基于ProMechanica的数控立铣刀优化设计

第一章 CAD/CAE/CAM的简述

1.1 CAD/CAE/CAM的发展历程

1963年美国教授I.E. Su terland成功研制出了世界上第1套实时交互的计算机图形系统SKETCHPAD，它标志着CAD技术的诞生。在1952年美国MIT试制成功了世界上第1台数控铣床，解决了复杂零件的加工自动化，促使了数控编程技术的发展。20世纪50年代中期，MIT研制开发了自动编程语言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具轨迹的计算、后置处理及数控指令自动生成等CAM基本技术。从此以后，CAD技术与CAM技术便相辅相成地发展起来，在过去的40多年中，CAD/CAM技术经历了如下四个主要发展阶段【14~15】：

①20世纪50年代的初始准备阶段美国麻省理工学院(MIT)于1950年在“旋风”计算机上采用阴极射线管(CRT)做成图形终端，并能显示图形。50年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究。

②20世纪60年代前期的研制试验阶段此阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。该时期较著名的交互式系统有：1963年美国学者Ivan.Su therland研究的“sketchpad”系统；1964年美国通用汽车公司的“DAC一1”系统；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系统，贝尔电话公司的“GRAPHIC一1”系统等，但当时刷新式显示器价格十分昂贵，CAD 系统因此难以普及。

③ 20世纪60年代末至70年代的商品化阶段交互图形技术日益成熟并得到广泛应用，此时期CAD/CAM的发展着重于绘图技术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分离的单个软件应用为主。此时它们大多是6位机上的三维线框系统及二维绘图系统，只能解决一些简单的产品设计问题。

④ 20世纪80年代后的迅速发展阶段20世纪80年代工业界开始认识到CAD/CAM新技术

的重要性，大量推出新原理、新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。与此同时，计算机硬件及输人、输出设备也有较大发展，32位的工作站可以和小型机、甚至中型机相媲美，价格低廉的彩色光栅图形显示器占据统治地位，计算机网络获得以广泛应用，所有这些都大大促进了CAD/CAM的更大发展。30年来，工业发达国家的CAD技术不断创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。

CAE技术比起CAD、CAM发展得晚，在20世纪60-70年代，处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。20世纪70-80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向与各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。

1.2 CAD/CAE/CAM的概念、作用和关系

CAD在早期是英文Computer Aided Drafting（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步地认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计，真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分，于是CAD的缩写也由Computer Aided Drafting改为Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。

CAE（Computer Aided Engineering）通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）、场分析（热场、电场、磁场等）、频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。

CAM（Computer Aided Manufacture）可完成自动生成零件加工的数控代码，并可进行加工过程的动态模拟、干涉和碰撞检查等。是为数控机床服务的。

CAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。所以如果CAD开展的不好，CAE和CAM就很难做好。

1.3 CAD系统概述

先进的CAD系统均由硬件和软件两大系统组成。硬件系统是由计算机及其外围设备和网络组成。软件系统是由支持软件和应用软件组成。按照设计模型的不同，CAD系统分为二维CAD和三维CAD系统。二维建模是最初的CAD技术依赖几何模型来解决二维绘图问题的，之后发展为三维的几何建模技术。三维几何建模方法有线框建模、表面建模和实体建模。由于三维CAD系统的建模包含了很多的实际结构特征，使用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造及制造过程。随着几何建模技术的发展和应用的要求，出现了参数化和变量化的建模技术，并日趋广泛使用。当设计对象的结构形状比较定型时，多采用参数化建模技术，而当设计对象需要更大的修改自由度时，则采用变量化建模技术。

机器的运动仿真及分析，是采用CAD系统的应用软件。对设计模型进行仿真和分析，模拟真实环境中的工作状况进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷（如：零件结构中应力、应变分布是否合理、运动副运动中的干涉状况等）和潜在的失败因素，提前进行改善和修正，从而有效地减少了设计周期，也为优化设计奠定了良好的基础。常用的软件有：UG、I - DEAS、SOLIDWORKS、SOLIDEDGE、MDT、Pro/E 等，Pro/E 是最成功的一种设计软件[16]。