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機械CAD Pro E實用技術 東北大學機械工程與自動化學院現代設計與分析研究所教師 禮賓電話 E mail 適用專業 機械 電子 航天 建筑先修課程 機械制圖 計算機基礎 機械原理 機械零件 CAD技術基礎 課程安排 學時 60授課 50實驗 10 根據具體情況 考試 大作業 教材與參考書 教材 謝正義 朱強 徐春林 PRO 0完全學習手冊 北京 中國電力出版社 2005參考書 1 詹友剛 洪亮 PRO 0產品設計通用教程 北京 清華大學出版社 20052 白雁鈞 祝凌云 PRO 0繪圖指南3 佟河亭 馮輝 PRO 機械設計習題精解 北京 人民郵電出版社 2004 圖片事例 圖片事例 圖片事例 第一章PRO 簡介1 1CAD產品設計的一般過程 CAD 計算機輔助設計 技術產生于20世紀50年代后期發達國家的航空和軍事工業中 是隨著計算機軟硬件技術和計算機圖形學技術的發展而迅速成長起來的 CAD最初的英文縮寫是g 即計算機輔助繪圖 后來慢慢發展到 即計算機輔助設計 單純使用計算機繪圖已經不能叫做計算機輔助設計了 真正的設計是整個產品的設計 包括了產品的外形構思 功能設計 結構分析 虛擬現實以及加工制造等全部過程 甚至包括產品從構思到成品后推向市場的全部階段 1 1CAD產品設計的一般過程 傳統的二維工程圖只能是產品設計過程中很小的一部分 不能解決諸如生成復雜的投影線 漏標尺寸 漏畫圖線 機構的幾何關系和運動關系的分析 設計的更新與修改以及設計工程管理等問題 于是 CAD縮寫逐步由g過渡到 CAD也不再是產品簡單的二維工程圖的繪制 而是產品的整個設計過程 1 1CAD產品設計的一般過程 因為三維CAD技術更加符合人們的思維習慣 用戶的整個設計過程完全可以在三維的環境里進行 這種三維設計的新思維 虛擬產品 的出現 顯然更加適合工程技術人員與非工程技術人員進行思想交流 三維設計技術好處 1 能看見所想要得到的產品的外觀和品質 2 便于建立產品的統一數據庫 使得產品的三維模型可以直接進行數值仿真 力學分析 運動分析 虛擬裝配分析 產品的虛擬加工與NC加工等 1 1CAD產品設計的一般過程 需要了解幾個基本設計概念 設計意圖 設計意圖是根據產品規范或需求來定義成品的用途和功能 設計模型之前 需要明確設計意圖 捕獲設計意圖能夠為產品帶來價值和持久性 這一關鍵概念是現代CAD軟件基于特征建模過程的核心 基于特征建模 零件建模是從逐個創建單獨的幾何特征開始的 在設計過程中參照其他特征時 這些單獨的幾何特征將和所參照的特征相互關聯 1 1CAD產品設計的一般過程 參數化設計 特征之間的相關性使得模型成為參數化模型 因此 如果修改某特征 而此修改又直接影響其他相關 從屬 特征 則軟件會動態修改那些相關特征 此參數化功能可保持零件的完整性和設計意圖 相關性 通過相關性 軟件能在 零件 模式外保持設計意圖 在繼續設計模型時 可添加零件 組件 繪圖和其他相關對象 如管道 鈑金件或電線等 所有這些功能在CAD軟件內都完全相關 因此 如果在任意一級修改設計 項目將在所有級中動態反映該修改 這樣便保持了設計意圖 1 1CAD產品設計的一般過程 應力分析 結構強度分析 疲勞分析 概念設計 零部件三維建模 二維工程圖 工業造型 熱分析 公差分析與優化 NC仿真及優化 動態仿真 1 2CAD技術發展簡史 在過去50多年中 CAD技術經歷了五個主要發展時期 1 20世紀50年代 美國麻省理工學院 MIT 于1950年在它研制的名為 旋風 的計算機上采用了陰極射線管 CRT 做成的圖形終端 并能被動地顯示圖形 其后出現了光筆 開始了交互式計算機圖形學的研究 50年代中期 計算機已應用于工程和產品設計的分析計算 促進了計算機輔助工程 CAE 技術的發展 1 2CAD技術發展簡史 2 20世紀60年代 這是交互式計算機圖形學發展的最重要時期 