Pro/ENGINEER野火版2.0模拟、加工模块功能概览

计算机辅助设计（CAD）技术是近年来工程技术领域中发展最迅速、最引人注目的一项高级技术，它已成为工业生产现代化的重要标志。它对加速工程和产品的开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。它的应用及发展正引起一场产品工程设计与制造深刻的技术革命，并对产品结构、产业结构、企业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构方面带来巨大影响。 

作为CAD技术的主要载体，CAD方面的应用软件就显得越来越重要。目前，国内市场上的CAD软件空前丰富，不仅有质优价廉的国产软件，还有一些短小精干、为某个行业而专门设计的行业性CAD软件，更有许多在计算机辅助设计领域驰骋多年的老牌国外软件提供商的经典之作，它不仅为中国的用户带来了很多新进的设计思想和理念，而且为国内的CAD产业提供了与世界同步发展的机会。 

Pro/Engineer系统就是美国PTC公司的系列产品，它以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于CAD界，并且改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。Pro/Engineer软件能将从三维实体模型建立到三维实体零件加工再到设计产品的有限元分析的全部过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。目前，CAD软件的这种发展趋势非常明显，无论是概念设计、详细设计、工程分析还是数字仿真，CAD软件在产品设计的各个重要环节都提供了越来越强大的功能模块，这也符合了“产品至上”的发展趋势，各软件提供商将向着为客户提供“产品设计和开发整体解决方案”的方向努力。 

在PTC最近推出的Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中，模拟和加工模块得到了进一步的加强，在某些方面甚至可以与专业的CAE或CAM软件媲美，从而使CAD软件系统真正成为提高编程和处理复杂加工作业效率，改善工作质量、提高生产效率和利润，实现企业高度自动化设计及加工的利器。 

第一把火：模拟 

所谓并行工程是指设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑产品的成型工艺、影响产品寿命的因素，并进行模拟检查、仿真、校对，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行结构设计、工程详图设计、性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短设计、数控编程的时间。要实现以上要求，软件系统必须建立于单一数据库、参数化实体特征造型的基础上，而这正是Pro/ENGINEER系统的特色，它规避了CAD、CAE、CAM单元技术制造产品时制造精度低、周期长的软点，使设计、模拟、加工真正有机的结合在一起。 

为了开发出优质产品，设计工程师需要研究他们的设计将如何在现实世界中运作，这就需要由CAD软件的模拟模块来解决。以前，人们使用的物理原型设计是一种昂贵、耗时的方法，而常用的替代方法——传统的数字分析，则高度依赖于受过培训的专家，来获得正确结果，从而延长了产品的设计和分析的周期，增加了材料的消耗或成本，产品的可靠性也很难得到保证。值得庆幸的是，目前CAD软件的模拟模块均克服了这些缺点。Pro/ENGINEER的模拟模块在其预定环境中的运作——不是专家的设计工程师无需建立原型，就可以研究设计产品的机械性能。这样就使工程人员评估、了解并尽早改善他们设计的功能表现变得容易，以缩短推出市场时间并减少开发费用。另外，模拟模块与其他Pro/ENGINEER解决方案配合，可以使外形、配合性以及功能等从一开始就能正确地发展。 

让我们先来看看最新的Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0版中的模拟模块在外观和功能上的一些改变：最引人注目的首先是模拟用户界面的改进，指定模型类型这一典型的先期任务现已移到了一个对话框中，使此操作比以前版本更简单（如图1所示）；其次，Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中的菜单管理器也脱离了用户界面，这意味着Pro/ENGINEER 窗口可占用整个桌面，使命令访问变得更直接、更简单（如图2所示）；另外，在选取功能方面的改进包括选取对象操作参照以及选取操作的简化，用户可以方便的创建约束条件（如图3所示）；最后，如果用户想更改工作模式，例如切换到 FEM 模式，只需编辑模型类型即可（如图4所示）。

 
图1 打开指定模型类型对话框

 
图2 Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中的菜单管理器

 
图3 在Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中创建约束

 
图4 切换到 FEM 模式

有了这些改进，在Pro/ENGI NEER Wildfire野火版2.0中建模和分析这两种任务之间的切换变得迅速而紧凑，设计者可以在继续进行分析之前调整几何形状。 

在以前的Pro/ENGINEER版本中，组件功能是单独的应用程序，现在，Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0中集成了组件功能，使整个系统具备了强大的机械设计能力。设计者无需离开组件界面，即可利用其余的自由度动态拖动元件，展示组件的实际运动情况（如图5所示）。在元件放置期间，可以自由拖动元件，以便检查干涉或方便快捷地为要放置的零件定位。组件中加入运动设计后，就能在设计中引入机械动力学来模拟真实条件，创建凸轮、滑轮和齿轮，并应用由重力和驱动电动机等施加的实际力。

 
图5 在组件界面动态拖动元件

在模拟功能上，Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0通过紧固件连接提高了建立和运行分析的效率。设计者可以在实体和壳中指定贯穿螺栓连接，并在实体中指定螺钉或封闭螺栓连接，还可以定义简单或高级紧固件。我们知道简单紧固件的刚度取决于材料与螺栓直径，而高级紧固件在刚度确定方面则有较大的灵活性，可以使用材料与直径、弹簧刚度性能或预加负荷力来指定其刚度。 

