机电系统CAD：1绪论

1． 绪论 机电系统就是机电一体化系统，机电一体化系统是光、机、电、液、控制技术和软件技术集成起来而形成的复杂系统。 机电一体化（mechatronics）一词是机械（mechanics）和电子（electronics）两个词的合成词，20世纪70年代中期由日本首先开始使用，现在已得到欧美各国的普遍认同，并得到广泛使用。近年来，随处可见许多以前仅有机械结构实现运动的装置，通过与电子、软件技术相结合而得到显著改进和提高的实例。 按照上述机电一体化的定义，机械工程学科和电子工程学科是机电系统的两个支柱。但除此之外，机电一体化还是控制工程和信息工程学科等的多学科综合技术。图1-0 所示的是构成和支撑机电一体化的学科和技术。 图1-0 考察近年来机电一体化技术迅速发展的原因，可以归纳为如下的几个方面： 半导体和集成电路技术的不断发展和价格越来越低； 计算机及其编程语言和应用技术的进步； 控制技术和仿真技术的不断发展； 小型化、功能强的传感器和执行装置的进步等。 由于上述各个方面今后还将不断发展，所以可以预见机电一体化将还会有更加广阔的发展前景。 但机电系统组成的复杂性和技术复杂性给其设计带来了新的问题，单一学科的人员难以完成，一般是多学科小组形式的开发团队形式。计算机辅助设计（Computer aided design - CAD）成为机电系统开发的必备工具。本书主要分析计算机辅助机电系统设计中存在的诸多问题和关键技术，为机电系统的开发提供技术支持。 本章简要介绍CAD技术的发展、特点和应用，并对其常用的计算机及外围设备、图形设备、CAD软件和集成系统的组成及其特点进行讨论。通过本章的学习，可使读者了解国内外常见的CAD系统的功能特征，并能正确地选择CAD系统应用于工程和产品设计。 1．1 CAD技术的发展和应用 1．1．1 发展过程 计算机辅助设计主要研究用计算机、外围设备、图形输入输出设备和相应的软件帮助人们进行工程和产品设计的技术，它是随着计算机、外围设备、图形设备及其软件的发展而发展的。 1．准备和酝酿时期（20世纪50～60年代初） 1950年美国麻省理工学院（MIT）研制出类似于示波器的图形设备“旋风I号”（Whirlwind I ），用它可以显示简单图形。1958年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪；Gerber公司研制出平板绘图仪。整个 50年代，人们大多采用电子管计算机，用机器语言编程。计算机主要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输出功能，CAD技术处于被动式的图形处理阶段。 2．蓬勃发展和进入应用时用（20世纪 60年代） 1962年美国 MIT林肯实验室的 I. E. Sutherland发表了“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，如1964年美国IBM公司推出了商品化的计算机绘图设备，美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，可实现各阶段的汽车设计。60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。 3．广泛使用的时期（20世纪70年代） 1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。在此时期出现了廉价的固体电路随机存储器、产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等多种形式的图形输入设备，出现了面向中小企业的 CAD/CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用者超过25000人。 4．突飞猛进的时期（20世纪80年代） 在这个时期，图形系统和CAD/CAM工作站的销售量与日俱增。 1981年美国实际安装CAD系统5000套，1983年超过12000套，1988年发展到63000套。CAD/CAM技术从大中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 5．开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（20世纪90年代） CAD技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的开放性。