CAD/CAE/CAM一体化技术在地磅称重传感器开发中的应用
本文介绍了 CAD/CAM/CAE—体化技术的发展和现状。结合地磅称重传感器 设计开发的实例，展示了基于Pro/Engineer平台的CAD/CAE/CAM —体化开发流程。实践 证明，CAD/CAE/CAM —体化技术为今后称重及其他同类测力传感器的开发提供了 一种快 速且易于标准化的开发方法，具有很大的应用潜力。
1.引言
所谓CAD/CAM/CAE —体化分别是指计算机 辅助设计（CAD/Computer Aided Design),计算机 辅助工程（CAE/Computer Aided Engineering)和 计算机辅助制造（CAM/Computer Aided Manufac-turing) 的集成，即设计分析制造一体化，其核心 就是在产品设计之初，充分考虑产品的性能和可 制造性，提升产品质量及改善产品性能。
在早期，CAD、CAE和CAM软件公司往往针 对各自领域开发功能单一的软件。比如CAD软件 具有强大的建模绘图功能，但大部分CAE/CAM软 件的几何建模功能就比较薄弱。彼此之间一般通 过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这 样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此 常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的 修补工作；同时CAE/CAM的参数信息不能传递反 馈回CAD，不利于执行参数化设计、仿真和优化。
随着计算机技术的快速发展，CAD/CAE/CAM的协同设计和仿真成为多数CAD公司重点发展方 向，很多公司都在S家CAD软件中加入CAE/CAM 的功能，同时操作也变得越来越人性化，使得设 计人员即使不具备专业的仿真知识技能和经验， 也可以在产品设计研发的过程中进行必要的仿真 和分析，进而提出各种高品质和高效能的设计方 案，同时确保产品的质量和性能的稳定性与可靠 性。
迅速兴起的CAD/CAE/CAM技术满足了企业 竞争中在髙水平设计和快速响应的前提下使产品 满足高质量的严格要求，因此逐步应用于机械、 航空航天和电子等很多工程领域。
本文以PTC公司的Pm/Engineer为平台介绍了CAD/CAE/CAM 一体化技术在称重传感器设计开发 中的应用。
2.称重传感器的实体建模（CAD)
称重传感器设计开发的核心在于弹性体的设 计。所以，首先在Pro/Engineer的CAD环境中根 据客户要求和经验公式设计出弹性体的实体模型 草图，其中弹性体模型的敏感梁尺寸先按照经验 大致确定。CAD建模是Pro/Engineer的基础功能。 其三维设计概念包括参数化设计、单一数据库、 基于特征和全相关等，所以十分容易与CAE/CAM 开发环境集成和进行数据交换。
通过拉伸，切除等操作，即可完成弹性体模 型，如图1所示。
另外，过去在进行CAE分析之前，我们通常 会对模型进行简化处理，删除那些不影响计算结 果的特征，比如弹性体的安装螺纹孔等，以加快 if算速度。但在Pro/Engim*fir中这一做法对弹性体 通常并不需要，可以将模型直接导人。
3称重传感器的工程分析与优化（CAE> Pro/Mechanioa 是无缝集成于 Pro/Enginefir 的 CAE软件。而从Pro/Engineer的CAD环境进人 CAK环境只需点击Applications菜单下的Mechani- 即可。Pro/Mefhanica的前处理十分人性化，工 程师无需掌握深奥的仿真专业知识即可上手。在 本例，我们对称重传感器的敏感梁尺寸进行分析 优化，同时分析称重传感器整体的受力情况。
首先，指定弹性体的材料。在Pro/Mwhanica 内置有丰富的材料数据库，可以通过工具栏Define Material命令直接选择相关材料（当然也可以自己 建立相应的材料数据库）。在本例，我们选择弹性 体的材料为铝材A12024。其次，指定弹性体的约 束（即称重传感器安装固定面）。通过工具栏Dis-placement Constraint命令选择称重传感器的安装面 和约束方向即可。再次，指定弹性体的加载（即 称重传感器的受力面）。通过工具栏的Forre/Mo- ment Load命令选择称重传感器的加载面，并确定 加载方向和大小即可而前面这三步的操作顺序 是没有先后要求的。只要完成前面这三步，我们 就可以建立一个静力结构分析。指定分析的名称 和运行参数（一般选默认值）后进行计算即可。 进入后处理窗口，可知在贴片的应变片丝栅方向 上（即*轴方向）的应变分布如图2所示，敏感 区的平均正应力大约为850微应变。
