CAD/CAM 原理与应用

1. CAD/CAM原理与应用 第2章 CAD/CAM系统的 硬件和软件

2. CAD/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。 图2-1 CAD/CAM系统体系结构

3. 2.1 CAD/CAM系统类型 通常可以从CAD/CAM系统使用的计算机类型和计算机的连接 方式两个角度对CAD/CAM系统进行分类。 根据使用的计算机性能和类型不同，可将CAD/CAM系统分为 大型机CAD/CAM系统、小型机CAD/CAM系统、工程工作 站CAD/CAM系统及微型机CAD/CAM系统四种类型。 按照CAD/CAM系统的计算机连接方式，可分为：单机方式的 CAD/CAM系统和联机方式的CAD/CAM系统两种。 1．按使用的计算机类型划分 (1) 大型机CAD/CAM系统 该系统一般具有大容量的存储器，并以计算功能极强的大型通 用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百台图形终端和 字符终端及其他图形输入和输出设备。

4. 图2-2 大型机CAD/CAM系统 CAD/CAM系统类型 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. CAD/CAM系统类型 ★主要优点： ① 系统具有一个大型的数据库，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。尤其在三维造型和进行有限元分析时。

6. CAD/CAM系统类型 (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。 在此期间从国外购进的CAD/CAM系统大都属于这种类型。 ★ 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。 ★ 主要生产厂商： 美国的CV、Intergraph、DEC、Calma、Unigraphics和法国的Euclid等。

7. 小型机CAD/CAM系统 图2-3 小型机CAD/CAM系统

8. CAD/CAM系统类型 (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、它是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。

9. CAD/CAM系统类型 图2-4 工作站系统

10. CAD/CAM系统类型 (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系统近年来增加很快，并逐渐成为主流。这类系统不 仅能够进行二维拼图和绘图，而且可以进行三维造型和复杂的分 析计算。由于网络技术的发展，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。 目前，性能较好的CAD/CAM软件都有微机版。

11. 图2-5 PC机系统 CAD/CAM系统类型

12. CAD/CAM系统类型 2．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。 图2-6 单机方式的CAD/CAM系统

13. CAD/CAM系统类型 (2) 联机方式的CAD/CAM系统 联机方式的CAD/CAM系统由一组连成网络的多台计算机组 成，网络内的计算机各司其职，一部分用于面向用户的数据处 理，一部分用于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 集中式采用一个集中式计算机与多个 用户(工作终端)相联，完成所有的数据 处理任务，相邻用户之间的通信都通过 集中式计算机进行。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。 图2-7 集中式系统

14. CAD/CAM系统类型 b) 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，系统中某计算机出现故障不会影响其他计算机工作，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。

15. CAD/CAM系统类型 图2-8 分布式系统

16. 2.2 CAD/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。

17. CAD/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。主机的类型及使用性 能很大程度上决定了CAD/CAM系统的使用性能。 (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。其 中控制器按照从内存储器中取出的指令控制计算机工作，运算器 则对数据进行算术运算和逻缉运算，运算结果暂时存储在内存储 器中。 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. CAD/CAM系统的硬件 酷睿i7 E965

19. CAD/CAM系统的硬件 (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。操作系统、应用 程序和应用数据开机后被陆续加载到内存中，供CPU和其他硬件 存取。目前PC机使用的内存一般都是动态随机存储器，一旦断 电，其中的信息就立即全部消失。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。 BIOS内的信息是在 厂家生产过程中一次性写入的，一旦写入不能再改写，所以称为 “只读”存储器。现有的主扳改用EPROM制作，可用软件改写。

20. CAD/CAM系统的硬件 金士顿 内存条

21. CAD/CAM系统的硬件 (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。

22. CAD/CAM系统的硬件 微星 主板

23. CAD/CAM系统的硬件 2．外存储器 主机中的内存储器直接与CPU相连，存储速度快，但价格高， 且断电后信息即丢失，故计算机系统都配置了外存储器，以长期 保存有用信息。常用的外存储器有：硬盘、光盘和优盘。 (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，目前，在PC机系统 中所使用的硬盘驱动器几乎都是温彻斯特式，可分为内置式、外 置式和活动式等几种。衡量硬盘优劣的技术参数是存储容量、读 写速度及数据传输速度。目前硬盘的容量越来起大，转速越来越 高，以满足系统和不断扩大的应用软件的需求，常用的硬盘有 160G、250G、320G等。

24. CAD/CAM系统的硬件 希捷 硬盘

25. CAD/CAM系统的硬件 (3)光盘 光盘主要用于机外数据的存储，与硬盘相比，容量小，存储速 度慢，但价格便宜，便于携带。根据性能和用途的不同，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。光盘驱动器的基本原理是光驱马达带动 光盘高速旋转，激光读取头在光盘表面横向移动读取存储在光盘 数据轨迹中的数据。从接口类型上分为IDE、SCSI、USB等几 种，容量一般为650M。DVD是1996年底推出的新一代光盘标 准，它的出现大大提高了光盘的数据存储量，目前已成为主流。