由于微机加Windows 95/98/NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此，现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。 图形接口、图形功能日趋标准化。从1977年由SIGGRAPH图形特别兴趣小组GSPC推出CORE图形标准以来，又出现了计算机图形接口 CGI（computer graphics interface），计算机图形文件标准 CGM（computer graphics metafile），计算机图形核心系统 GKS（graphics kernel system），面向程序员的层次交互式图形标准PHIGS （Programmer’s hierarchical interactive graphics standard），基本图形转换规范 IGES（initial graphics exchange specification）和产品数据转换规范STEP（standard for the exchange of product model data）等。这里的标准有些是面向图形设备的驱动程序包，有些是面向用户的图形用户接口程序包，有些是面向不同CAD系统的文档规范。这些由国际标准化组织（ISO）制定的标准为CAD技术和系统的推广、移植和信息资源共事起到了重要的作用。 CAD技术的集成化主要体现在四个方面： （1） 系统构造由过去单一功能变成集成功能，软构件和软总线技术普遍采用，出现了由计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）/计算机辅助工程（CAE）/计算机辅助工艺设计（CAPP）/产品数据管理（PDM）等功能模块构成的计算机集成制造系统（CIMS）。 （2） CAD技术中的有关软件（合国际标准）和算法不断固化，即用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能。 （3） 多处理机、并行处理技术用于CAD中，使工作速度成数量级地提高。 （4） 网络技术在CAD中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享，实现了异地、协同、虚拟设计和制造。 在CAD系统中综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD的新学科。智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图1．1．1所示的结构。集成化、智能化CAD技术与系统是真正实现设计自动化的关键。 图1.1.1 智能CAD系统 l．1．2 应 用 我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划级要中指出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现‘甩掉图板’（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国 CAD市场，扶持发展以 CAD为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业”。重点在机械制造业的大中型骨干企业和科研单位中普及应用CAD技术；同时，在全国各类企事业单位中大规模应用CAD技术。到 2000年，机械制造业应用 CAD技术的普及率和覆盖率均达 70%以上，CAD应用水平达到国外工业发达国家80年代末、90年代初的水平。工程设计行业CAD普及率和覆盖率均达到100%，实现勘察设计手段从传统的手工方式向现代化方式转变，CAD应用水平达到国际90年代中期先进水平。广义CAD的应用一般从绘制二维工程图开始，逐步深入到图纸文档电子化管理、三维造型、装满渲染、有限元分析与优化设计、工艺设计、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、制造资源管理、企业资源管理、异地协同虚拟设计制造等内容。CAD技术的应用归纳起来主要有以下几个方面。 1．