本文介紹了 CAD/CAM/CAE —體化技術的發展和現狀。結合稱重傳感器 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 一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 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 競爭中在高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Pro/Engineer為平臺介紹了CAD/CAE/CAM —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CA0 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 計算速度。但在Pro/Engineer中這一做法對彈性體 通常并不需要，可以將模型直接導入。

3.稱重傳感器的工程分析與優化CAE

Pro/Mschanica 是無縫集成于 Pro/Engineer 的 CAE軟件。而從Pro/Engineer的CAD環境進入 CAE環境只需點擊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/Mechanica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

CAD/CAE/CAM —體化技術在稱重傳感器設計開發 中的應用。

稱重傳感器的實體建模CA0 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。

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 上御x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，Pro/Me-chanica是基于P方法進行工作的。它采用適應性 P-method技術，在不改變單元網格劃分的情況下， 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中四面體單元的計算結 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?200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 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/M)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?？紤]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 件進入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；

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；

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入數控機床，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。