計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是近年來工程技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、最引人注目的一項(xiàng)高級(jí)技術(shù)，它已成為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。它對(duì)加速工程和產(chǎn)品的開發(fā)、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力與創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。它的應(yīng)用及發(fā)展正引起一場(chǎng)產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)與制造深刻的技術(shù)革命，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)、管理結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式以及人才知識(shí)結(jié)構(gòu)方面帶來巨大影響。

　　作為CAD技術(shù)的主要載體，CAD方面的應(yīng)用軟件就顯得越來越重要。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的CAD軟件空前豐富，不僅有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)軟件，還有一些短小精干、為某個(gè)行業(yè)而專門設(shè)計(jì)的行業(yè)性CAD軟件，更有許多在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域馳騁多年的老牌國(guó)外軟件提供商的經(jīng)典之作，它不僅為中國(guó)的用戶帶來了很多新進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和理念，而且為國(guó)內(nèi)的CAD產(chǎn)業(yè)提供了與世界同步發(fā)展的機(jī)會(huì)。

　　Pro/Engineer系統(tǒng)就是美國(guó)PTC公司的系列產(chǎn)品，它以其參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等概念聞名于CAD界，并且改變了機(jī)械CAD/CAE/CAM的傳統(tǒng)觀念，這種全新的概念已成為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。Pro/Engineer軟件能將從三維實(shí)體模型建立到三維實(shí)體零件加工再到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的有限元分析的全部過程集成到一起，讓所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。目前，CAD軟件的這種發(fā)展趨勢(shì)非常明顯，無論是概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析還是數(shù)字仿真，CAD軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)重要環(huán)節(jié)都提供了越來越強(qiáng)大的功能模塊，這也符合了“產(chǎn)品至上”的發(fā)展趨勢(shì)，各軟件提供商將向著為客戶提供“產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)整體解決方案”的方向努力。

　　在PTC最近推出的Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中，模擬和加工模塊得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，在某些方面甚至可以與專業(yè)的CAE或CAM軟件媲美，從而使CAD軟件系統(tǒng)真正成為提高編程和處理復(fù)雜加工作業(yè)效率，改善工作質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)高度自動(dòng)化設(shè)計(jì)及加工的利器。

　　第一把火：模擬

　　所謂并行工程是指設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行產(chǎn)品三維零件設(shè)計(jì)時(shí)就考慮產(chǎn)品的成型工藝、影響產(chǎn)品壽命的因素，并進(jìn)行模擬檢查、仿真、校對(duì)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的錯(cuò)誤。在初步確立產(chǎn)品的三維模型后，設(shè)計(jì)、制造及輔助分析部門的多位工程師同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程詳圖設(shè)計(jì)、性能輔助分析及數(shù)控機(jī)床加工指令的編程，而且每一個(gè)工程師對(duì)產(chǎn)品所做的修改可自動(dòng)反映到其他工程師那里，大大縮短設(shè)計(jì)、數(shù)控編程的時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)以上要求，軟件系統(tǒng)必須建立于單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化實(shí)體特征造型的基礎(chǔ)上，而這正是Pro/ENGINEER系統(tǒng)的特色，它規(guī)避了CAD、CAE、CAM單元技術(shù)制造產(chǎn)品時(shí)制造精度低、周期長(zhǎng)的軟點(diǎn)，使設(shè)計(jì)、模擬、加工真正有機(jī)的結(jié)合在一起。

　　為了開發(fā)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)工程師需要研究他們的設(shè)計(jì)將如何在現(xiàn)實(shí)世界中運(yùn)作，這就需要由CAD軟件的模擬模塊來解決。以前，人們使用的物理原型設(shè)計(jì)是一種昂貴、耗時(shí)的方法，而常用的替代方法——傳統(tǒng)的數(shù)字分析，則高度依賴于受過培訓(xùn)的專家，來獲得正確結(jié)果，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和分析的周期，增加了材料的消耗或成本，產(chǎn)品的可靠性也很難得到保證。值得慶幸的是，目前CAD軟件的模擬模塊均克服了這些缺點(diǎn)。Pro/ENGINEER的模擬模塊在其預(yù)定環(huán)境中的運(yùn)作——不是專家的設(shè)計(jì)工程師無需建立原型，就可以研究設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械性能。這樣就使工程人員評(píng)估、了解并盡早改善他們?cè)O(shè)計(jì)的功能表現(xiàn)變得容易，以縮短推出市場(chǎng)時(shí)間并減少開發(fā)費(fèi)用。另外，模擬模塊與其他Pro/ENGINEER解決方案配合，可以使外形、配合性以及功能等從一開始就能正確地發(fā)展。

