CADCAECAM原理與應(yīng)用(西安交大)-第二章

第二章CAD系統(tǒng)的硬件主要內(nèi)容2.1CAD/CAM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2.2CAD/CAM系統(tǒng)分類2.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件2.43D數(shù)據(jù)獲取及其應(yīng)用

22.1CAD/CAM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

CAD/CAM系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件由計算機(jī)及外圍設(shè)備組成，是CAD/CAM系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件是指計算機(jī)程序及相關(guān)文檔，是信息處理的載體。

32.2CAD/CAM系統(tǒng)分類根據(jù)計算機(jī)性能和類型不同，可將CAD/CAM系統(tǒng)分為大型機(jī)系統(tǒng)、小型機(jī)系統(tǒng)、工程工作站系統(tǒng)及微型機(jī)系統(tǒng)四種類型。按照CAD/CAM系統(tǒng)的計算機(jī)連接方式，可分為：單機(jī)系統(tǒng)和聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。

1．按使用的計算機(jī)類型劃分

(1)大型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)

大容量的存儲器，并以計算功能極強(qiáng)的大型計算機(jī)為主機(jī)，一臺計算機(jī)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(shè)備。4(1)大型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)

主要用戶：大型的飛機(jī)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(1)大型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)★

主要優(yōu)點：①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(hù)；②計算速度快；③給企業(yè)的集成管理帶來方便；④提高了企業(yè)在設(shè)計、制造方面的效率；★

主要缺點：①安全性能低，如果主機(jī)出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)都不能工作；②終端距離不能太大；③隨著計算機(jī)總負(fù)荷的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將降低。6(2)小型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)20世紀(jì)70年代末至80年代初，這類系統(tǒng)處于蓬勃發(fā)展時期?！镏饕a(chǎn)廠商：美國的CV、Intergraph、DEC、Calma、Unigraphics和法國的Euclid等。7(2)小型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)★特點：具有一定的局限性，如系統(tǒng)計算能力和擴(kuò)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(jìn)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(jī)之間聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)方向靠攏。8(3)工程工作站組成的CAD/CAM系統(tǒng)9(3)工程工作站組成的CAD/CAM系統(tǒng)工作站是集計算、圖形圖像顯示、多窗口、多進(jìn)程管理為一體的計算機(jī)設(shè)備、介于個人機(jī)與小型機(jī)之間的一種計算機(jī)，通常具有較高的性能、良好的人機(jī)界面，還可支持高技術(shù)指標(biāo)的外圍設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。工作站是20世紀(jì)90年代CAD/CAM系統(tǒng)的主要機(jī)器?！锾攸c：一臺工作站只能一個人使用，并且具有較強(qiáng)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(jī)的速度。這類工作站一般都以Unix為操作系統(tǒng)?！镏饕a(chǎn)廠商：

IBM、CDC、DEC、HP、Sun及SGI。10(4)PC微型機(jī)組成的CAD/CAM系統(tǒng)隨著微機(jī)性能的不斷提高，價格的不斷下降，以PC機(jī)組成的CAD/CAM系統(tǒng)逐漸成為主流。不僅能夠進(jìn)行二維拼圖和繪圖，可以進(jìn)行三維造型和復(fù)雜的分析計算?，F(xiàn)在的微機(jī)已能與大型機(jī)和小型機(jī)及工作站聯(lián)網(wǎng)，成為整個網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，共享主機(jī)和工作站資源。

這樣，大型機(jī)系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、PC機(jī)系統(tǒng)就不再相互割裂，而成為一個有機(jī)的整體，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮各自的優(yōu)點，使得原來在小型機(jī)和工作站上運行的CAD/CAM軟件直接在微機(jī)上運行。11(4)PC微型機(jī)組成的CAD/CAM系統(tǒng)122．按計算機(jī)的連接方式劃分在實際應(yīng)用中，按照CAD/CAM系統(tǒng)的計算機(jī)連接方式可分為：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的CAD/CAM系統(tǒng)和單機(jī)環(huán)境下的AD/CAM系統(tǒng)。(1)單機(jī)方式的CAD/CAM系統(tǒng)單機(jī)方式的CAD/CAM系統(tǒng)由一臺計算機(jī)加上輸入、輸出設(shè)備組成，供單一用戶使用。

13(2)聯(lián)機(jī)方式的CAD/CAM系統(tǒng)由一組連成網(wǎng)絡(luò)的多臺計算機(jī)組成，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計算機(jī)一部分面向用戶的數(shù)據(jù)處理，一部分控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信。

