【正文】 第一章 CAD/CAE/CAM的簡述 CAD/CAE/CAM的發(fā)展歷程. Su terland成功研制出了世界上第1套實(shí)時(shí)交互的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)SKETCHPAD，它標(biāo)志著CAD技術(shù)的誕生。在1952年美國MIT試制成功了世界上第1臺(tái)數(shù)控銑床，解決了復(fù)雜零件的加工自動(dòng)化，促使了數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)50年代中期，MIT研制開發(fā)了自動(dòng)編程語言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具軌跡的計(jì)算、后置處理及數(shù)控指令自動(dòng)生成等CAM基本技術(shù)。從此以后，CAD技術(shù)與CAM技術(shù)便相輔相成地發(fā)展起來，在過去的40多年中，CAD/CAM技術(shù)經(jīng)歷了如下四個(gè)主要發(fā)展階段【14~15】：① 20世紀(jì)50年代的初始準(zhǔn)備階段美國麻省理工學(xué)院(MIT)于1950年在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上采用陰極射線管(CRT)做成圖形終端，并能顯示圖形。50年代后半期出現(xiàn)了光筆，由此開始了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究。② 20世紀(jì)60年代前期的研制試驗(yàn)階段此階段是交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的最重要時(shí)期。該時(shí)期較著名的交互式系統(tǒng)有： therland研究的“sketchpad”系統(tǒng)；1964年美國通用汽車公司的“DAC一1”系統(tǒng)；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系統(tǒng)，貝爾電話公司的“GRAPHIC一1”系統(tǒng)等，但當(dāng)時(shí)刷新式顯示器價(jià)格十分昂貴，CAD系統(tǒng)因此難以普及。③ 20世紀(jì)60年代末至70年代的商品化階段交互圖形技術(shù)日益成熟并得到廣泛應(yīng)用，此時(shí)期CAD/CAM的發(fā)展著重于繪圖技術(shù)，幾何模型化及工程分析研究工作，仍以分離的單個(gè)軟件應(yīng)用為主。此時(shí)它們大多是6位機(jī)上的三維線框系統(tǒng)及二維繪圖系統(tǒng)，只能解決一些簡單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。④ 20世紀(jì)80年代后的迅速發(fā)展階段20世紀(jì)80年代工業(yè)界開始認(rèn)識(shí)到CAD/CAM新技術(shù)的重要性，大量推出新原理、新方法、新軟件，并把單一功能軟件集成，使之不但能繪制工程圖形，而且能進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)、有限元分析、三維造型、機(jī)構(gòu)及機(jī)器人分析與仿真等多種應(yīng)用。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件及輸人、輸出設(shè)備也有較大發(fā)展，32位的工作站可以和小型機(jī)、甚至中型機(jī)相媲美，價(jià)格低廉的彩色光柵圖形顯示器占據(jù)統(tǒng)治地位，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲得以廣泛應(yīng)用，所有這些都大大促進(jìn)了CAD/CAM的更大發(fā)展。30年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的CAD技術(shù)不斷創(chuàng)新、完善，逐步發(fā)展形成一個(gè)從研究開發(fā)、生產(chǎn)制造到推廣應(yīng)用和銷售服務(wù)的完整的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。CAE技術(shù)比起CAD、CAM發(fā)展得晚，在20世紀(jì)6070年代，處于探索階段，有限元技術(shù)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)分析問題進(jìn)行發(fā)展，以解決航空航天技術(shù)發(fā)展過程中所遇到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及模擬實(shí)驗(yàn)和分析。20世紀(jì)7080年代是CAE技術(shù)蓬勃發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了大量的機(jī)械軟件，軟件的開發(fā)主要集中在計(jì)算精度、硬件及速度平臺(tái)的匹配、計(jì)算機(jī)內(nèi)存的有效利用及磁盤空間利用上，而且有限元分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)和場(chǎng)分析領(lǐng)域獲得了很大的成功。20世紀(jì)90年代CAE技術(shù)逐漸成熟壯大，軟件的發(fā)展向與各CAD軟件的專用接口和增強(qiáng)軟件的前后置處理能力方向發(fā)展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。 CAD/CAE/CAM的概念、作用和關(guān)系　CAD在早期是英文Computer Aided Drafting（計(jì)算機(jī)輔助繪圖）的縮寫，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步地認(rèn)識(shí)到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一小部分，于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting改為Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。