第1章绪论 ·7· 开发中的错误决策，并控制设计过程从这一点出发向一个新的方向进行。此外，通过 简化了的建模方法，如参数法或者特征处理，可以缩短设计的时间。通过改变了的边 界条件，并不需要花费太多的时间就可以使参数化的设计对象能够与新的要求相 话应。 7)提供文档 在传统的设计中，设计结果通常以纸质形式存在。在计算机辅助设计的情况下 包括产品的模型、产品的数据等产品全寿命周期中的相关数据均可以电子化的形式 提供。STEP的定义是产品建模领域的一个重要发展。 到目前为止，很多产品的设计结果仍以二维工程图的形式进行表达。机械CAD 系统应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能：还需要具有处理二 维图形的能力，包括基本图元的生成、标注尺寸、图形的编辑处理等。 图1-2所示为机械CAD的一般过程。 开始 「市场需求分析 确定产品性能 资料和图形库☐ 总体设计☐】 保特闲西都龙 三维几何造型 了是 初步设计☐ 结构设计☐ 有限元分析 CAD 评估决策> 优化设计 工程描述 计算机绘图 [提供生产信息] 零件制造· NC.CA FMS. CAM 质量控制 CAT 成品 图12机械CAD的一般过程
·8· 机械CAD技术 1.2机械CAD系统的构成 所谓系统是指为完成特定任务而由相关部件或要素组成的有机整体。机械 CAD系统可用图1-3所示的分层体系结构描述，总体上是由硬件(Hardware)和软件 (Software)所组成的。硬件是机械CAD系统的物质基础，软件是信息处理的载体。 专业机械CAD妆件 支锋锁作：物0、nEGC 数据库：0 racle,Sybasc,.SQL Server. 网络协议：TCP/P,SPX/IPX Intere/ntranet,操作系统：Windowa,UNX,Linux 硬件平台：网络。计算机，会图机，打印机， 图I1-3机械CAD系统的体系结构 一个机械CAD系统起码应具备计算、存储、对话、输人，输出等五方面的基本功 能，因此机械CAD系统主要由计算机硬件、图形输人/输出设备、计算机系统软件、 机械CAD系统等构成。 1.2.1机械CAD系统的硬件 典型机械CAD系统的基本构成包括计算机、图形输入设备、图形输出设备和外 围设备等几部分，其中常见图形输入/输出设备及外围设备如图1-4所示。 根据主机性能，计算机可分为大中型机、小型机、工程工作站和微机等4种类型； 常见图形输人设备有键盘、鼠标、数字化仪、图形输入板、图形扫描仪、激光扫描设备 等：图形输出设备有图形显示器、绘图机、打印机等；网络设备包括网卡、传输介质、调 制解调器等。 1.计算机系统 主机是计算机硬件的核心，用于指挥、控制整个计算机系统完成运算、分析工作。 主机的类型及性能很大程度上决定了机械CAD系统的使用性能。主机主要由中央 处理器(CPU)、主存储器（内存）和输入/输出设备(1/O)等三部分组成. 中央处理器包括控制器、运算器，以及实现它们各自功能的寄存器，构成微处理 器芯片。内存是计算机的记忆及存储部件。 目前机械CAD系统常用的主机类型有微机、工作站、小型机等。微机价格便 宜，使用方便；工作站通常采用RISC芯片，例如SUN、SGI、HP等机型，处理速度快
第1章绪论 ·9 外围设备 手动输人设备 输出设备 外存设备 显示器 磁存储器 绘图机 学录音带取 二维数字化仪 复简式绘图机 视颜里动器 自动物人设备 最光绘图机 光存储器 石露字化仅 快外 CD-ROM存储器 数字视爽光盘 芙銮 磁光存储☐ 监视器 置瓷绕康机 环境自动拟实 图1-4机城CAD系统的外围设备 有较强的图形处理能力及网络通信能力：小型机则功能更强大。 根据主机在机械CAD系统总体配置及组织中形式的差异，通常有独立式和分 布式两种基本类型。 独立式按使用计算机主机的不同，又分为主机系统、工程工作站系统和个人微机 系统等几种形式。其中主机系统以一个主机为中心，可支持多个终端运行，共享一个 CPU,这种系统的优点是用户共享主机系统的资源。 分布式系统是利用计算机技术与通信技术，将分布于各处的计算机以网络形式 连接起来的系统。网络上的节点可以是微机，也可以是工作站。分布式系统的特点 是系统的软，硬件资源分布在各个节点上，每个节点有自己的CPU和外部设备，使 用速度不受网络上其他节点的影响。通过网络软件提供的通信能力，节点之间可进 行信息通信和交互，实现CAD任务所需的软硬件资源共享。 2.图形输入设备 最常用的输人设备可以以字母、数字或者图形的形式手工输入数据或指令。除 此之外，也存在自动收集图形数据，或者采用自然语言声音输人指令和数据的设备。 1)键盘 键盘拥有ASCI编码键、命令控制键和功能键，可实现图形操作的某一特定 功能