工程和产品设计 工程和产品设计包括的范围很广，大到机场、桥梁、高速公路、地铁等工程项目和飞机、火车、汽车、船舶、火箭、影视片等产品，小到衣服、鞋、帽、头发、广告画等。超大规模集成电路的设计制造离开CAD将无法进行。沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目；沪东造船厂应用 CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍，使其从粗放的造船模式向精密造船模式转化；西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改，避免了重大损失；寰球化工工程公司应用 CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检查后，使95%以上错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米，钢结构压缩机厂房10万个钉孔中，不对中的孔不到10个，这是人工设计绝对办不到的。在我国类似的实例不胜枚举。 2．计算机艺术和影视、动画片制作 应用高性能的CAD系统可以真实地模拟机械零件的加工处理、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏等过程；在电影界可用来产生动画片和电影片的特技镜头以及数字电影。 3．事务处理 在事务处理中采用CAD技术可绘制各种形式的统计图表，如直方图、扇形图、库存留等。用图表反映事实将会更清晰、形象直观，还可以显示计算机系统中信息流、控制流的运作情况。 4．绘制测量图 用CAD技术绘制的地理、地形图、矿藏勘探图、气象图、人口分布密度图以及有关的等值线、等位面图，早已在生产建设中产生了巨大的作用。 5．机器人 用CAD技术可以模拟各种形式的机器人、机械手及其运动环境。现在CAD技术已成为工程界普遍重视、深入了解、广泛应用、不断发展和提高的热点，以后它所发挥的作用将会越来越大。 1．1．3 应用CAD技术的优缺点 CAD技术涉及的学科较广泛，它基本上是计算机硬、软件及其相应的应用专业学科的高度综合，三者缺一不可。 CAD技术在工程和产品设计中所起的作用如图1．1．2所示。
CAD技术是人用计算机硬、软件帮助进行工程和产品设计的一种手段。要正确应用CAD技术，有必要对人与计算机的作用有一定的了解，为此列表 1．1．1。 表1．1．1 人与计算机在CAD中的作用 活 动 人 计 算 机  逻辑方法 经验的直觉，幻想和直观 系统和形式化  智能水平 学习快，但必须顺序进行，效果因人而异 学习能力很小，智能程度可靠  信息输入方式 能同时听、看，以吸收大量资料 有步骤地形式化输入   从表1．1．1可见，计算机没有自我学习的能力，没有创造性，必须由人告诉它如何工作。从构造设计逻辑、信息处理、修改和分析等四个方面来看，人和计算机各有优势，只有把人的直观处理、经验继承、创新能力和计算机高速度、大容量、精确的数字处理能力结合起来，才会产生好的效益。由此也告诉我们对CAD技术的学习和应用必须要有一个正确的认识。具体而言，应用CAD技术的优越性有： （1） 减少绘图劳动量。 （2） 减少各工序间的周转时间。 （3） 减少直接设计费用。 （4） 提高精度。 （5） 便于企业内部的管理和对外联系。 （6） 易于修改设计。 （7） 易于建立标准图及标准设计库。 （8） 易于广泛应用标准图和标准设计。 总之，应用CAD技术可以缩短设计周期，节省人力物力，降低成本，提高质量。但CAD技术的应用也会产生一些负作用，具体表现为： （l） 初始投资（硬件、软件、机房、培训费）相当大，对于一些中小企业常常负担不起。 （2） 由于设计员、操作员对CAD系统及有关技术不熟悉，已有的应用资料和经验数据还没有输入到CAD系统中去，在开始应用CAD系统的六个月内会出现生产力下降的现象。 （3） 有一定的影响健康的因素，如长期看显示屏幕造成的疲劳和硬件噪声的影响。 （4） 工程应用的专业人员需适当改行，或进行知识结构的调整和再学习。 但这些不利因素大多数是暂时的，经过一段时间的工作是完全可以克服的。 1．2 CAD硬件 CAD硬件主要由计算机、常用外围设备、图形输入输出设备组成。 1．2．1计算机及其常用外围设备 1．计算机 计算机在科学计算和事务处理中的作用已皆为人知，同样它在CAD中也起着主导作用。计算机由输入设备、输出设备、运算器、内存储器和控制器五部分组成，其结构框图如图1．