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 测试技术 计算机工程学 传感技术 信息处理 系统工程学 控制、信息工程学 通讯工程学 生产工程学 机械力学 电子电路 机构学 子工程学 电器工程学 材料力学工 微电子学 液压与气压\程 光学 精密加工 机器人工程学 机械零件 与机械设计 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: 1)半导体和集成电路技术的不断发展和价格越来越低 2)计算机及其编程语言和应用技术的进步: 3)控制技术和仿真技术的不断发展 4)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
1 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： 1） 半导体和集成电路技术的不断发展和价格越来越低； 2） 计算机及其编程语言和应用技术的进步； 3） 控制技术和仿真技术的不断发展； 4） 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 机 电 一 体 化 电 子 工 程 学 机 械 工 程 学 控制、信息工程学 ⚫ 测试技术 ⚫ 传感技术 ⚫ 系统工程学 ⚫ 生产工程学 ⚫ 机械力学 ⚫ 机构学 ⚫ 材料力学 ⚫ 液压与气压 ⚫ 精密加工 ⚫ 机械零件 与机械设计 ⚫ 计算机工程学 ⚫ 信息处理 ⚫ 通讯工程学 ⚫ 电子电路 ⚫ 电器工程学 ⚫ 微电子学 ⚫ 光学 ⚫ 机器人工程学
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。 1.1cAD技术的发展和应用 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。 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(MT)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.勃发展和进入应用时用(20世纪60年代) 1962年美国MT林肯实验室的1.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。 0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 CADICAM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
2 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.奥飞猛进的时期(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 CADICAM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 Windows95/98/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CGl( 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PHGS ( 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 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
3 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
专家系统(知识库) 数据库 用户 工程数据库管理系统 图像处理系统 各种应用子系统 图1.1.1智能CAD系统 1.1.2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。 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,共査出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
4 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， 专家系统（知识库） 工程数据库管理系统 各种应用子系统 图像处理系统 数据库 用户
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
5 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
需求分析 需求分析 问题定义 问题定义 「综合 几何造型 分析、优 分析、优化 工程分析 评价产生设计结果并评价 自动绘图 (a)采用CAD之前 (b)采用CAD之后 图1.1.2工程和产品的一般设计过程 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,效果因人而学习能力很小,智能程度可 异 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
6 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: (1)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 1.2cAD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己皆为人知,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1.2.4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
7 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
内存储器 算控制 部件(CPU) 存储器 地址总线 数据总线 数据线 输入/输出 输人/输出 (或信号线) 图1.2.1以总线连接的计算机框图 图1.2.2以存储器为中心的计算机框图 数据总线 数据和 CPU 控制信号 cPU「cPU:[cPu:1…rcru 数据和 指令 CPU L内存L内存2L内存」¨L内存 图1.23共事同一内存的多CPU计算机 图1.2.4各CPU分别具有内存的计算机 表121微机CPU发展趋势 集咸度(晶体管数) 1971年 Intel 4004 2.3万只/片 0. 06MIPS 1万美元/MIPS 1982年 Intel 80286 2,4万只/片 0. 7MIPS 500美元/MIPS 1989年 Intel i486 120万只/片 225美元/MIPS 1993年 Intel Pentium 310万只/片 90 MIPS 7美元/MIPs Pentium Pro|50万只/片 1997年 Alpha 21264 1520万只/片 MIPS 1997年 HpPA 850 2亿只/片 400 MIPS 00年以后 10亿只/片 160 GIPS 其中,MPS:每秒处理一百万条指令GIPS:每秒处理10亿条指令 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
8 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“1” 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“1”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(525英寸)的单台最高容量已超过 45GB,90mm(3.5英寸)产品已达18GB,65mm(25英寸)产品容量己超过9GB 主轴马达转速为200r/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,Utra, SCSI外,高速光纤通道IEEE1394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一ROM。按其传输速率分为第一代光盘CD一ROM1X(150KB/s),第二代光盘 CD-ROM2X(300KB/s),目前已有CD一ROM24X(3600KB/s),这类光盘最高可 达CD-ROM32X1995年 Sony/Philips联盟开发出一种单面高密度光盘,容量达3 7GB:东芝凇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一ROM除需一台驱动器外,还需要一块MPEGⅡ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 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:
9 （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：
外存 CPU 打印机 用户 图1.2.5单机工作方式 户 集中式 计算机 户通信暴统团用问用户一世算机一一通伯系统一一世算机一用戶 用户 a)集中式 (b)分布式 户 算机 计算机一用户 户 目户闻户 (c)环网式 图1.2.6联网工作方式 (1)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TCPP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 10
10 （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。 外存 CPU 用户 打印机