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1、1 绪 论1.1 CAD技术的发展历程及趋势1.1.1 CAD简介 CAD（计算机辅助设计，Computer Aided Design）；是指工程技术人员以计算机为工具，应用自身的知识和经验，对产品进行包括方案构思总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等一切设计活动的总称。 CAD是一个设计的过程，它是“在计算机环境下完成产品创造、分析和修改，以达到预期设计目标”的过程。 一般认为，CAD系统具有几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图等主要功能。就目前CAD技术可实现的功能而言，CAD作业过程在设计人员进行产品概念设计的基础上从事产品的几何造型，完成产品几何模型的建立；提取模型中的相关数据
2、进行工程分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等；根据计算结果决定对设计结果的修改，满意后编辑全部设计文档，输出工程图的一个完整过程。从CAD作业过程可以看出，CAD技术也是一项产品建模技术，它是将产品的物理模型转化为计算机内部的数据模型，以供后续的产品开发活动所共享，驱动产品生命周期的全过程。 一个功能完备的CAD系统包括设计数据库、应用程序库和多功能交互图形库。产品设计数据库储存有各类标准规范、计算公式、经验曲线等产品设计信息；应用程序库包括有常规的设计程序，优化方法、有限元分析、可靠性分析等通用和专用的设计分析和计算程序；多功能交互图形库用于图形处理，工程图绘制、标准零部件图库的建立等图形
3、处理作业。在CAD系统中，若加入人工智能技术，用计算机模拟人类专家解决问题的思路和方法进行设计过程中的推理和决策。可大大提高设计过程自动化水平，对产品进行功能设计、总体方案设计等产品的概念设计的过程，以实现对产品设计全过程提供有力的支持。1.1.2 CAD技术的发展历程CAD技术起源于美国，它经历一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程，早期的二维机械CAD技术实际上是计算机辅助绘图（Computer Aided Prafting），它只是起到了一个电子图版的作用，因为二维机械CAD技术没能很好地解决设计中最别扭的几个问题，机构几何关系和运动关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、设计工程
4、管理问题等，所以二维机械CAD没有起到真正的计算机辅助设计的作用。于是人们渴望三维CAD技术的出现。到目前为止，三维CAD技术的发展经历了四次技术革命。第一次技术革命是曲面造型系统。20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。进入70年代后，世界发达国家的汽车及飞机工业飞速发展，此时在飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，由于当时制作出来的样品与设计者想象的形状有很大差异，于是出现的曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，CATIA改变了以往只能借助油泥模型里近似表达曲面的工作方式使人们可以用计算机进行曲线
5、、曲面的处理操作。它的出现首次实现了计算机完整扫描产品零件主要信息的功能，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础，但是曲面造型技术只能描述零件形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、转动惯量等，对CAE技术十分不利，而且该时期的造型技术基本上是以表面及线框造型技术为代表的无约束自由造型技术。由于软件操作复杂，价格极其昂贵，中小企业根本无力问津，因此难以得到普及。于是1979年，美国的SDRC公司推出了世界上第一个基于实体造型技术的大型CAD/CAM软件I-DEAS。实体造型技术是CAD技术上的第二次技术革命。由于实体造型技术能够准确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CA
6、D、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了极大的方便，然而带来了数据计算量的极度膨胀。在当时硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，因而实体造型技术没有迅速在整个行业中全面推广。在以后，美国的CV公司最先在曲面算法上取得了突破，计算速度提高较大，另外，由于CV公司提出了集成各种软件为企业提供了全方位解决方案，采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移的有利措施，一跃成为CAD领域的领导者。进入20世纪80年代中期后，参数技术公司PTC（Parametric Technology Corp），开始研制被命名为Pro/ENGINEER的参数化软件。“参数化”技术的出现，使僵硬的曲面、实体造型技
7、术获得了“智能化”弹性修改的魅力，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上的简便易行的优势，因而赢得了众多中小企业的亲眯，使得它在20世纪90年代前后几乎成为CAD业界的标准，称之为CAD技术的第三次革命。PTC（Parametric Technology Corp）的Pro/E主导了这一潮流。参数化造型技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸修改、全数据相关。只要按照系统规定的方式去操作，系统保证生成的设计的正确性及效率性，否则系统拒绝操作。其造型过程类似模拟工程师读图样的过程，由关键尺寸、形体尺寸、定位尺寸一直到参考尺寸，无一遗漏全部看懂（输入计算机）后，形体自然在脑子里（在屏幕上）形成。Pr
8、o/ENGINEER也于1990前后成为CAD业界的标准。早期的Pro/E软件性能低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它给设计者带来的方便性。80年代末，计算机技术迅速发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术硬件平台成本从二十几万美元降到几万美元，许多中小企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们的设计工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们把目光投向了中低档的Pro/E软件。PTC也正是因为瞄准了这一中档市场，才迎合众多中小企业在CAD上的需求，一举取得成功。进入90年代，参数化技术变的比较成熟起来，充分体现出其在许多通用