CAE（Computer Aided Engineering）通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析（線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）、場(chǎng)分析（熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）、頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計(jì)算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。CAM（Computer Aided Manufacture）可完成自動(dòng)生成零件加工的數(shù)控代碼，并可進(jìn)行加工過程的動(dòng)態(tài)模擬、干涉和碰撞檢查等。是為數(shù)控機(jī)床服務(wù)的。CAD是CAE和CAM的基礎(chǔ)。在CAE中無論是單個(gè)零件、還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計(jì)。在CAD中對(duì)零件及部件所做的任何改變，都會(huì)在CAE和CAM中有所反應(yīng)。所以如果CAD開展的不好，CAE和CAM就很難做好。 CAD系統(tǒng)概述先進(jìn)的CAD系統(tǒng)均由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組成。軟件系統(tǒng)是由支持軟件和應(yīng)用軟件組成。按照設(shè)計(jì)模型的不同，CAD系統(tǒng)分為二維CAD和三維CAD系統(tǒng)。二維建模是最初的CAD技術(shù)依賴幾何模型來解決二維繪圖問題的，之后發(fā)展為三維的幾何建模技術(shù)。三維幾何建模方法有線框建模、表面建模和實(shí)體建模。由于三維CAD系統(tǒng)的建模包含了很多的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，使用三維CAD造型工具進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，更能反映實(shí)際產(chǎn)品的構(gòu)造及制造過程。隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的要求，出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建模技術(shù)，并日趨廣泛使用。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型時(shí)，多采用參數(shù)化建模技術(shù)，而當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象需要更大的修改自由度時(shí)，則采用變量化建模技術(shù)。機(jī)器的運(yùn)動(dòng)仿真及分析，是采用CAD系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真和分析，模擬真實(shí)環(huán)境中的工作狀況進(jìn)行分析和判斷，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷（如：零件結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、應(yīng)變分布是否合理、運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)中的干涉狀況等）和潛在的失敗因素，提前進(jìn)行改善和修正，從而有效地減少了設(shè)計(jì)周期，也為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。常用的軟件有：UG、I DEAS、SOLIDWORKS、SOLIDEDGE、MDT、Pro/E 等，Pro/E 是最成功的一種設(shè)計(jì)軟件[16]。 CAE系統(tǒng)概述 概述近20年來，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，CAE技術(shù)有了長足的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，極大地推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科研究和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。CAE作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視。21世紀(jì)，是信息和網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)向更高速和更小型化的發(fā)展和分析軟件的不斷開發(fā)和完善，CAE技術(shù)的應(yīng)用將愈來愈廣泛并成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。大力推進(jìn)我國計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的科學(xué)研究和工業(yè)化應(yīng)用勢(shì)在必行[17]。 CAE系統(tǒng)的主要功能產(chǎn)品的生產(chǎn)過程均可分為初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造四個(gè)階段。CAE指的是初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段中的模擬分析計(jì)算。CAE系統(tǒng)所具有的主要功能：1）基于幾何模型的CAE系統(tǒng)可以很容易地計(jì)算零件的質(zhì)量參數(shù)；2）具有機(jī)構(gòu)分析功能的CAE系統(tǒng)，可以檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否與設(shè)想的一致，以及在運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生碰撞，即進(jìn)行干涉效驗(yàn)；3）基于數(shù)理模型的CAE系統(tǒng)，利用有限元法、邊界元法和模態(tài)分析法，可以對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度分析、振動(dòng)分析和熱分析。 