CAD系统软硬件及接口技术.ppt

第2章CAD系统软硬件及图形接口技术,罗天洪博士副教授重庆交通大学机电与汽车工程学院,主要内容,CAD硬件系统CAD软件系统系统接口技术,2.1CAD系统硬件CAD系统的硬件配置与通用计算机系统有所不同，其主要差异是CAD系统硬件配置中，应具有较强的人机交互设备及图形输入装置，为产品设计提供良好的硬件环境。CAD系统硬件的配置一般也能满足CAD/CAPP/CAM系统，主要包括如下几部份：,计算机系统,图形输入设备,图形显示设备,图形绘制设备,2.1.1计算机系统目前CAD所使用的计算机系统主要有工作站和高档微机两种，它们的主要特征是，都具备很强的图形处理能力，速度较高，使用较大的内外存以适应CAD应用软件的需求。,计算机的技术指标主要有3个方面：一是运算速度，以CPU（中央处理单元）的每秒执行指令数目（MIPS，百万次/秒）来衡量，时钟频率（主频）是影响速度的主要方面；二是字长，即CPU每执行一条指令可以内存提取和处理的数据位数，例如386、486为32位，pentium是64位并采用了较新的RISC（精简指令集）技术；三是内存容量，内存越大，可容纳和处理的程序和数据量就愈大。,选用何种计算机系统，应取决于选用何种CAD应用软件及应用开发方面的要求。一般来说，高档微机于中小型CAD系统，如二维绘图、CAD/CAM、产品信息管理等，具有价廉物美、共享资源丰富的特点。而工作站适用于集成化CAD/CAM/CAE系统，包括三维建模、分析，数控加工和数据库等，但无论在硬件还是在软件方面均需要较大的投资额度。,2.1.2图形输入设备在CAD作业中，常需要交互地输入和修改产品设计方案的图形，对图形作多种变换操作。仅用键盘输入不能满足快速作业的要求，因而出现了各种各样的输入设备，如光笔、鼠标器、扫描仪等。,鼠标器,数字化仪,扫描仪,2.1.3图形显示设备图形显示器的主要器件是阴极射线管(CRT)，目前交互图形系统广泛使用的是光栅扫描式显示器，它的显示原理与电视机相似，不同的是电视机用模拟信号来扫描形成屏幕上的图像，而图形显示器则不断地读取帧缓冲区的数据来控制不同位置的RGB色刷新屏幕上的图像。,衡量图形显示器清晰度的主要指标是分辨率。,图形显示离不开图形显示卡,2.1.4图形绘制设备CAD设计结果通常以数据表的形式或工程图的形式输出到打印纸或图纸上，以形成后续生产的指导性文件。用于输出报表和图纸的硬拷贝设备有打印机和绘图机等。,2.2CAD系统软件,CAD系统的软件分为三个层次：系统软件，支撑软件和应用软件。系统软件与硬件和操作系统环境相关，支撑软件主要指各种工具软件，应用软件指以支撑软件为基础的各种面向工程应用的软件，其中大量的由各行业的工程设计人员开发。CAD/CAPP/CAM系统的软件除与CAD系统的要求一样外，还增加了CAPP和的有关软件。,2.2.1系统软件系统软件主要用于计算机管理，维护，控制及运行，以及计算机程序的翻译和执行，它分为以下几类:,1.操作系统操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。,2.编译系统是将高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。,3.图形接口及接口标准为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库)。,2.2.2支撑软件支撑软件是在系统软件的基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用软件或工具软件，它是CAD软件系统的核心。近10多年，由于计算机应用领域的扩大，CAD支撑软件产品及市场飞速发展，根据应用需求分为以下几类。,(1).计算机分析软件这类软件主要用于解决工程设计中的各种数值计算和分析。主要有：1)常用数学方法库及其可视化软件。2)有限无分析软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，而且求解总是的范围及规模日益扩大，除弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前后置处理功能。,3)优化设计软件。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主版权的“优化方法程序库OPB-2”等。,(2).集成化CAD/CAM/CAE软件这些软件支持二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。早期的软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AUTOCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二维交互式绘图为主。80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。今天，参数化技术、装配设计、并行设计方法、统一数据模型为各个模块共享几何模型和最终的集成创造了条件。,目前较流行的CAD集成系统有：I-DEAS、Pro/Engineer、UG-2、CADDS-5、CATIA、Siemens-Desiggn等。国内由清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS也初步实现了CAD、CAM、FCA、2D、数据库管理的集成，但商品化程度仍较低。,(3).数据库管理系统(DBMS)用于管理庞大的数据信息，提供数据的增、删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。数据库管理系统使用3种数据模型，即层次模型、网状模型、关系模型。