【正文】 效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 （ 2） 基于特征的參數(shù)化造型： Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的 構(gòu)造要素。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。下面就 Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡單的介紹。 PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。經(jīng)過 10余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。 C A E 子 系 統(tǒng)二 齒 平 頭 立 銑 刀 四 齒 平 頭 立 銑 刀 二 齒 球 頭 立 銑 刀靜態(tài)分析局部靈敏度分析全局靈敏度分析優(yōu)化設(shè)計(jì) 圖 CAE子系統(tǒng)框架 Fig . The Framework Of CAE Subsystem 基于 Pro/MECHANICA 的有限元分析原理 Pro/ENGINEER 軟件簡介 1985年， PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。本文對立銑刀進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部靈敏度分析和全局靈敏度分析，挑選出對模型剛度影響最大的參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 5）共用產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫：用于存放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)中所需的各種數(shù)據(jù)。 （ 4） CAM子系統(tǒng)：基于 Visual C++、 ACCESS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊。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)。其主要功能是根據(jù)用戶的不同工作要求實(shí)現(xiàn)對系統(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、管理以及對各系統(tǒng)模塊的協(xié)調(diào)和管理等。 （ 3）對有限元結(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)。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。本課題提出了“基于 Pro/MECHANICA 的立銑刀有限元分析”的研究課題。想要實(shí)現(xiàn)對它的建模和分析，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)。據(jù)報(bào)道，未來的 CAM 系統(tǒng)將能自動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。 （ 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。 （ 2） 基于知識的智能化系統(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。 CAM 技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾方面： 5 （ 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。 CAM 系統(tǒng)僅以 CAD 模型的局部幾何特征為目標(biāo)對象的基本處理形式，已經(jīng)成為智能化、自動化水平進(jìn)一步發(fā)展的制約因素。典型的CAM 系統(tǒng)有 UG、 Pro/E、 Cimatron 、 MasterCAM 等。 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)。這是因?yàn)?，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識產(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。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。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達(dá) 50億美元，并且以每年 15%的速度遞增。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。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)。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。 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。通過 CAE與 CAD、 CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場 4 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)的市場競爭能力。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。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。 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)動是否與設(shè)想的一致，以及在運(yùn)動過程中是否發(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，可以對所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度分析、振動分析和熱分析。 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。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。 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。 CAE 系統(tǒng)概述 概述 近 20年來，在市場需求的推動下 ， CAE技術(shù)有了長足的發(fā)展。對設(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)動副運(yùn)動中的干涉狀況等）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)。當(dāng)設(shè)計(jì)對象的結(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)對象需要更大的修改自由度時(shí)，則采用變量化建模技術(shù)。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。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)。軟件系統(tǒng)是由支持軟件和應(yīng)用軟件組成。 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。在 CAD中對零件及部件所做的任何改變，都會在 CAE和 CAM中有所反應(yīng)。 CAD是 CAE和 CAM的基礎(chǔ)。 CAM（ Computer Aided Manufacture）可完成自動生成零件加工的數(shù)控代碼，并可進(jìn)行加工過程的動態(tài)模擬、 干涉和碰撞檢查等。有限元分析可完成力學(xué)分析（線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài)）、場分析（熱場、電場、磁場等）、頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。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)。 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。 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) 2 度、剛度以及模擬實(shí)驗(yàn)和分析。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。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。該時(shí)期較著名的交互式系統(tǒng)有： 1963年美國學(xué)者 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。 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。 20世紀(jì) 50年代中期， MIT研制開發(fā)了自動編程語言 (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)控指令自動生成等 CAM基本技術(shù)。 1 第一章 CAD/CAE/CAM 的簡述 CAD/CAE/CAM 的發(fā)展歷程 1963年美國教授 . 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臺數(shù)控銑床，解決了復(fù)雜零件的加工自動化，促使了數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展。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。 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。 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。 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。 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)。 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)和場分析領(lǐng)域獲得了很大的成功。 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。 CAE（ Computer Aided Engineering）通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析。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)動模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。是為數(shù)控機(jī)床服務(wù)的。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)。所以如果 CAD開展的不好， CAE和 CAM就很難做好。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。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)。三維幾何建模方法有線框建模、表面建模和實(shí)體建模。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。 3 機(jī)器的 運(yùn)動仿真及分析，是采用 CAD系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。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]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，極大地推動了相關(guān)學(xué)科研究和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。 21世紀(jì)，是信息和網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代。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)用勢在必行 [17]。 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。 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。這些軟件具有良好的前后處理界面、靜態(tài)和動態(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)。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。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。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。從行業(yè)和地區(qū)分布方