本文介紹了 CAD/CAM/CAE —體化技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀。結(jié)合稱重傳感器 設(shè)計開發(fā)的實例，展示了基于Pro/Engineer平臺的CAD/CAE/CAM —體化開發(fā)流程。實踐 證明，CAD/CAE/CAM —體化技術(shù)為今后稱重及其他同類測力傳感器的開發(fā)提供了 一種快 速且易于標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)方法，具有很大的應(yīng)用潛力。

1.引言

所謂CAD/CAM/CAE 一體化分別是指計算機(jī) 輔助設(shè)計（CAD/Computer Aided Design，計算機(jī) 輔助工程（CAE/Computer Aided Engineering 和 計算機(jī)輔助制造（CAM/Computer Aided Manufac-turing 的集成，即設(shè)計分析制造一體化，其核心 就是在產(chǎn)品設(shè)計之初，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 對各自領(lǐng)域開發(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 常常需要花費大量的時間與精力進(jìn)行幾何模型的 修補(bǔ)工作；同時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、仿真和優(yōu)化。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD/CAE/CAM的協(xié)同設(shè)計和仿真成為多數(shù)CAD公司重點發(fā)展方 向，很多公司都在自家CAD軟件中加入CAE/CAM 的功能，同時操作也變得越來越人性化，使得設(shè) 計人員即使不具備專業(yè)的仿真知識技能和經(jīng)驗， 也可以在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的過程中進(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)計方 案，同時確保產(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) 競爭中在高水平設(shè)計和快速響應(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Pro/Engineer為平臺介紹了CAD/CAE/CAM —體化技術(shù)在稱重傳感器設(shè)計開發(fā) 中的應(yīng)用。

2稱重傳感器的實體建模CA0 稱重傳感器設(shè)計開發(fā)的核心在于彈性體的設(shè) 計。所以，首先在Pro/Engineer的CAD環(huán)境中根 據(jù)客戶要求和經(jīng)驗公式設(shè)計出彈性體的實體模型 草圖，其中彈性體模型的敏感梁尺寸先按照經(jīng)驗 大致確定。CAD建模是Pro/Engineer的基礎(chǔ)功能。 其三維設(shè)計概念包括參數(shù)化設(shè)計、單一數(shù)據(jù)庫、 基于特征和全相關(guān)等，所以十分容易與CAE/CAM 開發(fā)環(huán)境集成和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通過拉伸，切除等操作，即可完成彈性體模 型，如圖1所示。

另外，過去在進(jìn)行CAE分析之前，我們通常 會對模型進(jìn)行簡化處理，刪除那些不影響計算結(jié) 果的特征，比如彈性體的安裝螺紋孔等，以加快 計算速度。但在Pro/Engineer中這一做法對彈性體 通常并不需要，可以將模型直接導(dǎo)入。

3.稱重傳感器的工程分析與優(yōu)化CAE

Pro/Mschanica 是無縫集成于 Pro/Engineer 的 CAE軟件。而從Pro/Engineer的CAD環(huán)境進(jìn)入 CAE環(huán)境只需點擊Applications菜單下的Mechani- ca即可。Pro/Mechanica的前處理十分人性化，工 程師無需掌握深奧的仿真專業(yè)知識即可上手。在 本例，我們對稱重傳感器的敏感梁尺寸進(jìn)行分析 優(yōu)化，同時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/Mechanica內(nèi)置有豐富的材料數(shù)據(jù)庫，可以通過工具欄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。在本例，我們選擇彈性

CAD/CAE/CAM —體化技術(shù)在稱重傳感器設(shè)計開發(fā) 中的應(yīng)用。

稱重傳感器的實體建模CA0 稱重傳感器設(shè)計開發(fā)的核心在于彈性體的設(shè) 計。所以，首先在Pro/Engineer的CAD環(huán)境中根 據(jù)客戶要求和經(jīng)驗公式設(shè)計出彈性體的實體模型 草圖，其中彈性體模型的敏感梁尺寸先按照經(jīng)驗 大致確定。CAD建模是Pro/Engineer的基礎(chǔ)功能。 其三維設(shè)計概念包括參數(shù)化設(shè)計、單一數(shù)據(jù)庫、 基于特征和全相關(guān)等，所以十分容易與CAE/CAM 開發(fā)環(huán)境集成和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通過拉伸，切除等操作，即可完成彈性體模 型，如圖1所示。