目前流行的系统有Foxbase、oracle、Ingres等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业、事务管理。而适用于CAD/CAM的工程数据库管理系统，则要求管理地大的数据量，数据类型及关系很复杂，有信息模式是动态，一般的DBMS并不适用。研制完善的支持设计的工程数据库管理系统是亟待解决的课题。,(4).网络国软件采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上传输和共享文件提供了条件。最常用的是NoveII公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通讯软件等。Mi-crosoft的Window95环境下可直接支持绝大多数的网络互连服务。通过TCP/IP协议及Inter-net，我们可以发送邮件、查询世界各地各领域的信息。随着网络的普及，网络服务即通过计算机网络进行信息咨询服务的市场正迅速扩大，SAP公司在短短几年的成功就是一个例子。,2.2.3应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。如模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属应用软件。能否充分发挥已有CAD硬件的准备益，应用软件的技术开发工作是关键，也是CAD工作者的主要任务。,开发应用软件应充分利用已有CAD支撑软件的技术及其二次开发功能，而不是从头开始，这样才能保证应用技术的先进性和开发搞效性。需要说明的是，应用软件与支撑软件之间并没有本质的区别，当某一行业的应用软件逐步商品化形成通用软件产品时，它也可以称为一种支撑软件。,专家系统也是一种应用软件。在设计过程中有相当一部分工作不是计算及绘图，而是依赖领域专家丰富的实践经验和专门知识，经过专家们进行思考、推理和判断才获得解决。使计算机模氦专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。在人工智能技术发展的基础上，近几年专家系统技术有了迅速的发展。,2.3交互技术与用户接口基于由计算机图形表示的几何模型的设计和分析已经成为CAD系统的主要特征，CAD系统中的坐标输入、图形拾取、坐标变换都要用到交互技术，而图形输出、输入事件的处理又进交互的基础。好的用户接口可大大缩短人与计算机之间的距离，统一不同计算机平台的交互风格，缩短CAD系统的开发周期。,2.3.1用户接口常用形式面向应用的用户接口形式通常有三种，即子程序库、专用语言和交互命令。,(1)子程序库为一种或多种高级程序设计语言(C、C+、Fortran、Pascal)提供一系列扩展的过程和函数调用。这类子程序库有ISO公布的图形核心系统(GKS、GKS3D)，程序员层次交互图形系统PHIGS，MIT发布的Xlib,美国SGI公司的GL和OpenGL库等。,（2）专用语言最典型的是PostScript语言，它是解释执和的，其语句由关键字(命令)及其参数组成。解释程序将的一行语句放在行缓存中，当接收到行结束符时，该语言的编译器对缓存内容进行解释。首先拼关键字，如Color、line等，检查关键字的正确生；再转移到相应的关键字语句云拼参数，检查参数的正确性；若参数无误，即可调用相应的处理程序生成数据或图形。PS语言在出版系统、照排系统中有广泛的应用。,（3）交互命令交互反映了人与计算机程序之间传递信息的形式，而在程序包中的每个子程序的功能及专用语言中的有关语句均可按命令的言式提供给用衣使用。交互式用户接口就是基于某种接口模型，实现用户所需的输入、选择、拾取、增、删、改的操作。交互命令是用读书接口中应用最普遍、效率最高的形式，随着交互设备和交互技术的发展，人们对计算机提出的“所见即所得“的要求已基本实现。,2.3.2交互技术交互技术是完成交互任务的手段，其实现很在程度上依赖于交互设备。从逻辑上讲，交互设备有定位、键盘、选择、取值和拾取五种。最基本的交互任务有定位、字串、选择和取数。对给定的交互任务可以用不同的交互技术来实现，例如一个选择任务可以用鼠标点菜单，也可以用键盘输入选项名字，还可以用功能键来实现选择。针对不同的交互任务，交互技术主要有以下几种：,（1）定位技术定位技术用于指定一个坐标，有一维、二维、三维坐标。定位方法有三种：1)图形输入板或鼠标器控制光标定位；2)键盘输入坐标值；3)键盘控制光标定位。应用定位技术时还需要考虑是用读书坐标系还是设备坐示系、光标形状、定位速度和精度等，为了使定位更加方便，还可以使用网格点、辅助线、导航技术等。,（2）定理技术用户经常需要输入一个数值，指定一个数量，在图形系统中，它常表示一个大小、比例、长度或角度等。定量最基本的方法是用键盘输入一数值，也可以用定位器作两次定位，通过两定位点之间的距离或方位关系来转换出所需的量，如比例、距离、角度等。,（3）文本技术文本技术需要确定字符串的内容及长度。实现文本的技术有：1)键盘输入字符；2)菜单选择字符；3)语音识别或笔画识别等。在窗口系统中，常有专门的单行和多行文本编辑窗口来完成输入，具有较好的交互性能。,（4）橡皮筋技术及施动技术橡皮筋技术主要针对变形类的要求，动态地、连续地将变形过程表现出来，直到产生的用户满意的结果为止。在图形输入过程中，使用橡皮筋技术可将待输入的图形跟随定位器的殉动动态地显示出来，例如画直线时的橡皮筋线、画圆时的橡皮筋圆等。拖动技术是将形体在空间移动的过程支态地、连续地表示出来，直到满足用户的要求为止。该技术常用于部件的装配、动画轨迹的模拟等。,（5）选择和拾取技术选择主要指命令和选项的选择，命令或造项一般用有单或图形区域来表示。选择技术有：1)用定位器移动光标选择；2)键入命令名称或缩写符；3)用功能键或热键来选择；4)语音识别。,