1962年美國學者Ivan 研究出了名為的系統 這是一個交互式圖形系統 能在屏幕上進行圖形設計與修改 開始出現CAD這一術語 其后 美國的一些公司推出了一些CAD系統 但由于當時刷新式圖形顯示器價格十分昂貴 因此CAD系統很難普及與推廣 60年代后期 存儲管式顯示器以其低廉的價格進入市場 降低了CAD系統的成本 促進了計算機圖形學和CAD技術的迅速發展 1 2CAD技術發展簡史 3 20世紀70年代 計算機交互圖形技術和三維幾何造型技術 線框 曲面和實體模型 為CAD技術的發展奠定了基礎 基于大型機的商用CAD CAM系統開始上市 此外基于小型機的所謂交鑰匙系統 它包括圖形輸入及輸出設備和相應的CAD CAM軟件 以其優良的性能價格比 開始向中 小型企業擴展 總的說 70年代是CAD單元技術的發展和應用階段 各功能模塊漸趨完善 但數據結構尚不統一 應用主要集中在計算機繪圖和有限元分析方面 集成性差 1 2CAD技術發展簡史 4 20世紀80年代 隨著超級微型機和32位字長的工程工作站迅速占領市場 各CAD廠商將原來在大型機和小型機上的CAD CAM系統紛紛向新的硬件平臺移植或重新開發 這一階段CAD CAM系統的特點是 幾何造型技術已經成熟 并成為CAD系統的核心 系統具有統一的數據結構和內部的數據庫 系統有較好的集成 特征建模及二 三維參數化設計系統開始出現等 這一階段的應用特點是 從二維繪圖發展為三維建模 實現了CAD CAE CAM的集成 應用取得了顯著效益 1 2CAD技術發展簡史 5 20世紀90年代 隨著世界市場的多變與激烈競爭 隨著各種先進設計理論和先進制造模式的發展 隨著高檔微機 操作系統和編程軟件的發展 隨著因特網的迅速發展 CAD技術正在經歷著前所未有的發展機遇與挑戰 正在向集成化 網絡化 智能化和標準化方向發展 1 2CAD發展簡史 CAD常用軟件介紹低端軟件 CAXA中端軟件 高端軟件 PRO E UG CATIA 1 3PTC 參數技術公司 公司的介紹 1985年成立于美國波士頓 開始進行參數化建模軟件的研究和開發 1988年 V1 0版本的Pro 軟件誕生 提出新概念單一數據庫 參數化 基于特征 全相關及工程數據再利用 協同商務20世紀末推出了i系列產品 在i系列產品中 PTC公司引入了新的建模技術一一行為建模技術 此技術已經成為Pro 的核心技術 2003后推出Pro 系列產品 現應用最廣的版本是Pro 0版 用戶廣FORD BMW 等26000多家 1 4Pro 的主要模塊 Pro 廣泛應用于電子 機械 模具 工業設計 汽車 航空航天 家電 玩具等行業是一個全方位的三維產品開發軟件 它集零件設計 產品裝配 模具開發 NC加工 鈑金件設計 造型設計 逆向工程 自動測量 機構模擬 壓力分析 產品數據管理等功能于一體 它主要有以下6大主要模塊 工業設計模塊 CAID 該模塊主要包括Pro 3D建模 Pro 動畫模擬 Pro 概念設計 Pro 網絡動畫合成 Pro 一 圖片轉三維模型 Pro 圖片渲染 等幾個子模塊 其主要功能有概念圖及草繪 二維草繪及著色 三維噴繪和易用的動畫能力 利用實時壓感感應刷筆及鉛筆可以完成概念設計中的細化部分 能快速簡易地對模型進行渲染 貼紋理等處理 具有高級曲面及高光質量分析工具和高級照片效果圖 光線跟蹤反彈 機械設計模塊 CAD 該模塊主要包括Pro 實體裝配 Pro 電纜設計 Pro 管路設計 Pro 應用數據圖形顯示 Pro SCAN一TOOLS 物理模型數值化 Pro 曲面設計 Pro 焊接設計 Pro 鈑金設計 等幾個子模塊 機械設計模塊 CAD 其主要功能有基于參數化特征零件設計和基本裝配功能工程圖設計及二維圖繪制 對大型 復雜裝配的操作及可視化 實現自頂向下設計 捕捉并發布裝配流程信息 自動生成相關圖紙明細表 中文 焊接模型建立及文本生成 Web超文本鏈接及VRML HTMI 格式輸出 標準件庫建立 參數化曲面建立且和實體的流暢集成 