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1、NX的CAD技术第1章 UG NX的CAD技术Unigraphics（简称UG）软件是当今世界上最先进、紧密集成的、面向制造业的CAX（即CAD、CAE、CAM等的总称）高端软件，是知识驱动自动化技术领域中的领先者，在航空、汽车、机械、电器电子、玩具等各工业领域的应用非常广泛。那么，什么是CAX技术？什么是CAD技术呢？在深入学习UG软件操作使用之前，很有必要对CAX技术、UG软件在CAX领域所处位置有个清晰的认识。重点知识& CAX技术基础知识& 当前先进的产品造型技术& UG NX产品造型技术及其在新产品开发中的应用1.1 机械产品设计技术的发展在机械制造技术发展的历程中，产品设计技术的发

2、展始终是机械制造业发展的主要因素。了解产品设计技术的发展，不但能了解产品设计技术发展的过程，而且能掌握产品设计技术发展的方向，在市场经济的条件下按市场经济的发展需求，促进产品设计技术的发展。表1.1给出了产品设计技术的发展过程。表1.1 产品设计技术的发展过程起 始 时 间设 计 技 术核 心 内 容主 要 特 点1850技术设计零件图绘制设计、工艺编制和制造在同一车间完成1930设计方法学规范化设计（1）设计成为一门科学（2）设计工作规范化（3）设计、工艺、制造分为独立的部门（4）设计过程仍以绘图为主，采用经验判断、类比设计结合零件校验计算1960计算机辅助设计二维几何模型（1）绘图与计算分

3、析结合（CAE），如有限元分析，零件优化计算（2）成组技术、标准化技术、模块化设计1980计算机辅助设计三维几何模型，三维实体模型（1）三维图与二维图自动转换（2）CAD与CAM集成（3）DFA和DFM技术1985计算机辅助设计三维参数化 模型（1）基于几何模型，但使用方便性增强（2）知识处理和仿真技术的应用，增强了设计能力1990计算机辅助产品开发 工程基于特征的产品模型（1）统一产品设计和工艺设计模型（2）标准化数据格式（3）通用分布式产品数据管理系统（PDM）（4）CAD/CAE/CAPP/CAM集成，形成并行工作作业（CE）的计算机辅助开发工程（CADE）1995虚拟产品 开发动态仿真

4、建模和虚拟现实 技术（1）产品建模由几何模型向建立全面的功能（性能）仿真模型发展（2）发展电子数学模型分析的工具软件，以及结合各类产品的专业分析应用软件（3）开发虚拟现实的软硬件，建立可对虚拟样机进行操作和生产作业的虚拟环境1997计算机辅助创新方案（或概念）设计阶段的有效辅助工具（1）基于创新思维的问题分析方法（2）技术系统的发展进化规律（3）具有普适性的创新法则（4）各种标准解法和算法现代机械制造业发展的经验证实，要使新产品开发既能符合市场需求又能创造最佳效益，必须学习、掌握产品创新设计方法，采用CAX技术，尤其是CAD技术。1.2 CAD/CAE/CAM技术简介在产品制造领域中，随着市场

5、经济的发展，用户对各类产品的质量、产品更新换代的速度以及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。在当今高效益、高效率、高技术竞争的时代，要适应瞬息万变的市场要求，提高产品质量，缩短生产周期，最大幅度地提供客户的需求产品和服务，就必须采用先进的设计和制造技术。电子计算机是现代科学技术发展的重大成就之一，目前已普及应用到各个领域。随着计算机的迅速发展，产品设计和生产的方法都在发生显著的变化。以前一直只能靠手工完成的许多作业，逐渐通过计算机实现了高效化和高精度化。计算机技术与数值计算技术、机械设计、制造技术相互结合与渗透，产生了计算机辅助设计、计算机辅助工程与计算机辅助制造这门综合性

6、的应用技术，简称CAD/CAE/CAM技术。它具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点。这种利用计算机来达到高效化、高精度化目的，实现自动化设计、数值模拟计算以及生产制造的方法分别称为CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）和CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）。CAD、CAE、CAM技术的发展，不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规方式，有利于发挥设计人员的创造性，还将大大提高企业的管理水平和市场竞争能力。在许多情况下将CAD、CAE、