2．1所示。当前大部分计算机各部件之间是用总线连接起来的，如图1．2．2所示。 在此结构中将运算器和控制器合并在一起，称为中央处理器（CPU：central processing unit）。计算机一般分为大（巨）型机、小型机、工作站和微型机，用于数据处理、信息处理、知识处理和智能处理。 CAD主要采用工作站和微型机。随着集成电路器件和计算机系统结构的改进，目前微型机也已达到过去大型机的性能指标。常用的计算机以单CPU为主，为了提高处理速度和能力，也采用多CPU的计算机，多CPU的计算机结构分别如图1．2．3和图l．2．4所示。微型计算机CPU的发展趋势如表1．2．1所示，从中可见，目前微机已达到过去大型计算机的性能指标，而其价格下降了几个数量级。

2．存储器 计算机的存储器有内外之分，内存储器由集成电路芯片构成，外存储器一般使用磁盘或光盘。 （1）磁盘：计算机的基本功能是数据处理，用户使用计算机处理的信息绝大多数存储在磁盘（硬盘）上，即磁介质上。计算机可以将最基本的数据“0”和“l”电信号通过磁头在磁介质上转化为磁信号而完成记录（写）的过程；也可以将磁介质上已记录的磁信号通过磁头还原成“0”和“l”的电信号（读）。目前，全球磁盘驱动器（HDD）年产销量上亿台，盘径130mm（5.25英寸）的单台最高容量已超过45GB，90mm（3.5英寸）产品已达18GB，65mm（2.5英寸）产品容量已超过9GB；主轴马达转速为7200r/min，最高已达12000r/min。这对提高存取速度、盘片数据传输均有重要作用。近来，一种激光与磁学综合的光学温彻斯特技术可得到每平方英寸存储5GB的巨大容量。随着网络多媒体应用的需求，磁盘接口除了EIDE，Ultra，SCSI外，高速光纤通道IEEE 1394等产品也已广泛应用。 （2）光盘： 光盘是用激光技术实现的一种海量存储器，泛指光盘只读存储器CD－ROM。按其传输速率分为第一代光盘CD－ROM 1X（150KB/s），第二代光盘CD－ROM 2X（300KB/s），目前已有CD－ROM 24X（3600KB/s），这类光盘最高可达CD－ROM 32X。1995年 Sony/Philips联盟开发出一种单面高密度光盘，容量达 3. 7GB；东芝/松下联盟开发的一种双面光盘容量达5GB。1997年可读写光盘已经普遍使用。1995年用激光技术实现的高密度数字光盘DVD问世（digital video disk）。DVD既可作为计算机的存储器，又可用于影像、游戏等领域。DVD在外形上与CD－ROM相似，均为12cm直径，其存储容量高达4.7GB到17GB。DVD采用MPEG－Ⅱ压缩方式，使得单面单层的一张盘片可以存储133分钟电影，清晰度达500～1000线。DVD－ROM除需一台驱动器外，还需要一块MPEG—Ⅱ解压卡。 3．计算机系统 常用的计算机系统有单机和联网工作方式两种。单机工作方式如图1．2．5所示。联网又分为集中式、分布式和环网式，如图1．2．6所示。 4．计算机网络 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。它利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络中的资源共享和信息传递。计算机网络按其所处位置的远近分为局域网（LAN）和广域网（WAN）。LAN将计算机与外围设备互联起来，使用户可以通信、共享资源，如数据库、打印机、绘图仪等，还可访问其他计算机或其他网。WAN由远程线路，如电话交换网、公用数据网、卫星等，将地理位置不同的两个或多个局域网连接起来。网络上设备之间的拓扑连接形式有：
（l）总线型：所有设备连接到干线电缆，干线电缆构成网络总线或中枢。 （2）星 型：所有设备连接到一个点上，此中心点为网络的集线器（hub）。 （3）环 型：所有设备串行连接，构成一个回路或一个环。 实际的网络连接是上述三种模式的混合型。 某企业的一个实用网络连接如图1．2．7所示。其中楼宇结构化综合布线均采用五类标准无屏蔽双绞线，楼间用光纤连接，网络采用树型结构，便于集中管理。由中心机房到各配线间，构成大楼网络的主干系统，交换机到交换机的主干连接为100MB交换，交换机到集线器为10MB交换，集线器到一般用户端为10MB共享。异地通过卫星通信连成一体，NT主干网采用TCP/IP协议。为确保系统具有较高的可靠性，在主信道发生故障时启用备用信道。网络的Internet出口经过防火墙控制，以保证网络的安全。
