模具系统的硬件

第一节　模具CAD/CAM系统的硬件

一、计算机及常用外围设备

硬件是组成CAD/CAM系统的物质设备，包括计算机系统和加工设备。CAD/CAM系统的硬件配置与通用计算机系统不同，其主要差异在于CAD/CAM系统硬件配置中，应具有较强的人机交互设备及图形输入、输出装置，即CAD/CAM系统有专门的输入输出设备来显示和输出图形，为模具的CAD/CAM过程提供一个良好的硬件环境。CAD/CAM系统的组成如图2－1所示。

图2－1　CAD/CAM系统硬件的组成

1．计算机系统

计算机系统是CAD/CAM系统的核心，包括计算机及各种处理器系统、图形工作站、大容量存储器、图形输入输出设备以及各种接口等，如图2－2所示。

图2－2　计算机系统

(1)主机部分　主机是CAD/CAM系统的中枢，它的作用是控制及指挥整个系统，并执行数值运算、逻辑判断任务。它由中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)及内存储器(简称内存)两部分组成。

中央处理器包括运算器和控制器两部分。运算器执行指令所规定的算术和逻辑运算;控制器解释指令操作，并控制指令的执行顺序及访问(查找)存储器等操作。内存储器可存放指令和数据。

(2)外存储器(简称外存)　CAD作业中包含了用计算机绘制图形，信息量很大，若为此而扩大内存，势必造成计算机系统价格过高。外存主要用来存储(或从中调出)CAD系统的程序、图形文件和其他软件，作业时，将它们从外存中调入内存使用，或将内存的数据输出至外存存放。常用的外存储器有磁带机、磁盘(如软盘、硬盘)、光盘等。

(3)图形输入设备　在CAD作业过程中，常需输入产品初始方案的结构与图形及建立常用零部件标准图形库，用户要求不仅能快速输入，而且还要能将输入的图形以人机交互方式进行修改，以及对输入的图形进行图形变换(如缩放、平移、旋转)，因此，图形的输入设备占有重要的地位。

常用的图形输入设备主要有鼠标器、键盘、数字化仪、工程图样自动扫描输入系统等。

①键盘　键盘是输入设备，它设有字符键、功能键及控制键等，可以用来输入数据、文本和程序，可对图形、程序进行特殊的处理。但键盘输入方式不能完全满足CAD作业快速输入图形的要求，理想的交互式图形系统中还应包含使用方便、质量可靠的其他图形输入设备。

②鼠标器(光标定位器)　鼠标器主要用来控制屏幕上的光标位置。当鼠标器在平面上移动时，显示屏上的光标也随之移动。光标的位移与鼠标器在平面上的相对移动有关，而与鼠标器的绝对位置无关。它一般用于在屏幕上指示图形输入位置和点“菜单”。鼠标器有机械式、光机式和光电式三种。鼠标器结构简单、价格便宜，是CAD作业中经常使用的设备。

③数字化仪　数字化仪由一块输入板和一个游标定位器组成(参见图2－1)。游标也可由感电笔代替，游标定位器背面的十字准线相当于感电笔的笔尖。数字化仪按其工作原理可分成电磁感应式、静电耦合式、超声式等类型，目前常用的是电磁感应数字化仪。

④工程图样自动扫描输入系统　这类图样输入设备利用光学扫描原理，能对大幅面图样自动进行高精度扫描并形成点阵图像信息，经过专用的矢量化软件处理后，输入计算机系统或存于磁盘、光盘中。经过矢量化处理的图样信息，可应用交互式图形软件在显示屏幕上进行修改和编辑，整个过程如图2－3所示，图中的M IB意为“管理信息库”(Management Information Base)。

图2－3　采用扫描仪的图样输入过程

大幅面工程图样自动扫描输入系统可高速完成图样输入任务，并且能对蓝图进行消蓝、去污及平滑处理。用数字化仪输入图样需要几个月的工作量，用自动扫描输入几小时便可完成，所以这是一种建立大型图库的理想的CAD设备。

(4)图形输出设备　常用的图形输出设备有图形显示器和自动绘图机。

①图形显示器　图形显示器按制作技术分为阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)以及等离子显示器。目前市场上的显示器种类繁多，常见的有14、15、17、19、21英寸等几种。衡量图形显示清晰程度的重要指标是分辨率，分辨率越高，画面就越逼真、越细腻。图形显示系统分辨率的高低取决于硬件环境，即配套的计算机、图形卡、图形显示器(监视器)。