7、CAM合起来写成CAD/CAE/CAM，这并不是将CAD、CAE、CAM简单组合在一起，而是表示三者的有机结合，意味着进一步提高设计和生产效率的综合技术。1.2.1 CAD/CAE/CAM系统的组成图1-1给出了CAD/CAE/CAM系统的基本组成。图1-1 CAD/CAE/CAM系统通常一个完善的CAD/CAE/CAM系统应具备：快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信的功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。CAD/CAE/CAM系统应由人、硬件、软件三大部分组成，其中硬件包括计算机及其外部设备，广义上

8、讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等生产设备。软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件3类。系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源，它面向所有用户，是计算机的公共底层管理软件，即系统开发平台，如UNIX、Windows等；支撑软件运行在系统软件之上，是实现CAD/CAE/CAM各种功能的通用性应用基础软件，是CAD/ CAE/CAM系统专业性应用软件的开发平台，如AutoCAD、UG、Pro/E等；专业性应用软件则是根据用户具体要求，在支撑软件平台上进行二次开发的专用软件。计算机系统的硬件为系统工作提供物资基础，而系统功能的实现由系统中的软件运行来完成。随着CAD/ CAE/CAM系

9、统功能的不断完善和提高，软件成本在整个CAD/ CAE/CAM系统中所占比重越来越大。目前国外引进的一些高档软件，其价格已经远远高于系统硬件的价格。1.2.2 CAD/CAE/CAM技术的应用范围不同产品的生产过程各不相同。对于一般的产品，生产过程可分为初步设计、详细设计、生产准备和生产制造4个阶段。1初步设计阶段目的是研究满足功能要求的总体几何形状和结构，创建模型，并进行大致的性能预测、机构分析、强度分析等数值模拟分析工作，以初步确定设计方案。在此过程中，首先要利用计算机查阅以往的设计实例和文献，因为计算机具有非常强的检索能力，故可事先将设计实例和文献数据等集中存储在计算机中，构成数据库，使

10、用时用计算机来进行检索；其次，要利用计算机进行几何建模，并进行必要的性能预测、机构分析、强度分析等数值模拟分析计算，在这方面计算机具有惊人的威力。2详细设计阶段目的是在初步设计阶段确定设计方案的基础上，进一步确定产品各部分的详细几何形状、尺寸和材料等，利用计算机建立详细的几何实体模型，并进行详细的性能预测、机构分析、强度分析等数值模拟分析工作，最终获得产品的详细设计结果。在此过程中，要利用计算机对存储在数据库中的设计标准、规范等数据进行检索，还要利用计算机进行细致的几何形状和结构的修改与确定，建立几何实体模型或称为几何模型的“电子模型”，并利用电子模型来进行详细设计的数值模拟分析计算。在详细设

11、计过程中电子模型是不可缺少的工具，要在计算机上利用它对产品的性能进行仔细研究。这样，可以大大减少为最终验证设计效果而制造样件的次数。初步设计和详细设计完成后，将设计结果存储在数据库中，并利用图纸表达出来，或直接进行计算机辅助制造，利用数控机床等加工制造产品。3生产准备阶段目的是进行产品加工制造所必需的所有准备工作，主要包括工艺设计、用于零件加工的数控编程、用于零件装配的机器人编程等的准备工作。工艺设计，即研究和确定产品的零件加工所应采用的加工方法、加工顺序和加工设备等。工艺设计是经验性较强的工作，以往必须由经验丰富的人员来完成，而现在可将加工的经验数据存储在计算机数据库中，通过与计算机对话，即

12、使经验很少的操作者也能进行工艺设计。数控编程，即在数控机床（NC机床）上进行加工零件的程序编制工作。目前计算机在NC程序编制中的应用也在不断发展，使编程工作比以前要简单得多。机器人编程，即编制机器人驱动控制程序以完成零件装配工作。由于目前在大中型企业甚至中小企业大多数加工是由数控机床来完成的，很多零件部件的装配工作由机器人来完成，因此数控编程和机器人编程显得非常重要。利用计算机编程，可以使编程工作得到大大简化。4生产制造阶段目的是在生产准备工作完成后进行实际加工制造、装配和检验。在实际加工中，NC机床本身就是利用计算机来提高性能的，同时，要使多台机床能够协调、高效地工作也必须利用计算机来控制。