聯(lián)機(jī)方式的CAD/CAM系統(tǒng)又分為集中式和分布式。a)集中式集中式采用一個服務(wù)器與多個用戶(工作終端)相聯(lián)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但若主機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將完全癱瘓，因而要求主機(jī)具有極高的可靠性。2．按計算機(jī)的連接方式劃分14b)分布式分布式系統(tǒng)是利用計算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)將不同種類的分布于各處的計算機(jī)以網(wǎng)絡(luò)形式聯(lián)結(jié)起來，各計算機(jī)間的通信既可通過總線進(jìn)行，也可按已知路徑傳輸，而不需要控制主機(jī)加以集中管理。＊優(yōu)點：①系統(tǒng)的軟、硬件資源分布在各個結(jié)點上，可靠性相對較高。②網(wǎng)絡(luò)上的硬件如繪圖儀、打印機(jī)等設(shè)備和軟件可以共享。2．按計算機(jī)的連接方式劃分152．按計算機(jī)的連接方式劃分162.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件

硬件是一切可以觸摸到的物理設(shè)備，對于一個CAD/CAM系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用范圍和相應(yīng)的軟件規(guī)模，選用不同規(guī)模、不同結(jié)構(gòu)、不同功能的計算機(jī)、外圍設(shè)備以及生產(chǎn)加工設(shè)備。172.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件1.主機(jī)

主機(jī)是計算機(jī)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(jī)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(jī)整體性能的優(yōu)劣。衡量CPU性能的指標(biāo)是數(shù)據(jù)處理速度和字長。

字長是計算機(jī)一次能同時處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，有8位、16位、32位和64位等幾種。字長大的計算機(jī)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中央處理器酷睿i7E96519(2)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器又簡稱為內(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(jī)存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。隨機(jī)存儲器就是指市場上所銷售的內(nèi)存條。現(xiàn)在CAD/CAM系統(tǒng)對內(nèi)存的要求越來越高，一般至少達(dá)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(dǎo)程序和基本輸入輸出程序等。2.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件20金士頓內(nèi)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(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(jī)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(fù)責(zé)處理中斷請求和DMA訪問。目前Intel系列芯片組設(shè)計的微機(jī)主板在市場上占主流地位。

2.3CAD/CAM系統(tǒng)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(shù)，以前主要用于高檔圖形工作站上的機(jī)械、電路和建筑CAD設(shè)計。隨著3D圖形軟件特別是3D游戲軟件的大量出現(xiàn)，3D圖形加速軟件技術(shù)開始用于PC機(jī)，這也就促使3D圖形加速硬件技術(shù)應(yīng)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(jìn)行圖形表面的圖像繪制，這兩個步驟都需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計算。如果是動態(tài)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(jī)CPU實現(xiàn)，而表面圖像的繪制由3D加速卡實現(xiàn)。2.3CAD/CAM系統(tǒng)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(shù)，硬件實現(xiàn)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(shù)，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(xì)節(jié)描繪，通過復(fù)雜的算法可以繪制出質(zhì)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(tǒng)的硬件252．外存儲器(1)硬盤

硬盤是計算機(jī)系統(tǒng)中最主要的外存設(shè)備，用于存儲頻繁使用的大量數(shù)據(jù)。它由驅(qū)動器、控制器和盤片組成。(2)光盤

光盤主要用于機(jī)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。

262．外存儲器273．輸入設(shè)備輸入設(shè)備是將各種外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機(jī)內(nèi)部能識別的電脈沖信號的設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀及其他設(shè)備等(1)鍵盤鍵盤是最常用的輸入設(shè)備，它可將字符型數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)，還可進(jìn)行定位、拾取等工作。(2)鼠標(biāo)鼠標(biāo)在工作原理上分為機(jī)械式和光電式兩種。在CAD/CAM系統(tǒng)中，鼠標(biāo)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(yīng)選用3鍵鼠標(biāo)。283．輸入設(shè)備光電鼠標(biāo)光電管照明并記錄柵格無線鼠標(biāo)紅外或籃牙系統(tǒng)：鼠標(biāo)發(fā)射和USB連接接收器機(jī)械鼠標(biāo)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293．輸入設(shè)備(3)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(biāo)值，其主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率和精度。在工作時必須與觸筆或鼠標(biāo)器配合使用。目前數(shù)字化儀逐漸被掃描儀所取代。30數(shù)字化儀313．輸入設(shè)備

(4)掃描儀

采用激光等光學(xué)裝置將光電信號變?yōu)殡娦盘?，輸入到計算機(jī)中。掃描儀一般由掃描頭、主板、機(jī)械結(jié)構(gòu)及附件四部分組成。掃描儀的性能指標(biāo)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(qiáng)，相應(yīng)的圖像品質(zhì)也越高。