1．2．2图形输入设备 图形输入设备从逻辑上分为六种，如表1．2．2所示，但实际的图形输入设备往往是某些逻辑输入功能的组合。 目前正在研制，尚未达到实用阶段的图形输入设备的种类很多。其中图形输入效率较高的设备有语音输入和扫描输入。语音输入是人用自然语言输入图形特征参数及其属性参数后，即可在显示屏幕上或绘图仪上输出用户要求的图形。图形扫描输入是把已有图形（或工程图纸）放在图形输入板上，经过光电扫描转换装置的作用，即可把图形的像素特征乃至几何特征输入到计算机内。这种输入方式在对已有图纸建图形库，或进行图像处理及识别等方面具有实用价值，但在扫描工程图纸矢量化、结构化等方面尚未达到实用。
1．2．3图形显示设备 图形显示设备是CAD系统中必不可少的核心装置。大多数图形设备中的监视器采用标准的阴极射线管（CRT： cathode ray tube）结构，也有采用其他技术的显示器，如液晶显示器、激光显示器等。 1．CRT CRT显示器的类型可分为球面、平面直角和柱面三种。平面直角显示器的实际工作面积大于球面显示器。柱面显示器在垂直方向几乎没有弯曲，其效果又优于平面直角显示器。显示器的尺寸越大，提供的工作空间越大。15英寸显示器比14英寸显示器只大了l英寸，但实际使用面积却大了20%～30%。17英寸比15英寸显示器使用面积大了50%以上。显示器的点距多为0.28mm和0.25mm。点距越小，图像越细，其质量越好。显示器的闪烁率以72HZ以上为推荐刷新频率。 2．彩色CRT CRT显示不同颜色的图形是通过把发生不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示。影孔板法广泛用于光栅扫描的显示器中（包括家用电视机）。这种CRT屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光物质，每一组有三个荧光点。当某组荧光物质被激励时，分别发出红、绿、蓝三原色，而每一束电子束的电流强度控制着三点组产生的红、绿、蓝三种光的强度，混合后即产生不同颜色。例如，关闭红、绿电子枪就会产生蓝色，以相同强度的电子束去激发全部三个荧光点，就会得到白色。在廉价的光栅图形系统中，电子束只有发射、关闭两种状态，因此只能产生8种（23）种颜色。比较复杂的显示器可以产生中间等级强度的电子束，因而可达几百万种颜色。 3．显示卡（图形卡） 一台微机通常由主板（含CPU，如 PⅡ/450等）、硬盘（如奔腾 4.3GB）、内存（如 168线 32MB SD）、显示器（如菲利浦 30cm）、显示卡（如 AGP）、光驱（如索尼 24速）、软驱（如索尼90mm）、鼠标器（如康柏）、键盘（加宏基）、机箱（如ATX结构）等组成，其中显示卡也是必不可少的重要部件。目前较为流行的显示卡有PCI和AGP两类。显示卡主要用于解决输人（I）输出（O）总线速度远远慢于CPU内部处理速度的问题。与传统的显示卡相比，AGP在传输总线上有较大改进。它在显示加速卡和系统内存之间建立了一条高速通道，从而可用低廉的价格获得更好的三维图形显示性能；而传统的PCI显示卡与硬盘、网卡等设备共享一条通道，其结构如图1．2．8所示。 显示卡一般都有显示缓存。根据不同的需求，显示缓存有2MB，4MB，8MB等配置。显示缓存的具体大小是由显示分辨率（如1024 X 1024，即显示屏上像素的个数）、每个像素的色彩数（如 256色，真彩色为 224色）、每个像素对应三维空间中 Z方向的深度来确定的。为了加速每个像素的显示和渲染，还要分别占用前台缓存和后台缓存两个缓存区。因此，1024X1024分辨率、真彩色（224）、16位Z缓存、两个缓存区的显示缓存的大小为1024X1024X24/8X2＋1024X1024X16/8，约为8MB（其中，1024X1024是显示分辨率，24是真彩色的位面数，8代表一字节，2代表两个缓存区）。如果对表面纹理有要求，则还应增加纹理缓存，如用2MB，此时显示缓存配置到10MB较为理想。
