本文介紹了 CAD/CAM/CAE—體化技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀。結(jié)合地磅稱重傳感器 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的實(shí)例，展示了基于Pro/Engineer平臺(tái)的CAD/CAE/CAM —體化開(kāi)發(fā)流程。實(shí)踐 證明，CAD/CAE/CAM —體化技術(shù)為今后稱重及其他同類測(cè)力傳感器的開(kāi)發(fā)提供了 一種快 速且易于標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)發(fā)方法，具有很大的應(yīng)用潛力。

1.引言

所謂CAD/CAM/CAE —體化分別是指計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)（CAD/Computer Aided Design),計(jì)算機(jī) 輔助工程（CAE/Computer Aided Engineering)和 計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM/Computer Aided Manufac-turing) 的集成，即設(shè)計(jì)分析制造一體化，其核心 就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，充分考慮產(chǎn)品的性能和可 制造性，提升產(chǎn)品質(zhì)量及改善產(chǎn)品性能。

在早期，CAD、CAE和CAM軟件公司往往針 對(duì)各自領(lǐng)域開(kāi)發(fā)功能單一的軟件。比如CAD軟件 具有強(qiáng)大的建模繪圖功能，但大部分CAE/CAM軟 件的幾何建模功能就比較薄弱。彼此之間一般通 過(guò)IGES格式或者STEP格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這 樣做最大的弊端在于容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此 常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力進(jìn)行幾何模型的 修補(bǔ)工作；同時(shí)CAE/CAM的參數(shù)信息不能傳遞反 饋回CAD，不利于執(zhí)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD/CAE/CAM的協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真成為多數(shù)CAD公司重點(diǎn)發(fā)展方 向，很多公司都在S家CAD軟件中加入CAE/CAM 的功能，同時(shí)操作也變得越來(lái)越人性化，使得設(shè) 計(jì)人員即使不具備專業(yè)的仿真知識(shí)技能和經(jīng)驗(yàn)， 也可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的過(guò)程中進(jìn)行必要的仿真 和分析，進(jìn)而提出各種高品質(zhì)和高效能的設(shè)計(jì)方 案，同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性與可靠 性。

迅速興起的CAD/CAE/CAM技術(shù)滿足了企業(yè) 競(jìng)爭(zhēng)中在髙水平設(shè)計(jì)和快速響應(yīng)的前提下使產(chǎn)品 滿足高質(zhì)量的嚴(yán)格要求，因此逐步應(yīng)用于機(jī)械、 航空航天和電子等很多工程領(lǐng)域。

本文以PTC公司的Pm/Engineer為平臺(tái)介紹了CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)在稱重傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 中的應(yīng)用。

2.稱重傳感器的實(shí)體建模（CAD)

稱重傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的核心在于彈性體的設(shè) 計(jì)。所以，首先在Pro/Engineer的CAD環(huán)境中根 據(jù)客戶要求和經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出彈性體的實(shí)體模型 草圖，其中彈性體模型的敏感梁尺寸先按照經(jīng)驗(yàn) 大致確定。CAD建模是Pro/Engineer的基礎(chǔ)功能。 其三維設(shè)計(jì)概念包括參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)、 基于特征和全相關(guān)等，所以十分容易與CAE/CAM 開(kāi)發(fā)環(huán)境集成和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通過(guò)拉伸，切除等操作，即可完成彈性體模 型，如圖1所示。

另外，過(guò)去在進(jìn)行CAE分析之前，我們通常 會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除那些不影響計(jì)算結(jié) 果的特征，比如彈性體的安裝螺紋孔等，以加快 if算速度。但在Pro/Engim*fir中這一做法對(duì)彈性體 通常并不需要，可以將模型直接導(dǎo)人。

3稱重傳感器的工程分析與優(yōu)化（CAE> Pro/Mechanioa 是無(wú)縫集成于 Pro/Enginefir 的 CAE軟件。而從Pro/Engineer的CAD環(huán)境進(jìn)人 CAK環(huán)境只需點(diǎn)擊Applications菜單下的Mechani- 即可。Pro/Mefhanica的前處理十分人性化，工 程師無(wú)需掌握深?yuàn)W的仿真專業(yè)知識(shí)即可上手。在 本例，我們對(duì)稱重傳感器的敏感梁尺寸進(jìn)行分析 優(yōu)化，同時(shí)分析稱重傳感器整體的受力情況。

首先，指定彈性體的材料。在Pro/Mwhanica 內(nèi)置有豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過(guò)工具欄Define Material命令直接選擇相關(guān)材料（當(dāng)然也可以自己 建立相應(yīng)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)）。在本例，我們選擇彈性 體的材料為鋁材A12024。其次，指定彈性體的約 束（即稱重傳感器安裝固定面）。通過(guò)工具欄Dis-placement Constraint命令選擇稱重傳感器的安裝面 和約束方向即可。再次，指定彈性體的加載（即 稱重傳感器的受力面）。通過(guò)工具欄的Forre/Mo- ment Load命令選擇稱重傳感器的加載面，并確定 加載方向和大小即可而前面這三步的操作順序 是沒(méi)有先后要求的。只要完成前面這三步，我們 就可以建立一個(gè)靜力結(jié)構(gòu)分析。指定分析的名稱 和運(yùn)行參數(shù)（一般選默認(rèn)值）后進(jìn)行計(jì)算即可。 進(jìn)入后處理窗口，可知在貼片的應(yīng)變片絲柵方向 上（即*軸方向）的應(yīng)變分布如圖2所示，敏感 區(qū)的平均正應(yīng)力大約為850微應(yīng)變。