　　讓我們先來看看最新的Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0版中的模擬模塊在外觀和功能上的一些改變：最引人注目的首先是模擬用戶界面的改進(jìn)，指定模型類型這一典型的先期任務(wù)現(xiàn)已移到了一個(gè)對(duì)話框中，使此操作比以前版本更簡(jiǎn)單(如圖1所示);其次，Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中的菜單管理器也脫離了用戶界面，這意味著Pro/ENGINEER 窗口可占用整個(gè)桌面，使命令訪問變得更直接、更簡(jiǎn)單(如圖2所示);另外，在選取功能方面的改進(jìn)包括選取對(duì)象操作參照以及選取操作的簡(jiǎn)化，用戶可以方便的創(chuàng)建約束條件(如圖3所示);最后，如果用戶想更改工作模式，例如切換到 FEM 模式，只需編輯模型類型即可(如圖4所示)。

圖1 打開指定模型類型對(duì)話框

圖2 Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中的菜單管理器

圖3 在Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中創(chuàng)建約束

圖4 切換到 FEM 模式

　　有了這些改進(jìn)，在Pro/ENGI NEER Wildfire野火版2.0中建模和分析這兩種任務(wù)之間的切換變得迅速而緊湊，設(shè)計(jì)者可以在繼續(xù)進(jìn)行分析之前調(diào)整幾何形狀。

　　在以前的Pro/ENGINEER版本中，組件功能是單獨(dú)的應(yīng)用程序，現(xiàn)在，Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中集成了組件功能，使整個(gè)系統(tǒng)具備了強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)者無需離開組件界面，即可利用其余的自由度動(dòng)態(tài)拖動(dòng)元件，展示組件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況(如圖5所示)。在元件放置期間，可以自由拖動(dòng)元件，以便檢查干涉或方便快捷地為要放置的零件定位。組件中加入運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)后，就能在設(shè)計(jì)中引入機(jī)械動(dòng)力學(xué)來模擬真實(shí)條件，創(chuàng)建凸輪、滑輪和齒輪，并應(yīng)用由重力和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等施加的實(shí)際力。

圖5 在組件界面動(dòng)態(tài)拖動(dòng)元件

　　在模擬功能上，Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0通過緊固件連接提高了建立和運(yùn)行分析的效率。設(shè)計(jì)者可以在實(shí)體和殼中指定貫穿螺栓連接，并在實(shí)體中指定螺釘或封閉螺栓連接，還可以定義簡(jiǎn)單或高級(jí)緊固件。我們知道簡(jiǎn)單緊固件的剛度取決于材料與螺栓直徑，而高級(jí)緊固件在剛度確定方面則有較大的靈活性，可以使用材料與直徑、彈簧剛度性能或預(yù)加負(fù)荷力來指定其剛度。

　　我們以螺釘緊固件的定義為例。設(shè)計(jì)者只需在兩個(gè)待連接的零件上選取孔的邊，然后接受缺省值即可定義螺釘?shù)木o固件。在圖6中我們可以看到模型上的相應(yīng)螺栓連接，還可以看到該螺栓連接作為新連接顯示在模型樹中。求解此模型后，用戶可以查看創(chuàng)建的缺省緊固件測(cè)量，它會(huì)報(bào)告螺栓剪切力和拉力，或報(bào)告結(jié)果的條紋圖(如圖7所示)。最后，用戶將會(huì)看到螺釘緊固件如何將負(fù)荷從軸承蓋傳入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。

圖6 定義螺釘?shù)木o固件

圖7 緊固件測(cè)量結(jié)果的條紋圖

　　如何模擬機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，是CAD軟件中模擬模塊最關(guān)注的問題，由于動(dòng)態(tài)分析直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以該功能的優(yōu)劣也會(huì)影響到CAD系統(tǒng)的成敗。Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0利用“機(jī)械動(dòng)態(tài)”(或 MDO)很好的解決了這個(gè)方面的問題。用戶可以在產(chǎn)品上施加重量、重力以及外加負(fù)荷作用所產(chǎn)生的影響，并計(jì)算機(jī)構(gòu)零件在運(yùn)動(dòng)過程中受到的力、加速度和速度，建立彈簧和阻尼器模型，以及模擬沖擊和碰撞，通過回放結(jié)果，用戶可以清晰地得到諸干涉區(qū)域、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、負(fù)荷與接觸點(diǎn)的圖形表示等重要?jiǎng)討B(tài)特性。

　　第二把火：加工

　　近幾年，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD/CAM已逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、模具制造、家電、玩具等行業(yè)。特別是數(shù)控機(jī)床的普遍使用，使得CAD/CAM技術(shù)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化設(shè)計(jì)及加工的有效手段之一。