1．2．4绘图输出设备 图形显示设备只能在屏幕上产生各种图形，而在CAD中还必须把图形画在纸上，产生工程图纸。常用的绘图输出设备也称为硬拷贝设备，有打印机和绘图仪两种。 1．打印机 打印机是最廉价的产生图形的硬拷贝设备，又分为撞击式和非撞击式两种。撞击式打 印机使成型字符通过色带印在纸上，如行式打印机、点阵式打印机等。非撞击式打印机常用的技术有：喷墨技术、激光技术、静电复印技术等，这类打印设备速度快、无噪声。 2．绘图仪 在 CAD工作中最常用的是笔式绘图仪，也有采用喷墨、静电或激光技术的绘图仪。与打印机不同，绘图仪需要有辅助的软件命令，并能根据程序要求，有选择地绘出图形。 在笔式绘图仪上，电脉冲通过驱动电机与传动机构使画笔移动的距离称为步距，或脉冲当量。步距愈小，画出的图形越精细。一般国产绘图仪步距为0.l～0.00625mm。国外质量高的绘图仪步距可达0.001mm。通常0.l mm的步距可以满足一般图形的要求，0.005mm的步距可以使人的肉眼觉察不出阶梯状的波动，而0.00625mm的步距可满足一般精密绘图的要求。笔式绘图仪可分为滚筒式和平板式绘图仪两类。滚筒式绘图仪是用两个电机分别带动绘图纸和绘图笔运动。这类绘图仪构造简单、价格便宜，但速度和精度不会太高，近来已被喷墨线图仪和激光绘图仪所取代。平面电机驱动的平板式绘图仪采用两轴同时驱动的单向脉冲电机。动子重量轻，兼作为笔架；它与定子间采用空气轴承，速度快，每分钟可达120米；且精度高，维修方便，但价格贵。如美国XYNETICS绘图仪、日本精工社的绘图仪等，由于其价格昂贵很少用于绘图。喷墨、激光绘图仪因其价廉，速度快，精度较高，已成为当今绘图仪的主流产品。 1．3 CAD系统 CAD技术集中体现在CAD系统上，CAD系统是最终用户用来实现设计思想，加速产品和工程设计的信息化工具。 1．3．1 CAD系统的分类 CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历过三个阶段的发展，即许多用户共享一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。CAD系统的基本组成如图1．3．l所示。从系统结构上看，CAD系统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。集中式系统的模块如图1．3．2所示。这种系统要求有功能较强的计算机，一次投资大，使用起来不灵活，在80年代中期以前应用比较广泛。自从工作站和高性能微机问世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这类集中式CAD系统。一个典型的CAD网络系统如图1．3．3所示。

CAD系统可分为三个层次，如图1．3．4所示。基础层由计算机、外围设备和系统软件组成。由于微电子技术的飞速发展（见表1．3．2），微机已成为CAD系统的主流计算机（包括服务器和客户机）。若配置大屏幕高性能的显示器及其显示卡，微机的计算和图形处理功能和性能完全能够满足不同领域CAD的需求。外围设备主要是喷墨、激光打印机（或称之为绘图仪）和扫描仪（输入已有图档）。对于系统软件，工作站上流行Unix、Motif操作系统；微机上流行 Windows 95/98/NT操作系统及其支撑软件、系统开发和维护的工具软件。支撑层包含了图1．3．4所示内容，随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的 CAD工作。
1．3．2 如何选择CAD系统 CAD系统是一个人与计算机软硬件相结合的系统，用来帮助从事设计、制造、生产的工程技术人员提高工作效率，扩展工作能力，逐步将传统的分散、重复、串行的作业方式集成起来，实现分布式并行作业。一个企业、一个部门若要建立一套运行有效的CAD系统，除了图1．3．4所示的硬软件外，还必须有人才培训、专用软件开发和CAD技术服务三个基础。从总体上说，为了有效地应用CAD系统，在选型中应遵守“提前培训人才，针对应用需求选择软件，根据软件运行环境配置计算机硬件”的原则；决不能先买硬件，再配软件，后找人。从质量的观点看，选型过程中不仅要重视比较分析系统的功能和性能，还要充分考虑系统的可靠性、适用环境以及系统供应商的技术支持和服务能力。 选择CAD系统应考虑的因素有以下一些可供参考。 （l）系统的性能价格比 这是决定系统取舍的主要条件。拟从以下几个方面考虑： ① 主机的 CPU运算处理能力、主存容量、外存容量、输入输出吞吐作业能力、通信联网能力、图形显示（分辨率、色彩种类、浓淡处理）和处理能力（二维、三维作业，动态功能等）及与多种外设接口的能力。 ② 各种外设配备情况。输入设备：键盘、鼠标器、数字化板、扫描仪，输出设备：打印机、绘图机等。 ③ 操作系统、语言编译系统、图形支持系统、软件开发工具、软件平台、软件集成技术、数据管理系统。