通過(guò)上例，可以發(fā)現(xiàn)在Pro/Engineer的CAE 平臺(tái)下，工程師并不需要深入了解單元屬性，網(wǎng) 格劃分和邊界條件等等有限元的專業(yè)理論，即可 完成一次有效的仿真分析。這是因?yàn)椋?/span>Pm/Me-chanica是基于P方法進(jìn)行工作的。它采用適應(yīng)性 P-method技術(shù)，在不改變單兀網(wǎng)格劃分的情況下， 靠增加單元內(nèi)的插值多項(xiàng)式的階數(shù)來(lái)達(dá)到設(shè)定的 收斂精度。理論上，插值多項(xiàng)式的階數(shù)可以很高， 但在實(shí)際工作中，往往將多項(xiàng)式的最高階數(shù)限制 在9以內(nèi)。如果插值多項(xiàng)式的階數(shù)超過(guò)9仍然沒(méi) 有收斂，這時(shí)可以增加網(wǎng)格的密度，降低多項(xiàng)式 的階數(shù)，加快計(jì)算速度。利用P方法進(jìn)行分析， 降低了對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量的要求和限制，系統(tǒng)可以 自動(dòng)收斂求解。P-method能夠比較精確地?cái)M合幾 何形狀，能夠消除表面上的微小凹面。這種單元 的應(yīng)力變形方程為多項(xiàng)式方程，最高階次能夠達(dá) 到九階。這意味著這種單元可以非常精確地?cái)M合 大應(yīng)力梯度。Pro/Mechanica中四面體單兀的計(jì)算結(jié)果比其他傳統(tǒng)有限元程序中四面體的計(jì)算結(jié)果要 好得多。首先單元以較低的階次進(jìn)行初步計(jì)算， 然后在應(yīng)力梯度比較大的地方和計(jì)算精度要求比 較高的地方自動(dòng)地提高單元應(yīng)力方程的階次，從 而保證計(jì)算的精確度和效率。

在上述的例子中，可知稱重傳感器在額定載 荷下，其敏感區(qū)平均應(yīng)變僅為850微應(yīng)變，而一 般要求在1000微應(yīng)變~1200微應(yīng)變。此時(shí)，我們 可以進(jìn)行優(yōu)化分析。首先，在敏感區(qū)創(chuàng)建一個(gè) Measure為max_strain_xx,然后建立一個(gè)優(yōu)化分 析，選擇優(yōu)化目標(biāo)為max_strain_xx。選擇優(yōu)化尺寸 為壁厚，并指定設(shè)計(jì)約束為max_strain_xx=1100微 應(yīng)變，開(kāi)始計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)置界面，如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知調(diào)整壁厚為2.42mm，可 以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的敏感區(qū)平均應(yīng)力為1100微應(yīng) 變。最終，實(shí)際樣機(jī)測(cè)定的靈敏度在2mV/V左右， 符合設(shè)計(jì)要求。

除此之外，Pro/Mechanica還可以進(jìn)行模態(tài)分 析，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和熱力學(xué)分析等，并提供靈 敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能，基本滿足了一般工 程設(shè)計(jì)的需要。

4.稱重傳感器的加工分析（CAM)

在完成稱重傳感器彈性體的CAE分析后，我們可以確定優(yōu)化后的彈性體結(jié)構(gòu)，得到更新后的 CAD模型，此時(shí)就可以進(jìn)入Pro/NC進(jìn)行加工分 析。

Pro/NC是Pro/Encineer中用于加工分析 (CAM)的模塊。Pro/NC將CAD和CAM相結(jié)合， 配合NC加工制造過(guò)程中所需要的各項(xiàng)加工參數(shù)及 相應(yīng)的毛坯、夾具、刀具、機(jī)床等，來(lái)編制產(chǎn)品 的各種加工制造工藝和數(shù)控程序。由于使用計(jì)算 機(jī)（Pro/NC)代替編程人員完成了繁瑣的數(shù)值計(jì)算 工作，因而可以大大提高編程效率，具有可靠性 好，方便直觀，易于錯(cuò)誤檢查等特點(diǎn)?？紤]到稱 重傳感器彈性體的特點(diǎn)非常適合采用數(shù)控加工方 式，故Pro/NC完全適用于編寫稱重傳感器彈性體 的數(shù)控程序。

從File菜單下的New開(kāi)始，創(chuàng)建新的加工文 件進(jìn)人CAM環(huán)境。Pro/NC設(shè)計(jì)加工程序的流程與 實(shí)際加工的思維邏輯是相似的，主要包含如下幾 個(gè)步驟：

4.1通過(guò)對(duì)加工模型（毛坯、原材料）、刀 具、機(jī)床及加工參數(shù)等進(jìn)行合理的設(shè)置；

4.2 Pro/NC處理為刀位數(shù)據(jù)文件，通過(guò)模擬 加工，檢測(cè)加工中的誤差、干涉及過(guò)切等問(wèn)題， 設(shè)計(jì)出合理的制造流程文件；

4.3通過(guò)Pro/NC后處理，生成能驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī) 床加工的數(shù)控代碼；

最后，將生成的數(shù)控代碼導(dǎo)人數(shù)控機(jī)床，就 可以開(kāi)始彈性體的數(shù)控加工過(guò)程。

5.結(jié)束語(yǔ)

Pro/Engineer 作為 CAD/CAM/CAE —體化技術(shù) 的主流軟件在稱重傳感器的設(shè)計(jì)制造中具有良好 的應(yīng)用潛力。通過(guò)CAD快速高效的設(shè)計(jì)，應(yīng)用 CAE進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算分析以及運(yùn)用CAM進(jìn)行高效高 精度加工，對(duì)于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，降低開(kāi) 發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，以及改良產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程 起著非常顯著的作用，必將極大提高企業(yè)的市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)力。