·10. 机械CAD技术 2)鼠标 鼠标是一种手持滚动设备，主要用于指挥屏幕上的光标。鼠标价格便宜，操作方 便，是目前机械CAD系统中使用最广泛的图形输入设备。 普通鼠标主要有光电式鼠标和机械式鼠标两种类型。 3)坐标数字化仪 数字化仪由一块平板和一个探头组成。它按工作原理的不同可分为电磁式、超 声波式、磁致伸缩式和机械式等多种类型。 (1)机械式坐标数字化仪。导轨和测头沿两个方向移动，带动光栅轮移动，产生 光电信号，从而得到两点相对距离的坐标数。 (2)超声波式坐标数字化仪。利用xy方向的超声波传感器和拾取坐标点的笔尖 上的超声波发生器，通过记录的超声波到xy边的最小时间换算出两点间的距离。 (3)全电子式坐标数字化仪。在平板的板面下边，是一块由x方向和y方向组 成的导线网印刷线路板。平板内装有一套电子线路，它向导线网的x方向线与y方 向线依次进行时序脉冲扫描。扫描电流对导线的瞬间激励会引起一个时序脉冲的时 间，进行比较之后，探头所在的位置数据就可以自动得出并送入计算机 (4)三维数字化仪。这类设备通过投影的方法将3D物体的表面结构（线框）输 入到计算机，形成计算机内的3D线框图模型，直接用于真实感显示。2D数字化仪 可视为其特例。因此这类设备称为3D数字化仪(3 Digitizer)。3D自动数字化仪 能够自动地将3D物体的表面形状以及色彩的信息输入到计算机中。 3D数字化仪的工作原理是：投射一组垂直的光线到物体上，镜子从两个视点拾取 光照射后得到轮廓。然后用一个高精度的传感器进行扫描，经由特殊的电路将视频图 像数字化从面临是到一个矩形区域的范围表(range map),这是一个关于距离的测量数 组。数字化仪以这样每投射一组光线得到一个轮廊的办法，沿着物体的周围，扫掠一 遍，直到创建出一个描述整个物体的范围表为止。数字化仪每秒钟收集15000个测量 数组。工作站上的数字化仪最后将范围表经由标准以太网连接送到工作站上的数据 库，数据的输出可以是任何一种现有的图形CAD软件所识别的格式，如DXF等。 4)触摸屏 触摸屏利用手指等对屏幕的触摸位置进行定位，常见的主要有下列形式。 (1)电阻式和电容式。利用两涂层间的电阻和电容的变化确定触摸位置。 (2)红外线式。利用红外线发生和接受装置检测光线的湾挡情况从而发生电平 变化，或通过测量投射屏幕两边的阴影范围确定手指位置。 (3)声表面波式。利用手触及使声波发生衰减，从而转换为x、y坐标。 5)图形扫描仪 扫描仪是通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为数字图像的设备。它 由三部分组成。 (1)扫描头。它由两部分构成：光源发射部分，发射出一束细窄的光线到画面
第1章绪 论 ·11 上；光线接收部分，接收画面所反射的光线并转换为电信号。 (2)控制电路。它将扫描头输出的电信号整形，并通过A/D(模拟/数字)线路转 换为表达方位与光强度的数字信号输出。 (3)移动扫描机构。它使扫描头相对于画面作x和y方向的二维扫描移动。按 照移动机构的不同，扫描仪可以分为两类：平板式和滚筒式。前者将画面固定在平面 上，扫描头在画面上作二维水平扫描移动。后者将画面固定在一个滚简上，扫描头只 作y方向的一维移动，而？方向的移动则由滚筒的旋转完成。 扫描仪也可用摄像机代替，用于对精度要求不高的CAD领域 6)传感手套 传感手套是沉浸式虚拟设计系统的重要交互设备之一，借助于这种数字化设备， 实现了用手代替键盘和鼠标来操纵计算机的目标，是虚拟现实(V℉)技术的-一项重大 突破，使操作者不但可以获得大范围的基于手势的交互操作，同时通过感知单个手指 的运动，还可以增加人在虚拟空间中的自由度和灵活性。另外，除了能够跟踪手的位 置和方位外，传感手套还可以用于模拟触觉。 目前商业化的传感手套主要有VPL公司的Data Glove、Vertex公司的Cyber Glove,Mattel公司的Power Glove和Exos Dextrous Hand Master,它f们使用传感 器测量全部或部分手指关节的角度，某些传感手套还用3D传感器跟踪用户手腕的 运动。图1-5所示为Cyber Glove的外观和传感器工作原理示意图。Cyber Glove 把很薄的应变电测量片放在弹性的尼龙合成材料上。手掌区（和某些模型的指尖）不 覆盖这种材料，以便透气并允许通常的活动。 每个关节的弯曲角由一对应变片的阻值变化间接测量。在手指运动时，一个应 变片受压，另一个应变片受拉。它们的电阻变化造成电桥上电压的变化。手套上每 个传感器有一个电桥电路。这些差分电压由模拟多路扫描器(MUX)进行多路传输， 再放大并由A/D转换器数字化。数字化的电压被主计算机采样，再经过校准程序得 到关节角度。关节的零位位置可以用硬件改变（利用偏置电位计），也可以用软件改 变（利用图形接口）。 3.图形输出设备 输出设备通常用于将由计算机提供的中间结果或者最终结果以图形或字母、数 字的形式表达出来。通常通过显示器或者打印机及绘图机来实现。广义上讲，数字 控制的机器也可以看成输出设备，因为它们同样也可以输出计算结果。 图形输出设备是以纸、胶片、塑料薄膜等为介质，输出人眼可视并能长期保存的 图形的计算机外部设备。图形输出设备也可分为向量型和光栅扫描型两大类。向量 型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像。绘图机属于向量型设备。光 栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵扫描整张图面，并按输出内容对图面成像。光 橱扫描型图形输出设备包括点阵式打印机、热敏印刷机、静电印刷机、喷墨印刷机，以 及激光打印机等