　　隨著CAD/CAE/CAM一體化的進(jìn)程，在CAD軟件中集成的加工模塊也越來越強(qiáng)大，足以進(jìn)行快速編程和處理很多復(fù)雜的加工作業(yè)，并有助于改善制造車間的工作質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和利潤(rùn)。一般，CAD的加工模塊應(yīng)能提供一種交互式編程并產(chǎn)生加工軌跡的方法，它包括加工規(guī)劃、刀具設(shè)定、工藝參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。加工模塊功能檢測(cè)應(yīng)注意以下幾方面：

　　(1)建立二維和三維刀具路徑的難易程度;

　　(2)加工方法的多樣性;

　　(3)刀具路徑是否易于編輯和修改;

　　(4)是否有刀具和材料數(shù)據(jù)庫(kù)，使系統(tǒng)能自動(dòng)生成進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速;

　　(5)有無內(nèi)置的防碰撞和防過切功能;

　　(6)能否手動(dòng)超調(diào)任何機(jī)加工缺省值(如進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速等);

　　(7)能否對(duì)加工過程進(jìn)行模擬和估算加工時(shí)間。

　　由于Pro/ENGINEER采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和全參數(shù)化造型技術(shù)，為三維實(shí)體造型提供了一個(gè)優(yōu)良的平臺(tái)。其工業(yè)設(shè)計(jì)方案可以直接讀取內(nèi)部的零件和裝配文件，當(dāng)原始造型被修改后，具有自動(dòng)更新的功能，通過建立幾何外形，產(chǎn)生模具的模芯和腔體，產(chǎn)生精加工零件和完善的模具裝配文件。Pro/ENGINEER還提供了最佳加工路徑控制和智能化加工路徑創(chuàng)建，允許NC編程人員控制整體的加工路徑直到最細(xì)節(jié)的部分。Pro/ENGINEER還支持高速加工和多軸加工，帶有多種圖形文件接口。

　　Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0是供制造業(yè)使用的最高版本。從模具制造到生產(chǎn)加工，所有人都會(huì)從新的制造過程(Manufacturing Process)管理器中受益。這一全新的圖形用戶界面使用戶能輕而易舉地獲得NC過程信息以及所有制造信息(如圖8所示)。在這個(gè)可定制的先進(jìn)界面中，可以執(zhí)行許多操作。可以根據(jù)草圖或XML模板建立NC路徑(刀路軌跡)、可以逐個(gè)或者一起修改路徑、可以使用簡(jiǎn)單的“拖放”操作來重新調(diào)整路徑、可以合并以優(yōu)化路徑、可以復(fù)制和粘貼路徑，可以計(jì)算路徑時(shí)間、可以歸檔和仿真路徑。全新的圖形用戶界面、起始制造零件定義功能以及可以直接操作制造模型樹上的功能等特點(diǎn)，可以提高NC編程人員的效率，使他們能把精力集中在優(yōu)化零件制造過程上。

圖8 制造過程管理器

　　Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0還有許多與制造相關(guān)的新功能可以幫助用戶計(jì)劃生產(chǎn)過程。使用它，制造部門的用戶可以充分利用先進(jìn)的繪圖功能，該功能通過移去標(biāo)準(zhǔn)工具和整體工具的線路，提供了遮擋加工仿真。Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0 提供了模具制造者的專用功能，它能直接輸入、操作和加工STL(標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù))數(shù)據(jù)和新的拋光刀路軌跡，它能一次快速完成深淺不同的加工。對(duì)于有機(jī)形狀，模型可與坯件模型一起載入、裝配，并直接使用粗加工、重新粗加工和精加工刀具路徑進(jìn)行加工。在“VERICUT for Pro/ENGINEER”中，粗加工過程的可視化充分展示了高速加工策略和“額外層切面”計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，可最大程度地降低進(jìn)行額外重新粗加工的幾率(如圖9所示)。STL 加工還可用于工程化零件，例如電池的外殼。精加工也使用了類似此“S 形連接”連續(xù)螺旋銑削的高速加工方法。如果用戶想快速生成機(jī)械加工原型，而又不想在原型最終完成之前在重新造型小平面數(shù)據(jù)上浪費(fèi)時(shí)間，此功能特別有用。

圖9 可視化的粗加工工程

　　另外，Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0還提供了獨(dú)特的生產(chǎn)加工新功能，支持多端工具以及直角頂端等特殊配件。

　　從以上介紹的Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0的模擬及加工功能中我們不難看出，PTC公司在拓展產(chǎn)品功能、提高軟件可用性上所做的努力。采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和參數(shù)化造型技術(shù)的Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0，不僅具備優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的功能，同時(shí)更為產(chǎn)品的模擬和制造流程提供了優(yōu)良的平臺(tái)，相信它將會(huì)為用戶的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程帶來翻天覆地的變化。