數(shù)據(jù)繪圖機(jī)基本原理

數(shù)據(jù)繪圖機(jī)的主要功能是根據(jù)給定的數(shù)據(jù), 高速度、高精度地將圖形繪制出來(lái)( 數(shù)字到圖形) ;而帶有坐標(biāo)讀取裝置的繪圖機(jī)，則還能根據(jù)圖形給出其坐標(biāo)值的功能( 圖形到數(shù)字)。一般說(shuō)來(lái)，除了最簡(jiǎn)單的情況和復(fù)雜的立體圖形，以及隨機(jī)參數(shù)外，平面圖形的處理總可以歸結(jié)為：按某一給定方程繪出相應(yīng)的曲線, 或者將給定參數(shù)的一些離散點(diǎn)連成一光滑曲線。

不論是給定方程也好，或給出離散點(diǎn)也好，問(wèn)題的性質(zhì)都是一致的，其基本要素均為點(diǎn)，所以解決點(diǎn)的變化規(guī)律是問(wèn)題的主要方向。然而按方程或離散點(diǎn)編制的程序還不能直接由繪圖機(jī)執(zhí)行，因?yàn)槿魏卫L圖機(jī)都不可能直接產(chǎn)生任意形狀的曲線, 一般只能直接形成一次曲線(直線)、二次曲線(圓弧、拋物線) 等。因此，由方程或離散點(diǎn)構(gòu)成的復(fù)雜曲線，必須經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理, 并在滿足精度要求的前提下，以直線、圓弧、或拋物線線段去分段逼近此曲線。通常, 這類繪圖處理程序只是程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分, 它還必然跟其他工作，諸如造船工業(yè)中的數(shù)學(xué)放樣研究，或航空工業(yè)中的理論外形計(jì)算，或汽車設(shè)計(jì)中的審勢(shì)相密切配合。因此，繪圖數(shù)據(jù)的處理一般在較大的通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

數(shù)據(jù)繪圖機(jī)是利用電子計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)繪圖的設(shè)備, 又稱為數(shù)控繪圖機(jī)。它的產(chǎn)生和發(fā)展是與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展密切地聯(lián)系在一起的。由于能高速度、高精度地繪出復(fù)雜圖形, 所以現(xiàn)在已被廣泛地應(yīng)用于航空、造船、汽車、電子和建筑工業(yè)等部門以及許多科學(xué)領(lǐng)域中。

近十多年來(lái)，數(shù)據(jù)繪圖機(jī)的繪圖工作大致采用兩種方式。一種是把自動(dòng)繪圖機(jī)作為電子計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備, 其目的是將計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果能自動(dòng)地變?yōu)閳D形, 它適用于高速地進(jìn)行圖形處理, 但繪圖精度低, 如x 一y自動(dòng)繪圖機(jī)( 儀) ; 另一種是以自動(dòng)繪圖機(jī)作為數(shù)控機(jī)床的一種應(yīng)用, 借此自動(dòng)地繪出工作圖紙, 它適用于精密圖形的處理, 但繪圖速度較低, 如平臺(tái)式自動(dòng)繪圖機(jī)。

數(shù)據(jù)繪圖機(jī)的發(fā)展相當(dāng)快?，F(xiàn)在，在第二種繪圖方式的基礎(chǔ)上，已設(shè)計(jì)和制造出具有獨(dú)立體系的自動(dòng)繪圖系統(tǒng)— 大型自動(dòng)繪圖機(jī)。該系統(tǒng)的裝置包括小型( 多功能) 計(jì)算機(jī)、插補(bǔ)機(jī)( 又稱專用計(jì)算機(jī))、伺服系統(tǒng)、繪圖機(jī)以及光電機(jī)、電傳打字機(jī)、座標(biāo)讀取裝置等。

數(shù)據(jù)繪圖機(jī)可采用聯(lián)機(jī)或脫機(jī)的工作方式。是計(jì)算機(jī)輔助制圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中廣泛使用的一種外圍設(shè)備。常見(jiàn)的按繪圖方式分為（如筆式繪圖機(jī)）和掃描式繪圖機(jī)（如靜電掃描繪圖機(jī)、激光掃描繪圖機(jī)、噴墨式掃描繪圖機(jī)）等。按機(jī)械結(jié)構(gòu)分為滾筒式（鼓式）、繪圖機(jī)和平臺(tái)式繪圖機(jī)兩大類。數(shù)控繪圖機(jī)的傳動(dòng)方式有鋼絲或鋼帶傳動(dòng)；有滾珠絲杠或齒輪齒條傳動(dòng)；有電機(jī)傳動(dòng)，如采用開(kāi)環(huán)控制方式的直線步進(jìn)電機(jī)和采用閉環(huán)控制的伺服電機(jī)等。