9、件，零部件设计上存在的简便易行的优势。PTC也因此先行挤占了低端AutoCAD市场，继而，PTC公司又试图进入高端CAD市场，与CATIA、SDRC、CV、UG等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿。目前，PTC在CAD市场份额排名也名列前茅。SDRC公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量技术。作为今后的开发方向，它保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性的改变，将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束。操作者可先决定所感兴趣的形状，然后再给出一些必要的尺寸，尺寸是否注全，不影响后续
10、操作。同时又克服了它的许多不利之处，它的成功应用，将为CAD技术的发展提供更大的空间和机遇，目前被视为CAD技术的第四次技术革命。SDRC的IDEASMaster Series堪称该技术的代表作。变量化技术不仅可以做到尺寸驱动，也可以实现约束驱动，即由工程关系来驱动几何形状的改变。三维CAD技术符合人的设计思维习惯，整个设计可以完全在三维模型上讨论，直观形象。另外，应用三维CAD设计能建立充分和完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力/应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、模具设计与NC可加工性分析、高效率及高正确率的二维工程图生成、外观效果和造型效果评价等工作，因而三维C
11、AD技术才是真正意义上的计算机辅助设计技术（Computer Aided Design）。1.1.3 CAD技术的发展趋势围绕创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展趋势主要围绕以下七个方面：标准化：除了CAD支撑软件逐步实现工业标准，面向标准构件（零部件库）标准化方法也已成为CAD技术的必备内容，是向着合理化的程度设计的应用方向发展。并行化：并行化是机械设计的大趋势，CAD技术提供对并行设计的支撑是CAD技术的一个重要发展方向。集成化：集成化主要体现在CAX/PDM/ERP技术经过集成，形成企业一体化的技术或系统，进而打主动企业信息化的进程。自动化：传统的CAD系统已经实现了
12、自动化进行结构分析，但这些还远远不够，至少还包括这样几个方面，自动设计方案，自动获取资料，三维实体的自动重建。必须推出的是CAD技术的发展目标不是实现“完全的自动化”，而是以一种符合设计人员习惯的方式，帮助他们完成设计工作。开放性：CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统（Windows窗口系统、UNIX平台、LINUX平台）之上；此外，各种成熟的CAD系统还为终端用户提供了3次开发环境，使用户可根据需要定制自己的CAD系统。网络化：网络技术是计算机技术和翻译技术相互渗透而又紧密结合产物，CAD的智能化特性主要体现在CAD系统本身的智能化特性、人机智能交互接口、设计工程和设计结果的智能显示。因此
13、我们发现智能CAD技术发展的必然方向，知识工程与CAD技术的有机集成是实现智能CAD的必然途径，智能CAD系统是基于知识驱动的CAD系统。1.2 Pro/ENGINEER简介Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（PTC）推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，它具有基于特征全参数、全相关，单一数据库特点，自推出以来，由于强大的功能它很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最为流行的CAD软件之一。目前，Pro/ENGINEER已成为易学易用的百万级CAD/CAE/CAM应用软件，并风靡世界各地。在中国，自20世纪90年代中期以来，许多大型企业开始选用Pro/ENGINEER，至今该
14、软件已拥有相当大的用户群。同时国内许多大学也纷纷运用Pro/ENGINEER作为教学和研究开发的基础软件平台。参数化实体造型技术是Pro/ENGINEER系统的核心技术，其主要特点是基于、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改及全数据相关。基于特征：将某些具有代表性实体几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可变参数，以此为基础来进行更为复杂的几何形体构造。222全尺寸约束：将形状尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏标尺寸（欠约束），不能多标尺寸（过约束）。尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。全数据相关：尺寸参数的修改导
15、致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用参数化技术的好处在于它彻底改变了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式被有效控制，如打算修改零件形状，只需编辑一下尺寸的数值，即可实现形状的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已基本不存在了。Pro/ENGINEER与传统的仅提供绘图工具的CAD系统有着极大的不同。前者提供了一个完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计，加工制造，机构分析、有限元分析和产品数据库管理，基本包括产品生命周期的管理等。Pro/ENGINEER是建立在单一数据库的CAD/CAM/CAE软件，它不像一些传统的CAD/CAM系统
16、建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的数据全部来自一个数据库，使得多个独立用户可以同时为一个产品的造型而工作。换言之，在整个设计过程中的任何一处发生参数改动，可以反应至整个设计过程的相关环节，此种功能称之为全相关。举例来说，如果二维工程图有所改变，零件的三维模型会相应改变，NC加工路径也会自动更新。单一数据库技术和全相关功能，为并行工程的实施提供了一个很好的软件平台。2 基于Pro/E的液压泵变量活塞零件的三维建模2.1 建立零件的毛坯模型在工具栏中点击“新建”按钮，出现新增对话框，在类型下选取“零件”并取名“maopei”。单击“确定”按钮，进如草绘环境界面，如图2-1 。单击菜单管理器上（如图2-2）的“特征”、“创建”、“加材料”、“旋