13、目前，随着计算机技术的发展，装配用机器人的应用范围越来越广，在许多制造现场都有机器人在工作。在最终检验过程中，利用计算机的自动检测装置来检验产品，最后生产制造出合格的、性能优异的产品。从上述的计算机在设计、分析计算、生产准备与生产制造中的应用情况看，CAD、CAE、CAM融合在一起，相辅相成，利用CAD进行产品的几何实体建模，为CAE所用；利用CAE对产品的几何实体模型进行性能分析、强度分析、运动学分析、动力学分析、性能结构优化等方面的数值模拟计算，其间根据CAE计算结果不断利用CAD修改几何实体模型，最终确定出符合性能、经济性等方面要求的最优化的合格产品；利用CAD输出产品的三维图形、工程图

14、纸等，并保存所有产品数据信息为CAM所用；利用CAM完成产品生产制造所必需的工艺设计、NC编程、机器人编程等工作以及实际制造工作。因此，CAD、CAE、CAM的应用范围大致可作如下界定。 CAD指的是利用计算机进行几何设计、几何实体建模、绘图等。 CAE指的是利用计算机进行数值模拟分析计算。主要包括有限元法、有限差分法、最优化方法、仿真技术、运动学、动力学计算等。 CAM指的是工艺设计、NC编程、机器人编程等生产准备过程。在有些情况下，CAD、CAM比上述定义具有更广泛的含义。广义CAD的含义包含了上述意义中的CAD和CAE两部分；而广义CAM不仅包括生产准备，而且包括利用计算机进行实际生产制

15、造。1.2.3 CAD的发展过程120世纪50年代后期至70年代初期此阶段为初级阶段线框造型技术。CAD技术起步于20世纪50年代后期。进入20世纪60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直延续到20世纪70年代末期，其后作为CAD技术的一个分支而相对独立、平稳地发展。同时，20世纪60年代出现的三维CAD技术是采用线框造型技术来表示三维实体，三维CAD系统只是极为简单的线

16、框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。220世纪70年代初期至80年代初期此阶段是第一次CAD技术革命曲面（表面）造型技术。进入20世纪70年代，由于飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，而当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面，因此经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。此时法国人提出了贝塞尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基

17、础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。曲面造型系统带来的技术革新，使产品开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新产品开发速度也大幅度提高，但此时由于CAD技术价格极其昂贵，只有在军用工业以及少数的民用主干工业如汽车业才有CAD技术开发和应用。320世纪80年代初期至80年代中期此阶

18、段是第二次CAD技术革命实体造型技术。20世纪80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以CV、SDRC、UG等公司为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。由于计算机技术的大跨步前进，此时CAE、CAM技术也开始有了较大发展。有了表面模型，CAM的问题可以基本解决，但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，特别是CAE的前处理特别困难。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基

19、于实体造型技术的大型CAD/CAE软 件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，它代表着未来CAD技术的发展方向。基于这样的共识，其他CAD系统纷纷仿效。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。但由于实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀，而在当时的计算机硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强，因此实体造型技术也就没能迅速在整个行业全面推广开。在以后的10年里，随着计算机硬件性能的提高，实体造型技术又

20、逐渐为众多公司的CAD系统所采用。420世纪80年代中期至90年代初期此阶段为第三次CAD技术革命参数化技术。正当实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说此前的造型技术都属于无约束自由造型的话，进入20世纪80年代中期，CV公司内部提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型技术。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克，而且CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具（如实体曲面问题等），因此

21、，CV公司内部否决了参数化技术方案。策划参数化技术的这些人于是集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司（Parametric Technology Corp.，PTC），开始研制名为Pro/E的参数化软件。20世纪80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。进入20世纪90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。因此参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。520世纪90年代初期至今此阶段是第四次CAD技术革命变量化技术。参数化技术的成功应用

22、，使得它在1990年前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于许多CAD软件系统都是在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其他应用，重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写，何况参数化技术并没有完全解决好所有问题。因此采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。但这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能被

23、系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其他不利条件。这样的系统由于其在参数化技术上和非参数化技术上均不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。1990年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉 择要么采用逐步修补方式；要么软件重新改写。积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变

24、来驱动形状的改变，一切以尺寸（即所谓的“参数”）为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观。再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。因此，SDRC的开发人员在对现有各种造型技术进行了充分的分析和比较以后，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化技术，形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法。SDRC的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，于是从1990年到1993年，历经3年时间，投资1亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出了全新体系结构的ID