體的材料為鋁材A12024。其次，指定彈性體的約 束卸稱重傳感器安裝固定面。通過工具欄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。通過工具欄的Force/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 是沒有先后要求的。只要完成前面這三步，我們 就可以建立一個靜力結(jié)構(gòu)分析。指定分析的名稱 和運行參數(shù)（一般選默認(rèn)值后進(jìn)行計算即可。 進(jìn)入后處理窗口，可知在貼片的應(yīng)變片絲柵方向 上御x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。

通過上例，可以發(fā)現(xiàn)在Pro/Engineer的CAE 平臺下，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。這是因為，Pro/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)，在不改變單元網(wǎng)格劃分的情況下， 靠增加單元內(nèi)的插值多項式的階數(shù)來達(dá)到設(shè)定的 收斂精度。理論上，插值多項式的階數(shù)可以很高， 但在實際工作中，往往將多項式的最高階數(shù)限制 在9以內(nèi)。如果插值多項式的階數(shù)超過9仍然沒 有收斂，這時可以增加網(wǎng)格的密度，降低多項式 的階數(shù)，加快計算速度。利用P方法進(jìn)行分析， 降低了對網(wǎng)格劃分質(zhì)量的要求和限制，系統(tǒng)可以 自動收斂求解。P-method能夠比較精確地擬合幾 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擬合 大應(yīng)力梯度。Pro/Mechanica中四面體單元的計算結(jié) 果比其他傳統(tǒng)有限元程序中四面體的計算結(jié)果要 好得多。首先單元以較低的階次進(jìn)行初步計算, 然后在應(yīng)力梯度比較大的地方和計算精度要求比 較高的地方自動地提高單元應(yīng)力方程的階次，從 而保證計算的精確度和效率。

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?200微應(yīng)變。此時，我們 可以進(jìn)行優(yōu)化分析。首先，在敏感區(qū)創(chuàng)建一個

Measure為max_strain_xx,然后建立 個優(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)計約束為max_strain_xx=1100微 應(yīng)變，開始計算優(yōu)化設(shè)計的設(shè)置界面，如圖3所示。

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

除此之外，Pro/Mechanica還可以進(jìn)行模態(tài)分 析，瞬態(tài)動力學(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)計等功能，基本滿足了一般工 程設(shè)計的需要。

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加工制造過程中所需要的各項加工參數(shù)及 相應(yīng)的毛坯、夾具、刀具、機(jī)床等，來編制產(chǎn)品 的各種加工制造工藝和數(shù)控程序。由于使用計算 機(jī)（Pro/M)代替編程人員完成了繁瑣的數(shù)值計算 工作，因而可以大大提高編程效率，具有可靠性 好，方便直觀，易于錯誤檢查等特點。考慮到稱 重傳感器彈性體的特點非常適合采用數(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開始，創(chuàng)建新的加工文 件進(jìn)入CAM環(huán)境。Pro/NC設(shè)計加工程序的流程與 實際加工的思維邏輯是相似的，主要包含如下幾 個步驟：

4.1通過對加工模型（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；

Pro/NC處理為刀位數(shù)據(jù)文件，通過模擬 加工，檢測加工中的誤差、干涉及過切等問題， 設(shè)計出合理的制造流程文件；

通過Pro/NC后處理，生成能驅(qū)動數(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)入數(shù)控機(jī)床，就 可以開始彈性體的數(shù)控加工過程。

5.結(jié)束語

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)計制造中具有良好 的應(yīng)用潛力。通過CAD快速高效的設(shè)計，應(yīng)用 CAE進(jìn)行優(yōu)化計算分析以及運用CAM進(jìn)行高效高 精度加工，對于提高產(chǎn)品設(shè)計制造質(zhì)量，降低開 發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，以及改良產(chǎn)品開發(fā)過程 起著非常顯著的作用，必將極大提高企業(yè)的市場 競爭力。