國外CAE技術(shù)概況衡量CAE技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，一些發(fā)達(dá)國家在這方面已達(dá)到了較高的水平，僅以有限元分析軟件為例，國際上不少先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件的開發(fā)已達(dá)到較成熟的階段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS和NASTRAN等。這些軟件具有良好的前后處理界面、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程分析以及線性和非線性分析等多種強(qiáng)大的功能，都通過了各種不同行業(yè)的大量實(shí)際算例的反復(fù)驗(yàn)證，其解決復(fù)雜問題的能力和效率，已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認(rèn)。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機(jī)械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車和電氣工業(yè)設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場(chǎng)產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng)，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭能力。在許多行業(yè)中，計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程中不可逾越的一種強(qiáng)制性的工藝規(guī)范加以實(shí)施。 我國CAE技術(shù)現(xiàn)狀隨著我國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)也在我國蓬勃發(fā)展起來。近年來，我國的CAE技術(shù)研究開發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績。但從總體來看，研究和應(yīng)用的水平還不能說很高，某些方面與發(fā)達(dá)國家相比仍存在不小的差距。從行業(yè)和地區(qū)分布方面來看，發(fā)展也還很不平衡。研究和應(yīng)用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限，現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。我國的計(jì)算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開發(fā)方面，我國目前至少落后于美國等發(fā)達(dá)國家十年。計(jì)算機(jī)軟件是高技術(shù)和高附加值的商品，目前的國際市場(chǎng)為美國等發(fā)達(dá)國家所壟斷。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例，目前的世界年市場(chǎng)份額達(dá)50億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場(chǎng)份額。我國的工業(yè)界在CAE技術(shù)的應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對(duì)CAE技術(shù)還處于初步的認(rèn)同階段，CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因?yàn)?，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)分析軟件，另一方面還大量缺乏掌握CAE技術(shù)的科技人員。提高我國工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平，將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造過程還是一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的工作。 CAM系統(tǒng)概述CAM中的核心技術(shù)是數(shù)控技術(shù)，編制零件加工程序是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，靠手工編程無法滿足復(fù)雜零件數(shù)控加工的需求，50年代初期，美國開始了數(shù)控自動(dòng)編程技術(shù)APT語言的研究，形成了早期的CAM系統(tǒng)；如20世紀(jì)60年代開發(fā)的編程機(jī)及部分編程軟件∶FANUC、Siemens編程機(jī)。目前，CAM技術(shù)已經(jīng)成為CAX（CAD、CAE、CAM等）體系的重要組成部分，可以直接在CAD系統(tǒng)上建立起來的參數(shù)化、全相關(guān)的三維幾何模型（實(shí)體＋曲面）上進(jìn)行加工編程，生成正確的加工軌跡。典型的CAM系統(tǒng)有UG、Pro/E、Cimatron 、MasterCAM等。其特是面向局部曲面的加工方式，表現(xiàn)為編程的難易程度與零件的復(fù)雜程度直接相關(guān)，而與產(chǎn)品的工藝特征、工藝復(fù)雜程度等沒有直接相關(guān)關(guān)系。CAM系統(tǒng)僅以CAD模型的局部幾何特征為目標(biāo)對(duì)象的基本處理形式，已經(jīng)成為智能化、自動(dòng)化水平進(jìn)一步發(fā)展的制約因素。只有采用面向模型、面向工藝特征的CAM系統(tǒng)，才能夠突破CAM自動(dòng)化、智能化的現(xiàn)有水平。CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾方面：（1）面向?qū)ο蟆⒚嫦蚬に囂卣鞯慕Y(jié)構(gòu)體系 傳統(tǒng)CAM曲面為目標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)將被改變成面向整體模型（實(shí)體）、面向工藝特征的結(jié)構(gòu)體系。系統(tǒng)將能夠按照工藝要求自動(dòng)識(shí)別并提取所有的工藝特征及具有特定工藝特征的區(qū)域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自動(dòng)化、智能化達(dá)到一個(gè)新的水平。（2）基于知識(shí)的智能化系統(tǒng) 未來的CAM系統(tǒng)不僅可繼承并智能化地判斷工藝特征，而且具有模型對(duì)比、殘余模型分析與判斷功能，使刀具路徑更優(yōu)化，效率更高。同時(shí)也具有對(duì)工件包括夾具的防過切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工藝要求，并開放工藝相關(guān)聯(lián)的工藝庫、知識(shí)庫、材料庫和刀具庫，使工藝知識(shí)積累、學(xué)習(xí)、運(yùn)用成為可能。（3）提供更方便的工藝管理手段 CAM的工藝管理是數(shù)控生產(chǎn)中至關(guān)重要的一環(huán)，未來CAM系統(tǒng)的工藝管理樹結(jié)構(gòu)，為工藝管理及即時(shí)修改提供了條件。較領(lǐng)先的CAM系統(tǒng)已經(jīng)具有CAPP開發(fā)環(huán)境或可編輯式工藝模板，可由有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，CAM系統(tǒng)可按工藝規(guī)程全自動(dòng)批次處理。據(jù)報(bào)道，未來的CAM系統(tǒng)將能自動(dòng)生成圖文并茂的工藝指導(dǎo)文件，并能以超文本格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽。 本課題的提出和研究內(nèi)容高精度數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且在精度、可靠性和壽命等方面都有很高的要求。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的建模和分析，必須要有一個(gè)集CAD、CAM及CAE于一體的軟件，才能完好的實(shí)現(xiàn)。Pro/E是一套具有優(yōu)秀的三維造型功能、強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)和同意數(shù)據(jù)庫管理等特點(diǎn)的CAD軟件。本課題提出了“基于Pro/MECHANICA的立銑刀有限元分析”的研究課題。以高精度數(shù)控刀具——以二齒平頭、四齒平頭、二齒球頭等數(shù)控立銑刀為研究對(duì)象，將有限元設(shè)計(jì)方法引入高精度復(fù)雜刀具的強(qiáng)度、剛度分析中，進(jìn)行基于Pro/MECHANICA的刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體研究內(nèi)容如下：（1）建立數(shù)控立銑刀的三維設(shè)計(jì)模型；（2）在三維模型的基礎(chǔ)上，基于Pro/MECHANICA模塊完成數(shù)控立銑刀結(jié)構(gòu)的有限元分析。具體包括：1）通過靜力分析，得到銑刀的受力和變形的初步分析結(jié)果；2）通過局部靈敏度分析，挑選出對(duì)剛度影響較大的參數(shù)；3）通過全局靈敏度分析，挑選出影響剛度的參數(shù)變化范圍。（3）對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行分析，得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型，完成刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二章 基于Pro/E的有限元分析原理 CAE子系統(tǒng)的框架及實(shí)現(xiàn)流程Fig The Framework Of High Accuracy NC Cutting Of CAD/ CAM System 高精度數(shù)控刀具CAD/CAM系統(tǒng)簡介高精度數(shù)控刀具CAD/，系統(tǒng)從功能上可分為：系統(tǒng)集成框架、CAD子系統(tǒng)、CAE子系統(tǒng)、CAM子系統(tǒng)及共用產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等模塊，各模塊的功能描述如下：（1）系統(tǒng)集成框架： 基于Visual C++。其主要功能是根據(jù)用戶的不同工作要求實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源（如產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、文件庫等）的合理配置、調(diào)用、檢索、管理以及對(duì)各系統(tǒng)模塊的協(xié)調(diào)和管理等。（2）CAD子系統(tǒng)：基于Pro/ E開發(fā)環(huán)境，利用Pro/ Toolkit和ACCESS開發(fā)工具Visual C++“CAD子系統(tǒng)”。其主要功能是基于Pro/ E強(qiáng)大的參數(shù)化功能，在Pro/ Toolkit的模塊環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了立銑刀三維造型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。（3）CAE子系統(tǒng)：使用Pro/MECHANICA分析軟件將Pro/ E產(chǎn)生的刀具模型與數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)用靈敏度分析的方法對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行分析，以及分析刀具結(jié)構(gòu)的合理性，獲得最優(yōu)截形參數(shù)。（4）