④ 通用支撑软件，包括工程绘图、几何造型、计算机辅助工艺设计、数控编程、有限元分析等。 ⑤ 专业应用软件，要根据各个企业不同专业领域的需要具体选配。 上述各种性能都要和其价格联系起来，根据性能价格比进行综合评价后再作选择。 （2）开放性与可移植性 所谓开放性的定义是： 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已安装的计算机环境进行交互操作。 POSIX对开放系统定义为：在接口、服务和支持方式上充分采用规范，以便使常规应用软件经过最少的变化，便可在很大范围内的多种系统之间进行移植，并可与本地和远程系统中的其他应用软件进行交互操作，同时允许用户按照自己的习惯进行移植。 伴随开放式系统，几个相关的概念，如交互操作性（inter operability）、规模可变性（scalability）、可移植性（portability）和可连接性（connectivity）也已成为选择 CAD系统的指标。 对上述4个名词的解释是： ① 交互操作性是应用程序之间的“交谈”； ② 可连接性是系统之间的“交谈”； ③ 可移植性为应用程序从一个平台上移植到另一个平台上提供方便； ④ 规模可变性是指同一软件可在某一系列产品的各种系统上均能运行的能力。 （3）系统升级扩展能力 所选购的系统，随着应用规模的扩大，应该具有升级扩展的能力。原有的系统应能在新的系统中继续应用，保护用户的投资不受损失。 （4）可靠性与维护支持能力 系统可靠性的定义是；程序在其运行的计算机系统上，在给定时间内不出错的概率。对于可靠性的度量可考虑以下三点： ① 平均错误间隔时间（MTBE： mean time between error）； ② 平均修复时间（MTTR：mean time to repair error）； ③ 正常运行时间的百分率（Percent uptime）。 对于一个CAD系统来说，维护问题愈来愈重要。特别是对于软件，维护阶段约占其整个生存期的67%以上。维护工作是否完善、有效，决定了整个系统的运行效果。可维护性的定义是：纠正系统错误或故障以及为满足新的要求需要改变原有系统的难易程度。系统的维护包括三种基本类型：纠错性维护、适应性维护和完善性维护。 对于一个具体的CAD系统，不仅要求它本身的质量好，还要求供应商有完善的维护服务机构和手段。维修服务效率高能为用户提供有效的技术支持、培训、故障检修和技术文件。 （5）第三方软件的支持 由于 CAD系统的应用范围日益广泛并且是多种多样的，一个深受用户欢迎的系统，必然有很多第三方公司提供各种应用软件，所以第三方软件的多少是衡量一个系统成熟的重要标志。 （6）供应商的发展趋势与经营状况 计算机技术的发展日新月异，CAD系统厂商的发展也是此起彼伏变化很大，所以在选购一种系统时，不仅要分析、比较它的技术性能指标、价格，而且还要分析供应商的发展变化趋势和它的财务经营状况。有些大公司由于跟不上新技术的发展而被迫改组、转产，也有些技术上很有发展的公司由于经营不善而被兼并、收购。用户由于对公司发展情况不了解，买了即将停产换代的产品或是与即将易手的公司做生意，其后果是很被动的。 1．3．3 CAD支撑软件 CAD面向各行各业的应用软件均是在支撑软件的基础上开发的。前几节已对CAD的硬件作过讨论，系统软件在计算机的有关课程中已有专门介绍，这里仅简要介绍CAD的支撑软件及其有关算法。 CAD支撑软件主要包括以下几方面的内容： （1） 设备驱动程序：如Windows操作系统支持的设备驱动程序集， ISO通过的标准程序库CGI（compute graphics interface），又如HP公司提供的绘图仪、打印机设备驱动程序等。 （2） 窗口管理系统：工作站上流行的Motif窗口系统，微机上流行Windows 95，Windows 98，Windows NT窗口系统；微机上的窗口系统已代替了过去的 DOS操作系统，成为最大众化的操作系统。窗口系统中包含了丰富的图形用户接口（GUI）程序。 （3） 汉字输入输出程序：中文Windows操作系统也已广泛应用。 （4） 二维计算机辅助设计绘图系统。 （5） 三维线框、曲面、实体和特征统一表示的造型系统。 （6） 三维真实图形实时显示系统。 （7） 产品数据管理系统（PDMS：Product data management system）。 （8） 异地协同虚拟设计系统。 （9） 智能CAD系统。 