由主機CPU實現(xiàn)，而表面圖像的繪制由實現(xiàn)，而表面圖像的繪制由3D加速卡實現(xiàn)。加速卡實現(xiàn)。2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-圖形加速卡圖形加速卡253D3D圖形加速芯片具有如下功能：圖形加速芯片具有如下功能： 1 1Z Z緩沖緩沖一項三維圖形的消隱（遮擋）技術，硬件實現(xiàn)一項三維圖形的消隱（遮擋）技術，硬件實現(xiàn)Z Z緩沖可提高速度。緩沖可提高速度。 2 2顏色插值顏色插值顏

12、色插值是一種處理表面圖像顏色的技術，它可以快速營造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3D3D圖圖形表面顏色的深淺、明暗和清晰模糊等效果。形表面顏色的深淺、明暗和清晰模糊等效果。 3 3紋理映射紋理映射 紋理映射是對紋理映射是對3D3D圖形表面花紋的細節(jié)描繪，通過復雜的算法可以圖形表面花紋的細節(jié)描繪，通過復雜的算法可以繪制出質(zhì)感好和凹凸感真實的圖像。繪制出質(zhì)感好和凹凸感真實的圖像。 4 4其它其它 還有圖像透明處理、光線跟蹤、場景霧化和渲染等許多功能。還有圖像透明處理、光線跟蹤、場景霧化和渲染等許多功能。2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-圖形加速卡圖形加速卡262.3

13、 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-外存儲器外存儲器 (1)硬盤硬盤 硬盤是計算機系統(tǒng)中最主要的外存設備，用于存儲頻繁使用的大量數(shù)據(jù)。它由驅動器、控制器和盤片組成。(2)光盤光盤 光盤主要用于機外數(shù)據(jù)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。 27282.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-外存儲器外存儲器 輸入設備是將各種外部數(shù)據(jù)轉換成計算機內(nèi)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(shù)字化儀、掃描儀及其他設備等 (1) 鍵盤鍵盤 鍵盤是最常用的輸入設備，它可將字符型數(shù)據(jù)輸入到計算機，還可進行定位、拾取等工作。

14、(2) 鼠標鼠標 鼠標在工作原理上分為機械式和光電式兩種。在CAD/CAM系統(tǒng)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(tǒng)的工作站應選用3鍵鼠標。292.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸入設備u光電鼠標 光電管照明并記錄柵格u無線鼠標 紅外或籃牙系統(tǒng)：鼠標發(fā)射和USB連接接收器u機械鼠標小球在表面滾動時，垂直安放的滾子監(jiān)測X和Y方向運動變化，按鍵記錄位置302.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸入設備(3) 數(shù)字化儀數(shù)字化儀數(shù)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(shù)

15、字化儀逐漸被掃描儀所取代。312.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸入設備數(shù)字化儀數(shù)字化儀32 (4) 掃描儀掃描儀 采用激光等光學裝置將光電信號變?yōu)殡娦盘?，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(shù)等，其中，分辨率表示掃描儀的掃描精度，色彩數(shù)表示了掃描儀對色彩的分辨能力，其色彩位數(shù)通常有8位、24位等，位數(shù)越大，分辨力越強，相應的圖像品質(zhì)也越高。 332.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸入設備掃描儀掃描儀 n 明基明基 掃描儀掃描儀34輸出設備是將計算機處理后的數(shù)據(jù)轉換成用戶所需形式的設備。常用的輸出設

16、備有：顯示器、打印機、繪圖儀等。 (1) 顯示器顯示器 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(jù)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352.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸出輸出設備nCRT（陰極射線管）（陰極射線管）n電磁場控制電子束使磷放光，持續(xù)時間取決于鍍層材料（1060 微秒）。刷新速度3080次/秒，高于人的眼睛獲取速度（23次/秒）362.3 CAD/CAM系統(tǒng)的

17、硬件系統(tǒng)的硬件-輸出輸出設備矢量2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸出設備輸出設備-光柵光柵分辨率取決于屏幕的象素數(shù)目，而數(shù)目取決于內(nèi)存數(shù)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=800,000bits37n液晶顯示器 LCD(Liquid Crystal Displayn等離子顯示器 PDP(Plasma Display Panel）n發(fā)光二極管顯示器 LED（LED Display） n平面圖像顯示設備nLCD與PDP具有同樣的缺點，諸如反應速度慢，溫度范圍

18、窄，尺寸與視角由限制n平顯技術有了很大的發(fā)展，越來越多的LCD和LED用在電視和計算機屏幕382.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸出設備輸出設備-光柵光柵LCD 和和 等離子顯示等離子顯示39CRT、LCD 、PDP、LED比較比較nCRT比比LCD好的原因好的原因 成本低，色彩豐富，反應快沒有拖尾現(xiàn)象；利用發(fā)射技術擴大視角nLCD 比比CRT好的原因好的原因 小和輕， 能耗少；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。nLCD與與LED相比相比 LED能耗降低90%； LED 視角范圍更寬；LED低溫極限高，零下40度； L