可采用聯(lián)機(jī)或脫機(jī)的工作方式。是計(jì)算機(jī)輔助制圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中廣泛使用的一種外圍設(shè)備。常見(jiàn)的按繪圖方式分為（如筆式繪圖機(jī)）和掃描式繪圖機(jī)（如靜電掃描繪圖機(jī)、激光掃描繪圖機(jī)、噴墨式掃描繪圖機(jī)）等。按機(jī)械結(jié)構(gòu)分為滾筒式（鼓式）、繪圖機(jī)和平臺(tái)式繪圖機(jī)兩大類。數(shù)控繪圖機(jī)的傳動(dòng)方式有鋼絲或鋼帶傳動(dòng)；有滾珠絲杠或齒輪齒條傳動(dòng)；有電機(jī)傳動(dòng)，如采用開(kāi)環(huán)控制方式的直線步進(jìn)電機(jī)和采用閉環(huán)控制的伺服電機(jī)等。

由于繪圖機(jī)廣泛應(yīng)用于造船、航空、汽車、建筑、電子等各種行業(yè), 因此，不同的使用場(chǎng)合，對(duì)繪圖機(jī)的功能也就有不同的要求。然而，一些最基本的要求: 比如對(duì)速度、精度, 以及必須具備的常用功能— 坐標(biāo)變換、圖形比例等所提出的性能要求則是共同的?，F(xiàn)以HTJ-18 筋型繪圖機(jī)為例，作一說(shuō)明如下。由于它帶有一臺(tái)小型多功能電子計(jì)算機(jī), 因而可靈活地運(yùn)用軟件技術(shù)來(lái)充分發(fā)揮繪圖機(jī)多方面的功能：

（1）繪制任意直線；

（2）將所繪制的圖形作任意角度的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

（3）圖形比例可以在一定范圍內(nèi)任意選擇，既可由程序規(guī)定，亦可由控制臺(tái)打字機(jī)作人工改變, 它并具有將圖形進(jìn)行局部放大的功能;

（4）程序編制可用相對(duì)坐標(biāo), 亦可用絕對(duì)坐標(biāo)；編碼可用ISO、EIA、ASCII、ESSI、B55 型電傳打字機(jī)碼、ASCI'I奇校二進(jìn)制代碼等編碼中的任何一種；

（5）采用宏指令形式，將一些常用的數(shù)字、字母、符號(hào)、文字, 甚至一些標(biāo)準(zhǔn)圖形— 如集成電路出腳、印刷板插腳等指令化, 供使用時(shí)調(diào)用；

（6）可通過(guò)計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備— 控制臺(tái)打字機(jī)。實(shí)現(xiàn)人一機(jī)對(duì)話，輸入、輸出或修改繪圖信息;

（7）繪制圖形可選用單筆或四筆裝置, 當(dāng)用四筆時(shí), 可通過(guò)工具功能自動(dòng)選筆, 從而可繪制四種不同粗細(xì)或不同顏色的圖形, 而其中每一單筆又可繪制實(shí)線、虛線和點(diǎn)劃線;

（8） 可根據(jù)已知的圖形, 利用工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng), 進(jìn)行手動(dòng)人工跟蹤, 讀取圖形的特征點(diǎn)及需要點(diǎn)的坐標(biāo)值, 并可直接輸出;

（9）可提供數(shù)控切割機(jī) 、數(shù)控肋骨冷彎?rùn)C(jī)等數(shù)控加工設(shè)備的紙帶, 亦可對(duì)數(shù)控加工紙帶進(jìn)行校驗(yàn)；

（10）小型多功能計(jì)算機(jī)可單獨(dú)使用, 因而具備完成各類科研、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理的功能。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)的發(fā)展異常迅速，它已成為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理過(guò)程自動(dòng)化所必不可少的工具。而繪圖機(jī)本身的發(fā)展, 則還涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、軟件研究、自動(dòng)控制、精密機(jī)械制造、精密測(cè)量等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域, 因此, 要作全面敘述比較困難, 而只能就以下兒點(diǎn)略作介紹。

提高速度和精度的一些途徑

新型元、器件的不斷發(fā)展、完善和應(yīng)用。其中較為突出的有平面步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。為提高繪圖機(jī)精度, 在閉環(huán)系統(tǒng)中可應(yīng)用高精度的位置檢測(cè)裝置— 如光柵。此外, 感應(yīng)同步器及磁尺等的發(fā)展也很迅速; 大規(guī)模集成電路的應(yīng)用則能大大簡(jiǎn)化控制機(jī)的結(jié)構(gòu), 和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為適應(yīng)高達(dá)每分鐘1 0 0 米以上的繪圖速度, 研制的新型筆墨紙和薄膜也有相應(yīng)的發(fā)展。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

為改善圖面質(zhì)量, 對(duì)臺(tái)面、筆架都提出了新的要求。以不銹鋼絲編織網(wǎng)構(gòu)成的臺(tái)面最為引人注意。筆架部分則盡量減輕重量和提高剛性, 因此, 趨向于用動(dòng)圈式抬落筆機(jī)構(gòu)來(lái)代替螺線管線圈。

新型繪圖機(jī)和多功能繪圖系統(tǒng)的出現(xiàn)

新型繪圖機(jī)的主要特點(diǎn)是，可以與計(jì)算機(jī)更靈活地實(shí)現(xiàn)人- 機(jī)對(duì)話，其功能較齊全, 且配有較完善的軟件。