支持CAD支撑软件常用的算法包括以下几种： （1） 与设备相关的直线、圆弧、字符、汉字、区域填充等图素生成算法。 （2） 曲线与曲面的拟合、插值、逼近、光顺和连续性算法。 （3） 图形变换、裁剪及线、面消隐算法。 （4） 0，l，2，3维图素的相交性计算和集合运算算法。 （5） 三维真实感图形的实时显示和并行处理算法。 （6） 科学计算可视化算法。 （7） 虚拟现实环境的处理算法。 （8） 图形数据管理算法。 （9） 图形图像化和图像图形化算法（含压缩和解压算法）。 （10） 异地协同图形处理算法。 （11）从二维图像、线框图重建三维形体算法。 l．3．4 CAD集成系统 CAD系统只能产生工程图纸及其有关的技术说明，只有把CAD和生产制造结合成一体，才能进一步提高生产力。一般产品通常的设计生产过程如图1．3．5所示。只有通过工程数据库、STEP、IGES以及有关应用接口，实现计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助加工工艺设计（CAPP： Computer Aided Process Planning）、计算机辅助制造（CAM：Computer Aided Manufacturing）的集成，才能实现设计生产的自动化，其过程如图1．3．6所示。 CAD/CAPP/CAM一体化的系统结构如图 1．3．7所示，进一步发展的趋势是现代集成制造系统（CIMS），用以真正实现企业信息化。

从发展的过程来看，CAD/CAPP/CAM/CAE系统的数据交换和集成方式有以下三种： （1）松散集成方式：如图1．3．8所示，各系统建立的产品模型各不相同，相互间的数据交换需要在每两个系统间进行数据格式转换。这样的集成方式对于系统的开发者和使用者均带来很大负担。可能存在的一个最大问题是各系统间的模型存在无法转换部分，这就会带来产品数据的不完整性。在这种方式下数据交换和共享的层次也较低，一般只能提供批量数据的传输。 （2）中性文件集成方式：如图1．3．9所示，这种方式存在一个与各系统无关的中性文件格式，各系统的数据均需转变成标准格式的中性文件。每个系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统的细节。这种方式为系统开发者和使用者提供了较大的便利，但仍需要解决各系统间模型统一的问题，只有这样才能保证数据交换顺利进行。数据交换的功能也主要提供批量数据的传输。
（3）共享数据库方式：如图1．3．10所示，各个系统在一个统一的产品数据模型指导下，通过数据库存取接口在集成的产品数据库内存取各种产品数据。同一对象的数据在数据库中只出现一次，各系统对它操作的一致性由数据库保证。在这种方式下，各系统间的数据交换和共享达到很高的程度。数据库提供各系统存取产品数据的并发控制，能够使产品开发各阶段的工作在共享数据库上并发进行，实现数据驱动的并行工程。这种集成方式的优点是在统一的产品数据模型指导下集成，数据库提供了强有力的数据建模、存储、查询、控制等管理功能。
CAD/CAPP/CAM/CAE系统的集成技术是随着产品数据交换技术的发展而发展的。在产品数据交换出现以前，CAD系统只能采用松散的集成方式。随着数据交换标准的出现，中性文件交换数据逐渐得到应用。STEP标准的提出，第一步是要解决以文件交换为基础的集成方式，第二步则是以共享数据库的集成方式作为目标。STEP是由国际标准化组织ISO制定的产品数据表达与交换标准，编号为ISO 10303。根据CAD系统技术的发展和用户需求的分析，基于 STEP的集成化 CAD系统的设计应遵循以下原则： （1）集成系统应完整地反映产品的设计——制造过程，能够保证各种应用功能，诸如绘图、造型、分析、计算、规划、制造以及有关管理事务的正确处理、协调工作。 （2）集成系统应把产品设计——制造过程中涉及到的各种产品数据在统一模型指导下存取和管理，并能在整个过程中共享数据。 （3）集成系统内各子系统间传递的产品数据要求能相互理解，接受数据的系统要求能自动理解、使用这些数据，而不再需要人的干预。 （4）集成系统应在STEP标准支持下具有开放性。数据模型对外开放，并具有数据交换和集成环境，能与其他CAD，CAPP，CAM，CAE系统进行数据交换和集成。提高系统在实际应用环境中的实用化程度。 （5）集成系统在 STEP标准支持下具有可集成性，能在 CIMS环境下与 CIMS中其他模块进行数据交换和集成。