逆向工程工具 三坐標測量機 和利用掃描云點進行設計 直接的曲面建立工具 強大的曲線曲面分析功能 進行復雜形狀設計及自由曲面設計 功能仿真模塊 CAE 該模塊主要包括Pro FEM POST 有限元分析 Pro STO 自定義載荷輸入 Pro 第三方仿真程序連接 Pr0 指定環境的裝配體運動分析 熱分析 Pro 車輪動力仿真 Pro 震動分析 Pro MESH 有限元網格劃分 等幾個子模塊 功能仿真模塊 CAE 可進行運動學及動力學分析如速度和加速度 載荷與反作用力 實現對凸輪 滑槽 摩擦 彈簧 沖擊的分析與模擬和運動干涉及沖突檢查 并可將運動分析結果傳送到結構分析中 可對設計產品的結構強度進行靜態 模態及動態響應和線性及非線性分析 對產品設計的熱性能分析中可實現穩態及瞬態性能分析和結構強度分析在公差分析及優化工具中考慮到了所有裝配中的零件及裝配過程 可確定臨界質量區和每個變量對裝配質量的影響程度并經統計可確定裝配質量 能利用真實的Cp Cpk數據進行分析 制造模塊 CAM 該模塊包括Pro 鑄造模具設計 Pro MFG 電加工 Pro 塑料模具設計 Pro NC CHECK NC仿真 Pro CNC程序生成 等幾個子模塊 在鑄造模具設計中 設計模型直接拆分型腔 所有零件為實體模型 型腔及型芯有精確縮水補償 具有標準模架導柱導套和BOM及圖紙自動生成功能 在塑料流動分析工具中能仿真注塑過程 可對注射時問 熔接痕 填充度分析 預估產品質量及澆口 制造模塊 CAM 可實現4軸的數控銑床編程和4軸數控車床及4軸電加工編程 具有豐富的刀具庫和所有機床后處理 提供機床低級控制指令 支持高速機床 優化加工刀軌流程 對材料切削過程精確地仿真 智能化生成工藝流程及工藝卡片 實時退刀控制 零件族編程重利用 數控鈑金加工中支持沖床 激光切割等各種鈑金加工類型機床 使用標準的沖頭和沖壓成型 鈑金件自動展平并計算展開系數 能自動選擇沖頭和自動套料 數據管理模塊 PDM 它包括Pro PDM 數據管理 Pro 模型圖紙評估 等幾個子模塊 可以在計算機上對產品性能進行仿真測試 找到造成產品各種故障的原因 自動跟蹤用戶創建的數據 保證所有數據的安全及存取方便 數據交換 模塊 Pro 中有多個幾何數據交換模塊 如 Pro CAT Pro 和CATIA的數據交換 Pro CDT 二維工程圖接口 Pro Pro 和福汽車設計軟件的接口 Pro Pro 軟件開發 Pro DRAW 二維數庫數據輸入 Pro 工業標準數據交換格式擴充 Pro STEP 數據和Pro 交換 Pro 線架 曲面維護 Pro Pro 模型數據庫進入 Pro POLT HPGL 數據輸出 等幾個子模塊 1 5Pro 0的新增功能 1 滿足 3D制圖 需求 通過提供注解功能 來滿足這種需求 它能讓用戶在3D模型中獲取和管理傳統2D制圖的信息 這樣就確保了尺寸 公差 表面光潔度 以及其他關鍵設計信息的交換更加準確 其主要原因是繪制2D圖成本較高 且經常會因誤解圖紙而帶來諸多問題 最近發布的 41標準和制訂中的標準對 3D制圖 有所描述 1 5Pro 0的新增功能 2 處理其他CAD數據的能力更強 新增了與三套應用系統之間的CAD數據交換 現在 和可以通過PTC的相關拓撲總線 us 專利技術與其進行數據交換 這進一步擴大了Pro 與非原生工具之問的連通范圍 這些改進 再加上原有對許多直接轉換工具和通用建模核心的支持 使Pro 0成為日前最開放的CAD系統 1 5Pro 0的新增功能 3 常用用戶界面工具更加普及 Pro 0提供了許多用戶常用桌面工具 現在 所有對特征 組件和制圖的操作都具有多級撤銷 重復 Undo Redo 功能 另外 像其他桌面應用一樣 Pro 0還提供了復制和粘貼 功能 用戶可以使用非常熟悉的復制 CTRL C 或粘貼 CTRL V 命令或組合鍵來方便快捷地把特征和幾何體復制到模型的其他區域 Pro 0還為特征的建立提供了更優秀的基準曲線 