25、EAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在20世纪90年代将软件彻底重写的厂家。变量化技术既保持了参数化技术原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。目前流行的CAD技术基础理论主要是以PTC公司的Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC公司的I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。1.2.4 CAE的发展过程在设计中，利用计算机进行必要的分析计算几乎从计算机一诞生就开始了。在20世纪50年代末作为CAD/

26、CAE/CAM技术的组成部分并发挥重要作用的有限元法诞生了。国际上在20世纪60年代初投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序，其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件。同时，有限元法不断发展，功能不断扩大，现在不仅用于结构分析计算，而且还用于传热、流体、电磁场等许多方面的分析计算。有限元法及其软件的发展大致有如下的发展过程与趋势。1单物理场计算功能扩展从最初的有限元理论提出到20世纪70年

27、代末有限元理论趋于完善，有限元法及其开发的有限元软件均为解决固体力学单场问题，但其功能由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等。2由求解线性工程问题发展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题等，只有采用非线性有限元算法才能解决。近年来国外一些公司花费了大量的人力和物力开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工

28、程实践。3增强可视化前、后处理功能早期有限元分析软件的研究重点在于研究新的高效率求解算法和高精度的单元，有限元软件的前处理、后处理功能很差，一般在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的处理问题却日益突出。因此目前几乎所有的商业化有限元软件系统都开发出了功能很强的可视化的前处理和后处理模块，使用户能以可视化图形方式直观快速地进行几何建模、网格划分、加载、生成有限元分析所需的数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值线图等，进行方便的计算结果

29、数据处理。4单物理场计算问题发展到多物理场耦合计算问题近年来有限元分析方法已从最初的固体力学计算发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题及其多物理场耦合问题的求解计算，这为解决实际复杂问题提供了极大的方便，极大地拓宽了有限元法的应用领域。5CAE软件与CAD软件的无缝集成目前，CAE软件系统的一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算或进行结构动力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求则重新修改造型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。1.2.5 CAM技术的发展过程1952

30、年，MIT（美国麻省理工学院）在世界上首次开发出了NC机床。利用NC机床能够完成以往只有用手工操作才能完成的加工，但是，控制NC机床的纸带还需要由人来制作，而这项工作需要花费很多时间且经常出现错误。因此，MIT同时开始了NC机床的开发工作和利用计算机来制作NC机床纸带的开发工作，并进行了自动编程工具系统APT（Automatically Programmed Tools）的开发工作，这就是CAM历史的开端。CAM的发展过程，大致可分为以下几个阶段。1APT为第一代CAM系统1957年和1961年分别完成了APT-系统和APT-系统。1964年，以美国伊利诺伊理工学院为主承担了APT的长期开发计

31、划，并于1969年完成了APT-的开发工作。德国阿亨大学引进了APT技术，并在此基础上开发了EXAPT-I系统、EXAPT-系统、EXAPT-系统等。APT系统结构为专机形式，其基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也直接是数控刀路。其特点是功能差，操作困难，专机专用。2曲面CAM系统为第二代CAM系统系统结构一般为CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以CAD模型为编程的目标对象，自动生成刀路轨迹，其自动化、智能化程度得到了大幅度提高。曲面CAM系统的基本特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度

32、等没有直接关系。3目前正在发展的新一代CAM系统新一代CAM系统的突出特点是：面向对象、面向工艺特征；基于知识的智能化；能够独立运行；更方便的工艺管理；网络化。其系统的自动化水平、智能化程度大大提高。纵观CAM技术的发展历程，可以看出CAM的发展是一个不断吸收和利用CAD及周边相关技术的应用成果，不断发展的过程；是自动化、智能化、网络化水平不断提高的过程；是CAM系统结构及基本处理方式不断向适应工程化概念的方向发展的过程；更能满足生产发展提出的高速加工、复合化加工、分散化网络加工、高精度加工、智能制造等的要求。计算机技术除了在设计、制造等领域获得深入应用，同时几乎在企业生产经营的各个领域都得到了广泛应用。由于企业的产品开发活动和企业的其他经营活动是密切相关的，因此，要CAD/CAE/CAM等计算机辅助系统与计算机管理信息系统进行