計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是近年來(lái)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(kāi)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(lái)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(lái)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(zhuān)門(mén)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(hù)帶來(lái)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(guò)程集成到一起，讓所有的用戶(hù)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(wú)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(lái)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(hù)提供“產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)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(zhuān)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(guò)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(mén)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(kāi)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(lái)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(lài)于受過(guò)培訓(xùn)的專(zhuān)家，來(lái)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(zhuān)家的設(shè)計(jì)工程師無(wú)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(kāi)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(kāi)始就能正確地發(fā)展。

　　讓我們先來(lái)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(hù)界面的改進(jìn)，指定模型類(lèi)型這一典型的先期任務(wù)現(xiàn)已移到了一個(gè)對(duì)話(huà)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(hù)界面，這意味著Pro/ENGINEER 窗口可占用整個(gè)桌面，使命令訪問(wèn)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(hù)可以方便的創(chuàng)建約束條件(如圖3所示);最后，如果用戶(hù)想更改工作模式，例如切換到 FEM 模式，只需編輯模型類(lèi)型即可(如圖4所示)。

圖1 打開(kāi)指定模型類(lèi)型對(duì)話(huà)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(wú)需離開(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)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(shù)中。求解此模型后，用戶(hù)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(hù)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(wèn)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(wèn)題。用戶(hù)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(guò)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(guò)回放結(jié)果，用戶(hù)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(chē)、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(lái)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(chē)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(wú)內(nèi)置的防碰撞和防過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程(Manufacturing Process)管理器中受益。這一全新的圖形用戶(hù)界面使用戶(hù)能輕而易舉地獲得NC過(guò)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(lái)重新調(diào)整路徑、可以合并以?xún)?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(hù)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(shù)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(guò)程上。

圖8 制造過(guò)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(hù)計(jì)劃生產(chǎn)過(guò)程。使用它，制造部門(mén)的用戶(hù)可以充分利用先進(jìn)的繪圖功能，該功能通過(guò)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(zhuān)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(guò)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(lèi)似此“S 形連接”連續(xù)螺旋銑削的高速加工方法。如果用戶(hù)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(hù)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)翻天覆地的變化。