通过上例，可以发现在Pro/Engineer的CAE 平台下，工程师并不需要深入了解单元属性，网 格划分和边界条件等等有限元的专业理论，即可 完成一次有效的仿真分析。这是因为，Pm/Me-chanica是基于P方法进行工作的。它采用适应性 P-method技术，在不改变单兀网格划分的情况下， 靠增加单元内的插值多项式的阶数来达到设定的 收敛精度。理论上，插值多项式的阶数可以很高， 但在实际工作中，往往将多项式的最高阶数限制 在9以内。如果插值多项式的阶数超过9仍然没 有收敛，这时可以增加网格的密度，降低多项式 的阶数，加快计算速度。利用P方法进行分析， 降低了对网格划分质量的要求和限制，系统可以 自动收敛求解。P-method能够比较精确地拟合几 何形状，能够消除表面上的微小凹面。这种单元 的应力变形方程为多项式方程，最高阶次能够达 到九阶。这意味着这种单元可以非常精确地拟合 大应力梯度。Pro/Mechanica中四面体单兀的计算结果比其他传统有限元程序中四面体的计算结果要 好得多。首先单元以较低的阶次进行初步计算， 然后在应力梯度比较大的地方和计算精度要求比 较高的地方自动地提高单元应力方程的阶次，从 而保证计算的精确度和效率。
在上述的例子中，可知称重传感器在额定载 荷下，其敏感区平均应变仅为850微应变，而一 般要求在1000微应变~1200微应变。此时，我们 可以进行优化分析。首先，在敏感区创建一个 Measure为max_strain_xx,然后建立一个优化分 析，选择优化目标为max_strain_xx。选择优化尺寸 为壁厚，并指定设计约束为max_strain_xx=1100微 应变，开始计算优化设计的设置界面，如图3所示。
根据计算结果，可知调整壁厚为2.42mm，可 以达到设计要求的敏感区平均应力为1100微应 变。最终，实际样机测定的灵敏度在2mV/V左右， 符合设计要求。
除此之外，Pro/Mechanica还可以进行模态分 析，瞬态动力学分析和热力学分析等，并提供灵 敏度分析和优化设计等功能，基本满足了一般工 程设计的需要。
4.称重传感器的加工分析（CAM)
在完成称重传感器弹性体的CAE分析后，我们可以确定优化后的弹性体结构，得到更新后的 CAD模型，此时就可以进入Pro/NC进行加工分 析。
Pro/NC是Pro/Encineer中用于加工分析 (CAM)的模块。Pro/NC将CAD和CAM相结合， 配合NC加工制造过程中所需要的各项加工参数及 相应的毛坯、夹具、刀具、机床等，来编制产品 的各种加工制造工艺和数控程序。由于使用计算 机（Pro/NC)代替编程人员完成了繁琐的数值计算 工作，因而可以大大提高编程效率，具有可靠性 好，方便直观，易于错误检查等特点。考虑到称 重传感器弹性体的特点非常适合采用数控加工方 式，故Pro/NC完全适用于编写称重传感器弹性体 的数控程序。
从File菜单下的New开始，创建新的加工文 件进人CAM环境。Pro/NC设计加工程序的流程与 实际加工的思维逻辑是相似的，主要包含如下几 个步骤：
4.1通过对加工模型（毛坯、原材料）、刀 具、机床及加工参数等进行合理的设置；
4.2 Pro/NC处理为刀位数据文件，通过模拟 加工，检测加工中的误差、干涉及过切等问题， 设计出合理的制造流程文件；
4.3通过Pro/NC后处理，生成能驱动数控机 床加工的数控代码；
最后，将生成的数控代码导人数控机床，就 可以开始弹性体的数控加工过程。
5.结束语
Pro/Engineer 作为 CAD/CAM/CAE —体化技术 的主流软件在称重传感器的设计制造中具有良好 的应用潜力。通过CAD快速高效的设计，应用 CAE进行优化计算分析以及运用CAM进行高效高 精度加工，对于提高产品设计制造质量，降低开 发成本，缩短开发周期，以及改良产品开发过程 起着非常显著的作用，必将极大提高企业的市场 竞争力。
