CAD硬件系统
出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第739页（4771字）
(1)计算机
计算机通常缩称为主机，它是控制及指挥整个系统并执行实际运算、逻辑分析的装置。主机的核心部分是中央处理机(Central Processing Unit，简称CPU)和内存贮器(简称内存)。中央处理机管理各系统组成部分的运行，并对数据进行算术与逻辑运算。内存贮器存放计算机所要执行的指令以及执行指令可能需用的一切数据。
中央处理机由控制器和运算器组成。控制器是按照程序指令来操纵计算机的，它决定着计算机应该执行何种指令以及何时和怎样执行各条指令。其过程是：从存贮器取出指令，进行分析，然后接通各种电路以产生特定的动作，如加法、逻辑比较、检查其他指令等。控制器将运算指定和逻辑指令译码后，由运算器进行加工。控制器和运算器在执行其功能时，都需使用寄存器。寄存器是一种接收、存贮和传递数据的小存贮器，计算机中寄存器的典型配置如图3．4－1所示。
图3．4－1 计算机中寄存器的典型配置
计算机根据其字长(位)、内存容量(兆字节)和运算速度(每秒百万次指令，MIPs)的不同，可分为微型机、小型机、中型机(超小型机)、大型机、巨型机(超大型机)等几类。各种类型的计算机的功能均在迅速增强，都可作为CAD系统的主机，应根据需要合理选择。
(2)外存贮器
所谓外存贮器，就是设在主机外部的存贮器(也称辅助存贮器)。其作用是，贮存内存贮器存放不下或运算中暂时不用的部分程序和数据，于需要时再成批地与内存交换，外存贮器的特点是存贮量大，价格低，但存取速度低。
外存贮器有顺序存取存贮器和直接存取存贮器两种类型，前者是按顺序存取，如需要读某一特定的文件记录时，必须先读过该记录前面的所有记录，因而存取速度低，适用于使用率不高的情况，而后者的存贮方法则可迅速地存入与读出，而不需读所有的记录，但存贮每一位数据的成本较高，技术也较复杂，适用于使用率高的情况。常用的磁带存贮器是一种顺序存取存贮器，其成本较低。而磁盘存贮器则是一种直接存取存贮器。依照结构的不同，有硬磁盘与软磁盘两种。硬磁盘还可分为固定式与可换式两种，其中以活动磁头可换式磁盘的硬盘使用最广。在磁盘驱动器的驱动下，由几个磁盘组成的磁盘组以每分钟几千转的转速旋转，并通过一系列读写磁头把数据传送到适当的磁道上。其取存时间，取决于磁盘的旋转速度和磁头从磁盘表面读取数据的能力，其速度通常是几千个字节／秒。
(3)输入设备
输入设备的作用是把原始数据、计算程序和控制命令等转变成电子计算机能够识别的电子脉冲，并输入给计算机，输入的方法，可分成一步和两步完成两种。一步输入法，是把键盘与计算机联接起来，通过键盘把相应的字符输入计算机。这种设备又称为直接输入设备，包括电传打字机(控制台打字机)及带显示器的键盘(字符终端)等。两步输入法的第一步，是在设备的键盘上打字，由设备自动按编码格式将该字符记录在如纸带或卡片、磁盘、磁带等介质上；第二步是通过输入设备将介质上记录的信息输入计算机。这类输入设备如穿孔纸带阅读机、卡片阅读机、磁盘机和磁带机等。
目前，几乎所有的直接输入设备都采用带显示器的键盘——字符终端。在多用户计算机系统中，显示器只用作字符显示，没有图形显示功能。而个人计算机(Personal Computer，简称PC机)则是字符兼图形显示的终端。
(4)输出设备
输出设备的作用，是把计算机工作的中间或最后结果变成人们能够识别的字符或图形。输出设备一般可分为硬拷贝和软拷贝两大类。硬拷贝的特点，是将输出的信息转变为永久性的物理记录，如穿孔纸带或卡片，以及打印的报表、图形等。软拷贝只是产生暂时的影像，如屏幕显示的字符或图形等。电传打字机和显示终端，既是输入设备，又是输出设备，前者产生硬拷贝，后者产生软拷贝。由于电传打字机的工作速度慢，故在计算机中不作主要的输入或输出设备使用，只用来输入指令和少量的数据，或输出部分中间运算结果。常用的输出设备有如下几种：
①行式打印机，与电传打字机一样，是以打印字符的形态输出的设备，但它能存储并一次打印一行完整的信息，所以速度较快。击打式行式打印机的打印速度为300～2000行／分，而激光行式打印机的速度已可达2000行／分以上。
②自动绘图机，由电子计算机控制的绘图机，是利用数字控制原理，将数字信号经过数模(Digital－Analog)转换后，变为电脉冲信号，用以驱动步进电机，并经过灵敏的机械传动机构，使绘图机的笔架作相应的运动而绘制图形的。绘图机分平板式、卷筒式和静电式三种。平板式绘图机设有一平面放置图纸，该平面可制得很大(3×10m)。它的精度和绘图速度均高于卷筒式，而且在绘制图形时能看到整个画图过程，便于监视，卷筒式绘图机设有水平安装的滚筒和能沿着与滚筒轴平行的轴移动的笔架，纸安装在滚筒上。滚筒式绘图机的制图宽度受滚筒长度的限制，但纵向长度不受限制。常用的长度一般在216～1067mm之间。