當使用基準曲線來建立一個或多個特征時 如果用戶不是有意地打破關聯 則這些特征仍與原曲線關聯 這一功能改進了模型中自頂到下的設計方法 1 5Pro 0的新增功能 4 Pro 應用系統界面的持續新穎 PTC對Pro 0軟件中最常用的一些用戶界面進行了大幅度的改進 例如 大多數常用的詳細設計操作都已摒棄了傳統的菜單管理器 所有的制圖新建和編輯操作現在都可以通過一個直觀 統一的圖形界面來完成 另外 絕大多數的鈑金設計命令都已全面更新 其他方內改進包括 全新的測量和分析工具 增強的搜索工具 制造和仿真功能區的HTML報告功能 1 5Pro 0的新增功能 5 更輕松地建立更高質量的設計 使用Pro 0 用戶比以往任對候都更容易建立更高質量的設計 首先 它提供了一個全新的故障檢修工具 使用它 以更清楚地了解特征失敗的原因 它能讓用戶快速診斷故障發生的原因和區域 并提供可能的故障處理方案 另外 這一故障檢修工具還能把故障信息作為模型注釋記錄在文擋中 或者作為以后故障處理的參考資料 1 5Pro 0的新增功能 5 更強大的高級設計工具 包含了許多提高復雜設計開發速度的新功能和新工具 例如 新的模板 功能可以讓用戶圍繞任意軸或在任何方向上摹繪特征 而不用考慮原特征是怎樣建立的 也不必局限于原特征的任何尺寸 圓特征也更加強大 可以更好處理較小的邊緣 該系統現在能夠自動把模型的所有凸面或所有凹下去的邊緣變圓滑 提供了許多處理翹曲 Warp 特征的強大功能 并加強了對裁剪 Trim 延伸 鏡像 和移動 Move 等各種操作過程的控制 1 5Pro 0的新增功能 6 方便靈活的管理 Pro 0提供了一個令人振奮的新功能 它讓用戶從許可服務器中 借 用Pro 許可 并在斷開服務器后繼續使用這 許可 用戶比以前任何時候都能更輕松地在客戶那里或在家里使用Pro 1 5Pro 0的新增功能 7 提供了更新更簡單的設計屬性分析工具全新的曲線和曲面 分析界面降低了該過程的復雜性 單擊鼠標即可變換一種分析方法 由此而產生的易用性提高了評估和改進設計的靈活 還提供了一種被成為偏移分析 的新工具 它可以實時查看Pro 中曲線和曲面上的補償效果 這使得用戶能夠及時準確地發現與外形和復雜操作相關的問題并及早解決 還提供了新的動態反射分析 工具 這對核查曲面和連接質量非常有用 1 5Pro 0的新增功能 8 高效的NC過程 全新的圖形用戶界面使使用者能輕而易舉地獲得NC過程信息以及所有制造信息 在這個可定制的先進界面中 可以執行許多操作 可以根據草圖或XML模板建立NC路徑 刀路軌跡 可以逐個或者一起修改路徑 可以使用簡單的 拖放 操作來重新調整路徑 進行合并以優化路徑 復制和粘貼路徑 計算路徑時間 歸檔和仿真路徑 全新的圖形用戶界面 起始制造零件定義功能以及可以直接操作制造模型樹上的功能等特點 可以提高NC編程人員的效率 使他們能把主要精力集中在優化零件制造過程上 1 5Pro 0的新增功能 9 進一步增強了過程參與者之間的互連互通 例如 在用戶將模型檢入到產品數據庫時 可以幫助他們去除那些沒有達到企業標準或非最優的模型 PTC對系統的點到點設計會議功能進行了許多改進 從而使設計協作比以前任何時候都更容易 例如 用戶能夠很方便地使用電子郵件 把會議邀請從會議中心 發出 能直接訪問儲存在和中的數據 系統還提供了一個新的設計與會者管理 軟件包 它甚至能讓那些不擁有或無權使用Pro 的人加入現場設計會話 一旦連通 參加設計會議的人員就可以操作所有關鍵功能 比如與他們的小組成員共同控制設計會話 而無論這些成員身在何處 1 6本章小結 本章首先簡要介紹了CAD CAM產生的技術背景和特點 闡述了現代CAD設計的一般流程和設計方法 Pro 軟件的歷史 功能和技術特點 以及該軟件的主要模塊及應用領域 然后簡要介紹了Pro 0的新增功能 幫助用戶了解了當前世界CAD的設計思想 設計方法 設計流程和發展方向 Pro 軟件的主要功能和特色等 為用戶后面更進一步的學習 打下了必要的基礎
