本文介紹了 CAD/CAM/CAE—體化技術的發展和現狀。結合地磅稱重傳感器 設計開發的實例，展示了基于Pro/Engineer平臺的CAD/CAE/CAM —體化開發流程。實踐 證明，CAD/CAE/CAM —體化技術為今后稱重及其他同類測力傳感器的開發提供了 一種快 速且易于標準化的開發方法，具有很大的應用潛力。

1.引言

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

在早期，CAD、CAE和CAM軟件公司往往針 對各自領域開發功能單一的軟件。比如CAD軟件 具有強大的建模繪圖功能，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格式進行數據交換，而這 樣做最大的弊端在于容易造成數據的丟失，因此 常常需要花費大量的時間與精力進行幾何模型的 修補工作；同時CAE/CAM的參數信息不能傳遞反 饋回CAD，不利于執行參數化設計、仿真和優化。

隨著計算機技術的快速發展，CAD/CAE/CAM的協同設計和仿真成為多數CAD公司重點發展方 向，很多公司都在S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 計人員即使不具備專業的仿真知識技能和經驗， 也可以在產品設計研發的過程中進行必要的仿真 和分析，進而提出各種高品質和高效能的設計方 案，同時確保產品的質量和性能的穩定性與可靠 性。

迅速興起的CAD/CAE/CAM技術滿足了企業 競爭中在髙水平設計和快速響應的前提下使產品 滿足高質量的嚴格要求，因此逐步應用于機械、 航空航天和電子等很多工程領域。

本文以PTC公司的Pm/Engineer為平臺介紹了CAD/CAE/CAM 一體化技術在稱重傳感器設計開發 中的應用。

2.稱重傳感器的實體建模（CAD)

稱重傳感器設計開發的核心在于彈性體的設 計。所以，首先在Pro/Engineer的CAD環境中根 據客戶要求和經驗公式設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驗 大致確定。CAD建模是Pro/Engineer的基礎功能。 其三維設計概念包括參數化設計、單一數據庫、 基于特征和全相關等，所以十分容易與CAE/CAM 開發環境集成和進行數據交換。

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，過去在進行CAE分析之前，我們通常 會對模型進行簡化處理，刪除那些不影響計算結 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中這一做法對彈性體 通常并不需要，可以將模型直接導人。

3稱重傳感器的工程分析與優化（CAE> Pro/Mechanioa 是無縫集成于 Pro/Enginefir 的 CAE軟件。而從Pro/Engineer的CAD環境進人 CAK環境只需點擊Applications菜單下的Mechani- 即可。Pro/Mefhanica的前處理十分人性化，工 程師無需掌握深奧的仿真專業知識即可上手。在 本例，我們對稱重傳感器的敏感梁尺寸進行分析 優化，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/Mwhanica 內置有豐富的材料數據庫，可以通過工具欄Define Material命令直接選擇相關材料（當然也可以自己 建立相應的材料數據庫）。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構分析。指定分析的名稱 和運行參數（一般選默認值）后進行計算即可。 進入后處理窗口，可知在貼片的應變片絲柵方向 上（即*軸方向）的應變分布如圖2所示，敏感 區的平均正應力大約為850微應變。

通過上例，可以發現在Pro/Engineer的CAE 平臺下，工程師并不需要深入了解單元屬性，網 格劃分和邊界條件等等有限元的專業理論，即可 完成一次有效的仿真分析。這是因為，Pm/Me-chanica是基于P方法進行工作的。它采用適應性 P-method技術，在不改變單兀網格劃分的情況下， 靠增加單元內的插值多項式的階數來達到設定的 收斂精度。理論上，插值多項式的階數可以很高， 但在實際工作中，往往將多項式的最高階數限制 在9以內。如果插值多項式的階數超過9仍然沒 有收斂，這時可以增加網格的密度，降低多項式 的階數，加快計算速度。利用P方法進行分析， 降低了對網格劃分質量的要求和限制，系統可以 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 的應力變形方程為多項式方程，最高階次能夠達 到九階。這意味著這種單元可以非常精確地擬合 大應力梯度。Pro/Mechanica中四面體單兀的計算結果比其他傳統有限元程序中四面體的計算結果要 好得多。首先單元以較低的階次進行初步計算， 然后在應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，其敏感區平均應變僅為850微應變，而一 般要求在1000微應變~1200微應變。此時，我們 可以進行優化分析。首先，在敏感區創建一個 Measure為max_strain_xx,然后建立一個優化分 析，選擇優化目標為max_strain_xx。選擇優化尺寸 為壁厚，并指定設計約束為max_strain_xx=1100微 應變，開始計算優化設計的設置界面，如圖3所示。

根據計算結果，可知調整壁厚為2.42mm，可 以達到設計要求的敏感區平均應力為1100微應 變。最終，實際樣機測定的靈敏度在2mV/V左右， 符合設計要求。

除此之外，Pro/Mechanica還可以進行模態分 析，瞬態動力學分析和熱力學分析等，并提供靈 敏度分析和優化設計等功能，基本滿足了一般工 程設計的需要。

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，我們可以確定優化后的彈性體結構，得到更新后的 CAD模型，此時就可以進入Pro/NC進行加工分 析。

Pro/NC是Pro/Encineer中用于加工分析 (CAM)的模塊。Pro/NC將CAD和CAM相結合， 配合NC加工制造過程中所需要的各項加工參數及 相應的毛坯、夾具、刀具、機床等，來編制產品 的各種加工制造工藝和數控程序。由于使用計算 機（Pro/NC)代替編程人員完成了繁瑣的數值計算 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 的數控程序。

從File菜單下的New開始，創建新的加工文 件進人CAM環境。Pro/NC設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、機床及加工參數等進行合理的設置；

4.2 Pro/NC處理為刀位數據文件，通過模擬 加工，檢測加工中的誤差、干涉及過切等問題， 設計出合理的制造流程文件；

4.3通過Pro/NC后處理，生成能驅動數控機 床加工的數控代碼；

最后，將生成的數控代碼導人數控機床，就 可以開始彈性體的數控加工過程。

5.結束語

Pro/Engineer 作為 CAD/CAM/CAE —體化技術 的主流軟件在稱重傳感器的設計制造中具有良好 的應用潛力。通過CAD快速高效的設計，應用 CAE進行優化計算分析以及運用CAM進行高效高 精度加工，對于提高產品設計制造質量，降低開 發成本，縮短開發周期，以及改良產品開發過程 起著非常顯著的作用，必將極大提高企業的市場 競爭力。