②自动绘图机　自动绘图机是一种高速、高精度的图形输出装置，它可将已输入到CAD系统的工程图样，或在图形显示屏上已完成的结构设计图形绘成图纸，进行硬拷贝。

2．加工设备

CAD/CAM技术的发展与加工设备的发展是相辅相成的。采用先进的自动化程度和精度高的加工设备，是现代制造业水平高的主要原因，这一点在模具行业表现得尤为明显。

常用的加工设备有数控机床(NC Lathe)、数控铣床(NC Milling Machine)、加工中心(Machine Center)、数控钻床(NC Boring Machine)、数控镗床(NC Boring Machine)、数控齿轮加工机床(NC Gear Holling Machine)、数控平面磨床(NC Surface Grinding Machine)、数控外圆磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)、数控轮廓磨床(NC Profile Grinding Machine)、数控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)、数控夹具磨床(NC Jig Grinding Machine)、数控电火花加工机床(NC Diesinking Electric Discharge Machine)、数控线切割机床(NC Wire Electric Discharge Machine)、数控激光加工机床(NC Laser Beam Machine)、数控冲床(NC Punching Machine)、数控超声波加工机床(NC Ultrasonic Machine)等。机床大多采用CNC、DNC控制，一些由主机(加工中心、数控机床)、联线、联线设备(包括工业机器人)、控制设备(计算机及外部设备、控制台等)及辅助设备所组成的柔性制造系统(FMS)在模具制造厂中也有应用。

二、CAD/CAM硬件系统选择的基本原则

正确选择一套CAD/CAM系统，对于一个企业来说是非常重要的。大型分时主机式CAD/CAM系统的价格很高，为满足CAD/CAM系统一体化的要求，以超级微机组成的工程工作站被广泛选用。

在选择CAD/CAM硬件系统时，应考虑以下几种情况:

1．应用软件

进行CAD/CAM设计与制造时，要进行二维图、三维图绘制以及数控编程和加工等工作。绘制二维图要求有良好的用户界面和容量较大、与文件规格相一致的数据库，多用户使用时还必须有良好的支持网络文件系统的能力。绘制三维图还要具备高速计算、大容量存储及彩色显示的功能。由于硬件系统是用来完成特定任务的，因此，选择工作站的顺序应该是先软件后硬件，应先选定应用方向，再进行硬件设备的配置。应用方向的确定，要依据具体产品的整个设计、制造流程的特点进行。当然，各种操作应根据实际需要分配给不同的用户，对不同的需要应配置不同档次的计算机。

2．分布式计算机系统

所谓分布式的CAD/CAM系统是利用计算机网络技术，将多个独立工作的模具CAD/CAM系统组织在局域网中。这种局域网具有良好的交互性能，可以快速响应用户的要求，使用户的软件和硬件资源与其他厂商所提供的资源联网实现共享。局域网还可以通过网关与其他局域网或大型主机相连，构成远程广域网。同时，各种符合工业标准的结构设计可以适应新技术的发展，保证投资利益。图2－4所示为分布式CAD/CAM系统。

图2－4　以太网连接的分布式CAD/CAM系统

3．图形处理系统

计算机的视频系统除了显示器以外，还包括安装在机箱中的显卡(如图2－5所示)，两者缺一不可。显卡的主要作用是在程序运行时根据CPU提供的指令和有关数据，对程序运行过程和结果进行相应的处理，再转换成显示器能够接受的文字和图形信号，最后通过显示屏显示出来。显卡一般可分为普通VGA显卡、2D图形加速显卡和3D图形加速显卡3种。衡量CAD/CAM系统图形处理功能的指标有:二维绘图速度、三维造型速度、实体建模速度。若支撑软件是以实体建模为产品造型手段，除注意二维绘图速度、三维造型速度外，还要考虑实体建模速度。图形加速器按功能分成许多等级，若无特殊需要，用低档图形加速器就可以了，因为CAD的人工交互时间一般大大长于机器运行时间，故提高图形处理速度对提高CAD的整体速度作用不大。高档图形加速器适用于需要进行高速图像处理的领域，比如为人工智能、动画、图形仿真、地理信息处理等提供逼真的三维动态图形。

图2－5　显卡

4．网络环境

应充分利用网络的功能，对各个终端的数据应做好互连与共享的工作，对网络中的各个终端应有明确的分工，根据其分工的不同，进行不同的配置。比如，负责绘图的终端只需配置较低档的计算机和图形加速器，这样可以节约成本，减少不必要的浪费。

5．扩充功能

从投资的长远利益考虑，系统的可扩充性是评价工作站的重要内容。扩充性是多方面的，包括CPU浮点运算、内存、磁盘、总线、网络以及系统软件等。一般来说，系统的配置如为基本型，则价格便宜，但其扩充能力就十分有限;相反，扩充能力较大的机种，其价格就比较贵。系统是否易于扩充，关键在于它的结构设计是否符合工业标准。

另外，选择有实力的大公司的产品，容易做到升级产品与老产品兼容，而且能提供老产品升级的可能性。另外，大公司较重视信誉，有较好的售后服务，能提供及时而长期的维修服务，并能及时提供后续工程的支援与应用指导等。