26. CAD/CAM系统的硬件 明基 DVD刻录机

27. CAD/CAM系统的硬件 3．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。根据不同类型的数据，常用的输入设备有：键盘、 鼠标、数字化仪、扫描仪及其他输入设备等。 (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 中，还可进行定位、拾取等工作。 (2) 鼠标 鼠标是一种常用的手动输入的屏幕指示装置，可将运动值转化 为数字量，并通过确定运动的距离和方向完成定位工作。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。

28. CAD/CAM系统的硬件 (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。

29. CAD/CAM系统的硬件 数字化仪

30. CAD/CAM系统的硬件 (4) 扫描仪 扫描仪用于文字和图像的输入，它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。 目前市场上的扫描仪大致可分为三类：手持式扫描仪、平板式 扫描仪和大幅面扫描仪。手持式扫描仪主要用于名片制作等方面； 平板式扫描仪主要用于广告和印刷等行业，主要为A4幅面，分辨 率通常为1200dpi，色彩数为48位；大幅面扫描仪是指A1、A0幅 面的扫描仪，分辨率为300~800dpi，用于大幅面图纸的输入。

31. CAD/CAM系统的硬件 明基 扫描仪

32. CAD/CAM系统的硬件 4．输出设备 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。作为系统的输入设备，显示器可以随时对用户的操作作 出及时的响应；作为输出设备，可以将设计结果及时提供给用户。 因此，显示器是人机交互必不可少的工具。 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。

33. CAD/CAM系统的硬件 三星 液晶显示器

34. CAD/CAM系统的硬件 (2) 显示卡 显示卡用于控制图形显示的具体实现，它接受计算机CPU有关 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，显示缓存的具体大小是由显 示分辨率、每个像素的色彩数(如256色)、每个像素对应三维空间 中z方向的深度来确定的。 (3) 打印机 打印机是最常用的输出设备，它以纸为介质，将打印机处理后 的结果变为永久性的可保留信息，也称为硬拷贝。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。

35. CAD/CAM系统的硬件 丽台 显示卡

36. CAD/CAM系统的硬件 惠普 彩色激光打印机

37. CAD/CAM系统的硬件 (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。

38. CAD/CAM系统的硬件 惠普 绘图仪

39. CAD/CAM系统的硬件 5．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。

40. CAD/CAM系统的硬件 网络传输设备

41. 2.3 CAD/CAM系统的软件 整个计算机系统的工作过程和功能都是由软件来控制和实现的，软件的配置水平决定了CAD/CAM系统性能的优劣，它是实现系统各项功能技术的核心。随着CAD/CAM系统功能愈来愈复杂，软件成本所占的比重愈来愈大，软件在系统中所占的地位也越来越重。

42. CAD/CAM系统的软件 1．系统软件 是使用、管理、控制计算机运行的程序的集合，是用户与计算机硬件的连接纽带。 ＊ 作用： ①为用户提供一个清晰、简洁、易于使用的友好界面； ②尽可能使计算机中的各种资源得到充分而合理的应用。 ＊ 特点：通用性和基础性。 ＊ 组成部分： 管理和操作程序、维护程序和用户服务程序。 2. 支撑软件 是CAD/CAM系统的核心。它不针对具体的设计对象，而是为用户提供工具或开发环境，不同的支撑软件依赖一定的操作系统，又是各类应用软件的基础。可从市场购买，也可自行开发，如绘图软件、几何建模软件、有限元分析软件等。

43. CAD/CAM系统的软件 3．应用软件 应用软件是用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序 系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程，或基于某种 支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可 为多个用户使用的一类软件。 应用软件体现了CAD/CAM系统解决具体实际问题的功能，因 此，应用软件的水平、质量及可靠性往往是决定CAD/CAM系统生 产效益的关键因素。 程序设计语言是开发应用软件的基本工具，在CAD/CAM系统 中应用较多的是高级语言，如Visual Basic、Visual C++等。

44. 2.4 CAD/CAM系统选择原则 1. CAD/CAM系统的硬件选择原则 CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应CAD/CAM技术发展水平，而且要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件(包括经费、人员技术水平等)为前提，以制造商提供的性能指标为依据。以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加以决策。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。

45. CAD/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。

46. CAD/CAM系统选择原则 CAD/CAM系统的软件选择原则 (1) 软件性能价格比 运行稳定可靠、容错性好、人机界面友好，价格相对合理。 (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，配备相应档次的软件。 (3) 二次开发环境 (4) 开放性 (5) 软件商的综合能力

47. 复习思考题 1. CAD/CAM系统的硬件组成，给出常用硬件的名称。 2. CAD/CAM系统的软件组成。 3. 根据CAD/CAM系统使用的计算机类型和计算机连接方式对CAD/CAM系统进行分类，并绘图表示。

48. Nanoform 250 多轴超精密复合加工系统