32掃描儀

明基掃描儀33輸出設(shè)備是將計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶所需形式的設(shè)備。常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、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(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(shù)指標(biāo)包括對角線尺寸、分辨率、對比度等4．輸出設(shè)備344．輸出設(shè)備－矢量設(shè)備CRT（陰極射線管）電磁場控制電子束使磷放光，持續(xù)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(shè)備-光柵設(shè)備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=800,000bits36圖形輸出設(shè)備-光柵設(shè)備液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay等離子顯示器PDP(PlasmaDisplayPanel）發(fā)光二極管顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）平面圖像顯示設(shè)備LCD與PDP具有同樣的缺點，諸如反應(yīng)速度慢，溫度范圍窄，尺寸與視角由限制平顯技術(shù)有了很大的發(fā)展，越來越多的LCD和LED用在電視和計算機(jī)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(yīng)快沒有拖尾現(xiàn)象；利用發(fā)射技術(shù)擴(kuò)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(yīng)力和疲勞，輻射少與其他設(shè)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(shè)備(CRT和LCD)

描的方式生成圖像傳統(tǒng)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(zhì)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(xiàn)，它接受顯示指令的數(shù)字信息，通過顯示處理單元，轉(zhuǎn)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(shù)指標(biāo)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(yīng)z方向的深度來確定(3)打印機(jī)打印機(jī)以紙為介質(zhì)，將打印機(jī)處理后的結(jié)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。擊打式打印機(jī)又可分為針式打印機(jī)、鏈?zhǔn)酱蛴C(jī)、點陣式打印機(jī)、菊花式打印機(jī)等，非擊打式打印機(jī)可分為噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)等。4．輸出設(shè)備41麗臺顯示卡\惠普打印機(jī)424．輸出設(shè)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(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(jī)，其工作原理與噴墨打印機(jī)完全相同，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shè)備

其他輸出設(shè)備有影像輸出設(shè)備和語音輸出設(shè)備等。

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

（1）好的分辨率（1）速度與圖像無關(guān)

a）直線

b）光滑曲線（2）僅需很少的內(nèi)存和指示 優(yōu)點缺點（1）復(fù)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(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備一般包括網(wǎng)絡(luò)適配器、集線器、交換機(jī)、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，對于一個功能完整的CAD/CAM硬件系統(tǒng)，還應(yīng)配置數(shù)控機(jī)床等生產(chǎn)設(shè)備。47網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備482.4CAD/CAM系統(tǒng)選擇原則1.CAD/CAM系統(tǒng)的硬件選擇原則具體應(yīng)考慮以下幾個方面：(1)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開放性：①獨立于制造廠商、并遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用環(huán)境；②為各種應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)、信息提供交互操作和移植界面③新安裝的系統(tǒng)應(yīng)能與原安裝的計算機(jī)環(huán)境進(jìn)行交互操作49CAD/CAM系統(tǒng)選擇原則

可移植性：應(yīng)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(kuò)展能力由于硬件的發(fā)展更新很快，為保護(hù)用戶的投資不受或少受損失，應(yīng)注意欲購買產(chǎn)品的內(nèi)在結(jié)構(gòu)是否具有擴(kuò)展和升級能力，能否向下兼容。(4)系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性和服務(wù)質(zhì)量可靠性：在給定時間內(nèi)，系統(tǒng)運行不出錯的概率。應(yīng)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(biāo)。

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

運行穩(wěn)定可靠、容錯性好、人機(jī)界面友好，價格合理。

(2)與硬件匹配若軟、硬件都需配置，應(yīng)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(yīng)檔次軟件。

(3)二次開發(fā)環(huán)境(4)開放性(5)軟件商的綜合能力51其他顯示設(shè)備52數(shù)字光處理?-DLP?由德州儀器公司生產(chǎn)的基于半導(dǎo)體,的顯示(1993)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.DLP?投影系統(tǒng)的的燈泡產(chǎn)生白光當(dāng)它投到投影平面時通過一個彩色轉(zhuǎn)輪.DLP?投影系統(tǒng)1-芯片和3-芯片系統(tǒng)53光真空管顯示54高性能計算與高端虛擬化55虛擬現(xiàn)實和工廠設(shè)計56572.43D數(shù)據(jù)獲取及其應(yīng)用

從測距傳感設(shè)備或3D攝像機(jī)得到的3D圖像/數(shù)據(jù)–根據(jù)它們的x,y,z坐標(biāo)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CAD模型的機(jī)器視覺生成

反求工程

機(jī)器視覺和智能機(jī)器人

車輛尺寸測量和交通監(jiān)視

掃描3D物體,人體,藝術(shù)作品

圖像獲取設(shè)備機(jī)械傳感器(測量和掃描)激光掃描

*基于三角測量測距傳感設(shè)備

*基于消耗時間測距傳感設(shè)備

58以自由形狀的汽車設(shè)計為例59汽車設(shè)計和CAD模型生成60根據(jù)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(jù)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(jī)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(jī))

獲得