19、ED更薄40兩種光柵顯示設備兩種光柵顯示設備 (CRT 和和 LCD) n描的方式生成圖像 n傳統(tǒng)的陰極n射線管電視以掃n nLCD顯示n一個象素表示一 n個光點，以增加圖像質(zhì)量n采用象素，每n n 41(2) 顯示卡顯示卡 顯示卡用于控制圖形顯示的具體實現(xiàn)，它接受顯示指令的數(shù)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(jīng)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(shù)、每個像素對應z方向的深度來確定(3) 打印機打印機 打印機以紙為介質(zhì)，將打印機處理后的結果變?yōu)橛谰眯缘目杀Ａ粜畔?。按工作方式可分為擊打式和非擊打式兩種。擊打

20、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。422.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸出設備輸出設備-其他其他麗臺麗臺 顯示卡顯示卡惠普打印機惠普打印機43(4) 繪圖儀繪圖儀 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(tǒng)中最常用的是噴墨繪圖儀。噴墨式繪圖儀實質(zhì)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 其他輸出設備有影像輸出設備和語音輸出

21、設備等。 442.3 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-輸出設備輸出設備-其他其他惠普惠普 繪圖儀繪圖儀4546（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）n用數(shù)組 A（I，J)n數(shù)組中每個元素n為“0”或“1”n說明：圖形輸出技術之比較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(nèi)存和指示優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點n（1）復雜圖像成像慢n在CRT上抖動n（2）著色困難且慢矢量 光柵矢量 光柵47 網(wǎng)絡通信設備一般包括網(wǎng)絡適配器、集線器、交換機、傳輸介質(zhì)和調(diào)制調(diào)解器等。 除前面介紹的基本配置外，對于

22、一個功能完整的CAD/CAM硬件系統(tǒng)，還應配置數(shù)控機床等生產(chǎn)設備。 482.4 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件-網(wǎng)絡通信設備網(wǎng)絡傳輸設備網(wǎng)絡傳輸設備492.4 CAD/CAM系統(tǒng)選擇原則系統(tǒng)選擇原則 具體應考慮以下幾個方面： (1) 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能 CPU的數(shù)據(jù)處理能力、運算速度；內(nèi)、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(tǒng)的開放性和可移植性系統(tǒng)的開放性和可移植性： 獨立于制造廠商、并遵循國際標準的應用環(huán)境； 為各種應用軟件、數(shù)據(jù)、信息提供交互操作和移植界面 新安裝的系統(tǒng)應能與原安裝的計算機環(huán)境進行交互操作502.4 CAD/CAM系統(tǒng)選擇原則系統(tǒng)選擇

23、原則 ：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(tǒng)升級擴展能力系統(tǒng)升級擴展能力 由于硬件的發(fā)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(chǎn)品的內(nèi)在結構是否具有擴展和升級能力，能否向下兼容。(4) 系統(tǒng)的可靠性，可維護性和服務質(zhì)量系統(tǒng)的可靠性，可維護性和服務質(zhì)量：在給定時間內(nèi)，系統(tǒng)運行不出錯的概率。應注意了解欲購產(chǎn)品的平均年維修率、系統(tǒng)故障率等指標。 ：排除故障以及滿足新的要求的難易程度。512.4 CAD/CAM系統(tǒng)選擇原則系統(tǒng)選擇原則 (1) 軟件性能價格比軟件性能價格比 運行穩(wěn)定可靠、容錯性好、人機界面友好，價格合理。 (2) 與硬件匹配與硬件匹配 若軟、硬件

24、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(fā)環(huán)境二次開發(fā)環(huán)境 (4) 開放性開放性 (5) 軟件商的綜合能力軟件商的綜合能力52其他顯示設備53數(shù)字光處理數(shù)字光處理 -DLPn由德州儀器公司生產(chǎn)的基于半導體, 的顯示 (1993) n一個小平鏡安裝 在DLP 投影系統(tǒng)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. nDLP 投影系統(tǒng)的的燈泡產(chǎn)生白光當它投到投影平面時通過一個彩色轉輪.nDLP 投影系統(tǒng) 1-芯片和 3-芯片系統(tǒng)54光真空管顯示光真空管顯示55高性能計算與高端虛擬化高性能計算與高端虛擬化56

25、n虛擬現(xiàn)實和工廠設計57582.4 3D 數(shù)據(jù)獲取及其應用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)根據(jù)它們的 x, y, z 坐標定義數(shù)據(jù)點 (可以是點數(shù)據(jù))。 3D數(shù)據(jù)獲取包括：基于基于 CAD模型的機器視覺生成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(jiān)視掃描 3D 物體, 人體, 藝術作品 圖像獲取設備圖像獲取設備 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59以自由形狀的汽車設計為例60汽車設計和CAD模型生成61根據(jù)3D CAD模型用5軸CNC銑床加工的全尺寸泡沫塑料汽車模型62根據(jù)3D CAD模型用5軸CNC銑床加工的全尺寸泡沫塑料汽車模型63n從3D掃描生成的CAD模型64n用機械傳感器掃描6566利用多個圖像3D測距和物體/工作空間建模67一、用一、用 3D 位置傳感器位置傳感器 (攝像機攝像機) 獲得 3D 云點數(shù)據(jù)云點數(shù)據(jù)兩種選擇: n基于三角測量: 可見激光, 短距,