我们以螺钉紧固件的定义为例。设计者只需在两个待连接的零件上选取孔的边，然后接受缺省值即可定义螺钉的紧固件。在图6中我们可以看到模型上的相应螺栓连接，还可以看到该螺栓连接作为新连接显示在模型树中。求解此模型后，用户可以查看创建的缺省紧固件测量，它会报告螺栓剪切力和拉力，或报告结果的条纹图（如图7所示）。最后，用户将会看到螺钉紧固件如何将负荷从轴承盖传入发动机缸体。

 
图6 定义螺钉的紧固件

 
图7 紧固件测量结果的条纹图

如何模拟机械产品的实际运动情况，是CAD软件中模拟模块最关注的问题，由于动态分析直接影响产品质量，所以该功能的优劣也会影响到CAD系统的成败。Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0利用“机械动态”（或 MDO）很好的解决了这个方面的问题。用户可以在产品上施加重量、重力以及外加负荷作用所产生的影响，并计算机构零件在运动过程中受到的力、加速度和速度，建立弹簧和阻尼器模型，以及模拟冲击和碰撞，通过回放结果，用户可以清晰地得到诸干涉区域、运动包络、负荷与接触点的图形表示等重要动态特性。 

第二把火：加工 

近几年，随着计算机和数控技术的飞速发展，CAD/CAM已逐渐进入实用化阶段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、模具制造、家电、玩具等行业。特别是数控机床的普遍使用，使得CAD/CAM技术成为企业实现高度自动化设计及加工的有效手段之一。 

随着CAD/CAE/CAM一体化的进程，在CAD软件中集成的加工模块也越来越强大，足以进行快速编程和处理很多复杂的加工作业，并有助于改善制造车间的工作质量、提高生产效率和利润。一般，CAD的加工模块应能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。加工模块功能检测应注意以下几方面： 
(1)建立二维和三维刀具路径的难易程度； 
(2)加工方法的多样性； 
(3)刀具路径是否易于编辑和修改； 
(4)是否有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速； 
(5)有无内置的防碰撞和防过切功能； 
(6)能否手动超调任何机加工缺省值(如进给速度，主轴转速等)； 
(7)能否对加工过程进行模拟和估算加工时间。 

由于Pro/ENGINEER采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台。其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件，当原始造型被修改后，具有自动更新的功能，通过建立几何外形，产生模具的模芯和腔体，产生精加工零件和完善的模具装配文件。Pro/ENGINEER还提供了最佳加工路径控制和智能化加工路径创建，允许NC编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。Pro/ENGINEER还支持高速加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。 

Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0是供制造业使用的最高版本。从模具制造到生产加工，所有人都会从新的制造过程（Manufacturing Process）管理器中受益。这一全新的图形用户界面使用户能轻而易举地获得NC过程信息以及所有制造信息（如图8所示）。在这个可定制的先进界面中，可以执行许多操作。可以根据草图或XML模板建立NC路径（刀路轨迹）、可以逐个或者一起修改路径、可以使用简单的“拖放”操作来重新调整路径、可以合并以优化路径、可以复制和粘贴路径，可以计算路径时间、可以归档和仿真路径。全新的图形用户界面、起始制造零件定义功能以及可以直接操作制造模型树上的功能等特点，可以提高NC编程人员的效率，使他们能把精力集中在优化零件制造过程上。

 
图8 制造过程管理器

Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0还有许多与制造相关的新功能可以帮助用户计划生产过程。使用它，制造部门的用户可以充分利用先进的绘图功能，该功能通过移去标准工具和整体工具的线路，提供了遮挡加工仿真。Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0 提供了模具制造者的专用功能，它能直接输入、操作和加工STL（标准模板库）数据和新的抛光刀路轨迹，它能一次快速完成深浅不同的加工。对于有机形状，模型可与坯件模型一起载入、装配，并直接使用粗加工、重新粗加工和精加工刀具路径进行加工。在“VERICUT for Pro/ENGINEER”中，粗加工过程的可视化充分展示了高速加工策略和“额外层切面”计算的优点，可最大程度地降低进行额外重新粗加工的几率（如图9所示）。STL 加工还可用于工程化零件，例如电池的外壳。精加工也使用了类似此“S 形连接”连续螺旋铣削的高速加工方法。如果用户想快速生成机械加工原型，而又不想在原型最终完成之前在重新造型小平面数据上浪费时间，此功能特别有用。

 
图9 可视化的粗加工工程

另外，Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0还提供了独特的生产加工新功能，支持多端工具以及直角顶端等特殊配件。 

从以上介绍的Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0的模拟及加工功能中我们不难看出，PTC公司在拓展产品功能、提高软件可用性上所做的努力。采用面向对象的统一数据库和参数化造型技术的Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0，不仅具备优秀的概念设计、基础设计和详细设计的功能，同时更为产品的模拟和制造流程提供了优良的平台，相信它将会为用户的设计、生产过程带来翻天覆地的变化。