平板式和卷筒式绘图机都使用机械墨水笔(或圆珠笔)，均是笔绘图机。在笔架上装设数支颜色不同的笔，则可绘制彩色图。
静电式绘图机是利用静电着色原理工作的。其主要部件是电子模板，模板下设有一滚筒，电子感应绘图纸置于模板与滚筒之间。当滚筒带着纸在模板下经过时，电子模板就以点阵方式在绘图纸上印出图形。点阵的密度很高，如印一条线，每1mm就有7～8个点。这种绘图机绘图速度很快(一般比笔绘图机的绘图速度快10～20倍)，分辨率也高，能画出明暗度，而且工作噪音小。静电式绘图机当作高速打印机使用时，每分钟可打印1200行。
绘图机按其是否与计算机连接在一起，可分为联机和脱机两种运行方式。联机工作时可及时看到所画的图形。但由于绘图机的运行速度慢于计算机的运算速度，因而会使计算机经常处于等待状态，不能发挥计算机的高速特点。而绘图机以脱机运行方式工作时，应先用计算机进行高速图形处理，并将处理后的图形信息一次性地记录在磁带或穿孔纸带上，然后通过输入设备和控制器，以驱动绘图机工作。
③硬拷贝装置。这是一种能对屏幕上显示的图像数据进行拷贝的装置。屏幕上的图像可在几秒钟内复制出来。由于复制的质量和精度较差，因此，硬拷贝可用于设计过程中间步骤的记录，而不宜用作最终输出图形。
④微缩胶片装置。计算机输出微缩胶片装置的作用，是把阴极射线管产生的图形或字符印在微缩胶片上。它的优点是容量大，便于存贮保管。需要实际尺寸的图纸或文献时，可用与放大像片同样的方法拷贝得到。缩微拷贝的速度要比笔绘图机快几百倍，也快于静电绘图机，其缺点是，精度不如笔绘图机高，且价格昂贵。
除以上几种输出设备外，还有用纸带穿孔机、卡片穿孔机作为输出设备的。
(5)人机交互图形系统
人机交互图形系统，是设计人员与计算机互通信息的装置，由图形显示器与相应的直接输入设备组成。其中，图形显示器既作为输出设备，又作为输入设备，作为输出设备时，由屏幕显示图形和数据。作为输入设备时，利用相应的输入设备，如键盘、光笔、图形感应板、数字化仪、操纵杆、轨迹球等，并配以相应的软件，可对显示出的图形或数据进行随机修改，对图形进行平移、旋转、改变比例等变换处理，以及执行其他某个程序。
图形显示器由阴极射线管、微处理机和内存贮器三部分组成。多数图形显示器都带有键盘，通常称之为图形终端，键盘除可用来输入程序、对程序进行编排和修改外，还可发出作图命令和修改图形的命令。设计者随意按下一个有定义的字母键，就等于输入一条完整的命令。计算机得到这个信息后，就马上调用和执行它所代表的那个子程序。
按照成图原理，图形显示器可分为阴极射线管式、等离子式和液晶显示三种。目前普遍采用的是阴极射线管显示器。这种显示器又可分矢量刷新式、存贮管式和光栅扫描式三种类型，其特性比较，如表3，4－1所示。
表3．4－1 三种类型图型终端的特性比较
光笔形同钢笔，是检测光信号的装置。笔体的前端有一小孔，将该小孔指在显示屏幕上画面的某一图线时，辉光通过光孔进入笔体内的透镜组后，聚在光导纤维的端面。光导纤维另一端设有的光电元件，将光信号转换为电脉冲信号，并经放大整形后输送到显示控制器，经控制器的作用，计算机便可得到光笔所指的画面图形元素的信息。笔体表面设有两个由金属环构成的触钮开关。金属环分别用导线与开关电路连接。操作时，手持笔体，用手指触及金属环，使开关电路动作，光笔即可接受光信号。
图形显示器都设有光标(一组光亮点)。将光笔指向光标，计算机便可得到光笔指点坐标位置的信息。使用光笔可以任意移动光标在屏幕上的位置(显示器内设有检测新光标中心的电路)。使用光笔对所显示的图形做的各项处理，都需预先编排相应的应用子程序，并存入计算机内，如在显示屏上画直线、画圆、消去显示图形、徒手作图以及从键盘输入数据等操作的子程序，然后用键盘上的字符或“光钮”来定义子程序。“光钮”显示在屏幕的某一固定部分，其名称用字符组成(显示出的光钮又称为“菜单”)。当揿按键盘的某一键或用光笔指在某一光钮时，计算机便立即执行其所代表的子程序。例如，需用光笔在显示屏幕上自由作图或写字，就应先调出徒手作图子程序。
用以控制光标移动的还有操纵杆和轨迹球，它们都是模拟式输入设备。
图形感应板和数字化仪是最常用的图形输入工具。它们都是由静止的平面台和指示位置的工具组成的。图形感应板的平台面较小，一般为279×279(mm)左右；数字化仪的平台面则大得多，有的为1067×1524(mm)。指示定位的工具有两种，一种是细长形的触笔，另一种是带有十字叉丝的游标器。每一种定位工具都设有开关或按键，用以启动数字化过程。在平台面下面的纵横(X，Y)方向，布有由许多细密的金属导线或是由一块印刷线路板构成的栅格，操作时，触笔的笔尖在平板面上对准所需要的点，并揿按开关，计算机中的应用程序就会读到所指栅格点的坐标X、Y的位置。如果使用游标器，则将游标器前端的十字叉丝对准所取的点，按动按键，便可输出该点的坐标。