繪圖方法和應(yīng)用軟件的研究和發(fā)展

自動(dòng)繪圖機(jī)的發(fā)展和功能的不斷完善, 為迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行各類圖形處理提供了必要的手段, 但要滿足不同部門的需要, 則還必須根據(jù)不同的特點(diǎn), 研究和發(fā)展相應(yīng)的程序系統(tǒng)( 軟件)。繪圖方法的研究也很重要, 這就是要解決平面圖形的處理、立體圖形的處理或隨機(jī)數(shù)據(jù)的處理的數(shù)學(xué)方法問(wèn)題。而在造船工業(yè)中, 這些問(wèn)題的解決, 則與諸如數(shù)學(xué)放樣的研究、數(shù)學(xué)船型的發(fā)展等密切相關(guān)。

繪圖機(jī)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制電路、插補(bǔ)器、繪圖臺(tái)、筆架、機(jī)械傳動(dòng)等部分組成。繪圖機(jī)的種類很多，按照結(jié)構(gòu)和工作原理，主要分為滾筒式繪圖機(jī)和平臺(tái)式繪圖機(jī)兩類。

繪圖機(jī)滾筒式繪圖機(jī)

滾筒式繪圖機(jī)中，繪圖紙卷覆在滾筒上，滾筒的兩邊裝有鏈輪，圖紙的兩側(cè)制有鏈孔。當(dāng)X方向步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏈輪就帶動(dòng)圖紙轉(zhuǎn)動(dòng)(順時(shí)針或逆時(shí)針)，實(shí)現(xiàn)X方向運(yùn)動(dòng)。Y方向的運(yùn)動(dòng)，是由Y方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)筆架直線移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種繪圖機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、圖幅面大，在X方向上可以連續(xù)繪制幾十米長(zhǎng)的圖形，但需要兩側(cè)制有鏈孑L的專用圖紙。

繪圖機(jī)平臺(tái)式繪圖機(jī)

平臺(tái)式繪圖機(jī)的繪圖平臺(tái)上裝有橫梁，橫梁上裝有筆架，繪圖紙固定在平臺(tái)上。工作時(shí)，X方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫梁連同筆架做x方向運(yùn)動(dòng)，Y方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)筆架沿橫梁導(dǎo)軌做Y方向運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)式繪圖機(jī)繪圖精度較高，對(duì)圖紙沒(méi)有特殊要求。

如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置了繪圖機(jī)，那么在繪圖軟件支持下，繪圖機(jī)能將那些用曲線圖、平面圖和立體圖繪制的圖紙表示得非常清楚。因此，繪圖機(jī)除在氣象、測(cè)繪等圖形輸出中應(yīng)用外，在機(jī)械、電子、建筑、商業(yè)管理、辦公自動(dòng)化乃至服裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。例如，在機(jī)械工業(yè)中繪制工程圖樣；在電子工業(yè)中繪制電路圖、布線圖；在汽車工業(yè)中繪制汽車外形圖；在建筑工業(yè)中繪制各種建筑平面圖和立體圖；在紡織工業(yè)中繪制設(shè)計(jì)圖案等，都離不開(kāi)繪圖機(jī)。它已是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一種主要的硬拷貝輸出設(shè)備。

筆式繪圖機(jī)雖然能以很高的精度繪圖，但是，繪圖所花時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。因?yàn)樗荒芤桓€的繪制，并且只能按產(chǎn)生圖形時(shí)輸入數(shù)據(jù)的順序進(jìn)行。因此，當(dāng)筆從一條直線轉(zhuǎn)到下一條直線時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些不必要的無(wú)規(guī)則移筆運(yùn)動(dòng)?？梢韵胂螅趫D形十分復(fù)雜并且包含大量直線的情況下，繪圖時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的。因此，在要求短時(shí)間內(nèi)大量出圖的應(yīng)用中，常常使用靜電繪圖機(jī)。

靜電繪圖機(jī)由一塊電子矩陣模板構(gòu)成，此模板可以在電感紙上印出許多點(diǎn)。模板支承在一根棒上，將紙輸送到一個(gè)滾簡(jiǎn)之上，從模板之下通過(guò)。當(dāng)紙經(jīng)過(guò)模板下面時(shí)，用光柵類型的格式來(lái)繪圖。可以用相當(dāng)高的密度打點(diǎn)，一般可達(dá)到每毫米約8個(gè)點(diǎn)，以一系列的點(diǎn)來(lái)形成直線。對(duì)于某些靜電繪圖機(jī)來(lái)說(shuō)，可以繪制寬1.8米的圖形。

和筆式繪圖機(jī)相比，靜電繪圖機(jī)的繪圖速度要快得多，有時(shí)要快3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，但是價(jià)格要高出許多。由于它是一種光柵格式輸出，繪圖質(zhì)量尚且說(shuō)過(guò)得去，但不是很好。而且繪圖必須用專用的紙和化學(xué)藥品。在繪圖之前，需要對(duì)圖形數(shù)據(jù)作預(yù)處理，將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光柵格式，以達(dá)到高速度地繪圖，這就需要額外的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)費(fèi)用。靜電繪圖機(jī)還可用作為文本輸出的打印機(jī)。