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美国PTC公司的PRO/E软件自诞生那一天起，就引领机械行业的发展，将一场深刻的变化带进了工业生产的各个方面。
其优势在航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等制造业的广泛、深入应用就能得到生动的说明。
相关联的据库、参数化设计基于特征的实体模型化、以及多兼容的数据接口等，都是PRO/E的最大特点。
建立在统一基层上的数据库上的特点令数据结构与工程设计结合，使得一件产品的设计能够在各个阶段称为一个完整一体的过程。
工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角等特征，可以轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
该软件的多数据的接口可以与多种CAE/CAM软件的的连接应用。
而我国的三维设计起步较晚，但是经过近几年的发展，正在世界繁荣的设计环境下蓬勃的发展着。
有限元分析的基本思想是将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值方法。
物体被离散后通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到整个物体的分析。
这类如ANSYS的软件与PRO/E的结合应用使两者的优势能够互补，更加解放了人的劳动，促进生产的发展。
在机械加工中，机构的运动形式，机构的结构合理性以及产品的动态展现，都离不开动态仿真的协助。
作为PRO/E动态仿真的的高级应用，在论文中也相应作了介绍与演示。
特别是在减速箱的模拟装配的实例应用。
逆向工程作为消化吸收先进技术的一种手段，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，逆向工程在CAD/CAM技术中的应用更为重要。
该文对PRO/E在逆向工程中的应用也有相关的介绍。
另外，本课题通过举例等方法阐述了PRO/ENGINEER在三维设计领域里的应用价值及应用前景，及以后的发展趋势。
总之在信息化的今天，在设计手段不断更新，发展的国际大环境里，像PRO/E这类三维软件肯定会向着更加智能，功能更加全面，更加具有人性化的的方向发展。
从事机械行业的工作者，要不断关注其发展，使其在自己的发展中起到应有的作用。
第1章计算机辅助设计技术的发展
1.1计算机辅助设计技术的发展
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作,由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程,最后输出满意的设计结果和产品图纸的一种机械设计方法。
它是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综性的新技术。
计算机辅助设计技术的应用适应了当前产品需提高设计质量,快速更新换代的需求。
计算机辅助设计技术从上世纪50年代末，伴随着计算机的发展、计算机运算能力的增强和储存管式图形显示技术的出现而产生。
如今CAD技术已经发展了60多年，并且正以强大的冲击力，影响改变着工业生产，直至社会的各个方面，使传统的设计流程、工业技术方法发生了深刻的变革。
常见的计算机辅助设计软件可以分为二维软件与三维软件两种，它们在功能与效率上相差很大。
Pro/e软件作为计算机辅助设计系统中非常重要的一款三维设计软件，它所具有的功能是计算机发挥辅助设计功能、提高设计效率的重要基础。
1.2计算机辅助设计在各方面的应用
计算机辅助设计技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面，其主要的应用领域有以下几个方面。
1.2.1制造业中的应用
计算机辅助设计技术已在制造业中广泛应用，其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。
众所周知，一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个主要阶段。
同时，现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中，在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。
当前先进的计算机辅助设计应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。
现在较常用的软件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等计算机辅助设计应用系统，这些系统主要运行在图形工作站平台上。
在PC平台上运行的计算机辅助设计应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。
1.2.2工程设计中的应用
计算机辅助设计技术在工程领域中的应用有以下几个方面:
（1）建筑设计，包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室内装潢等各类计算机辅助设计应用软件。
（2）结构设计，包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析、高层结构分析、地基及基础设计、钢结构设计与加工等。
（3）设备设计，包括水、电、暖各种设备及管道设计。
（4）城市规划、城市交通设计，如城市道路、高架、轻轨、地铁等市政工程设计。
（5）市政管线设计，如自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通信（包括电话、有线电视、数据通信等）各类市政管道线路设计。
（6）交通工程设计，如公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头等。
（7）水利工程设计，如大坝、水渠、河海工程等。
（8）其他工程设计和管理，如房地产开发及物业管理、工程概预算、施工过程控制与管理、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。
1.2.3电气和电子电路方面的应用
计算机辅助设计技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。
目前，计算机辅助设计技术已扩展到印刷电路板的设计（布线及元器件布局），并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手，并由此大大推动了微电子技术和计算及技术的发展。
1.2.4仿真模拟和动画制作
应用计算机辅助设计技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。
在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人以及各种场景等，并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一个个激动人心的巨片。
1.2.5其他应用
计算机辅助设计技术除了在上述领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至体育方面都会用到计算机辅助设计技术。
1.3PTC公司及pro/e软件的简介
Pro/Engineer是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。
在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。
Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。
Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：
筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。
这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便。
Pro/Engineer可令设计优化更趋完美。
造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。
Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。
它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（人工）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三
维图形输出。
图1-1Pro/e的应用图示
1.4Pro/e软件与传统二维计算机辅助软件的比较
传统的计算机辅助设计系统主要是提供方便的设计工具和手段来辅助设计,缺乏分析问题和解决问题的能力,适用于解决算法型或确定型的任务问题。
近几年来,为了克服传统计算机辅助设计的不足,人们将人工智能和专家系统技术应用于计算机辅助设计系统,进行了智能计算机辅助设计系统的研究。
众所周知,机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、许多的设计标准和规范以及制图技术,而且还要用到许多非数值的经验性知识,如开始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断；
而设计过程最一个从“设计-评价-再设计直到产生最优设计结果”的反复过程,这就更需要设计专家具有一定的知识性经验,也就驱使着专家系统和计算机辅助设计进行结合。
很显然,概念设计是整个设计过程中最重要的一个阶段,这一阶段是设计创造性最为集中的部分,这一部分与问题的表达和理解的正确与否,所提方案的优劣以及评价和决策的适当与否等有关,它决定了最终设计的特色、水平和效益。
传统的二维CAD系统起源于计算机图形学，其智能定位于图样绘制，没有从本身的需求来考虑，大多数停留在电子图版的水平。
设计者用二维CAD系统来记录设计结果，设计活动只活动在设计者的头脑之中，当设计者应用二维CAD系统的时候，设计差不多已经结束。
其局限性表现如下：
（1）只是一个绘图工具而并非设计工具，不能帮助设计者定义设计关系和设计约束，更不能储存和保持设计关系。
（2）没有可变型的产品模型。
（3）不支持设计的全过程，只能完成绘图等对提高企业竞争力不很重要的工作。
（4）缺乏智力性，只记录几何数据，缺乏语义信息，不能有效表达设计意图。
（5）对产品缺乏完善的分析系统和检索机制。
由于概念设计的重要性,一些学者提出了基于决策的概念设计过程模型,并且用超文本做了技术实现。
与过去的设计方法学模型相比,决策模型并不规定设计过程应该怎样,设计师自始至终控制着设计的流程,具有更大的灵活性；
与形式化模型相比,决策模型并不被动地模拟设计过程,而是抽取关键的语义和联系,用以描述和支持设计过程,与传统的计算机辅助设计方法相比,它不仅记录设计的结果,更强调记录和表达设计的过程。
总之,智能化是机械计算机辅助设计中极具有前途的研究领域。
Pro/Engineer能较好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法:
①对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。
②绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。
③沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。
④从草图入手建模设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的实体建模。
从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方式。
⑤利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征造型。
第2章pro/e的功能
2.1基于特征及参数化的设计
参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸的关系。
多数与设计对象的控制尺寸有显然的对应,设计结果的修改受到尺寸驱动,所以也称为参数化尺寸驱动,参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能,成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多方案比较和动态设计的有效手段。
参数化技术的研究工作可追溯到Sutherland早期的Sketchpad系统,当时已经提出并利用了基于几何约束进行设计与修改的思想。
近几年参数化技术已有不少种方法,如变动几何法、几何推理法及参数化操作法等。
变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组,通过数值法解非线性方程组确定出几何细节,该方法必须用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解,对不一致的约束模型则以进行有效的判别与处理,也难以有效地将局部变动限制在局部范围求解；
几何推理法是建立在专家系统的基础上,采用谓词表示几何约束,通过推理机导出几何细节,这种方法可以检查约束模型的有效性,并具有局部修改功能,但存在着推理速度馒、系统庞大等问题；
参数化操作法采用参数化操作表示与处理几何约束,并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型,该方法简单、实用,但难以表示与处理复杂的几何约束。
工程设计人员利用参数化技术,可以大大计提高只有几何尺寸发生变化的零件的设计效率,避免繁琐的重复性工作。
因此,参数化技术已成为pro/e设计中重要的研究内容。
以下是基于特征及参数化的设计的实例，从中我们可以加深PRO/E在产品构件中的优势的直观了解。
图2-1拉伸特征
图2-2旋转特征
图2-3扫描特征
图2-4齿轮的参数化设计
2.2pro/e与动态仿真
产品装配与机构仿真是pro/e的一项重要功能。
当设计师进行产品组装与机构仿真时，能将设计师的设计意图直观的进行表达，可以以动态的方式将产品进行模拟的运行，也能从中检验机构是否存在不合理的像干涉、自由度不满足等缺陷。
总之该项功能对设计师提供重要帮助。
2.2.1产品组装与机构仿真的一般方法
在pro/e的装配模块中，对产品组装与机构仿真提供了两种不同的装配方法。
1．产品装配的两种方法
（1）约束装配
当进行普通产品装配中，不考虑机构运动，或某些元件是固定不动的，那么在装配时可采用约束条件进行装配。
（2）连接装配
当进行机构运动仿真时，其机构组装必须考虑到哪些元件是运动的，哪些元件是固定不动的，对运动的元件要采用连接条件进行装配。
其中约束装配仅仅时按系统提供的方式，将机构各元件按一定的连接方式进行组装。
这样得到的只是一个相对直观的产品外观的展示。
而要想实现机构的动态仿真，各元件的连接方式就必须采用“连接装配”。
因为系统中所提供的连接方式具有不同的自由度，在装配过程中就要按照自己的装配关系意图，再采用相应的连接方式。
这样“应用程序”中的“机构”分析模块中才能定义各种伺服电机的参数，得到预期的动态仿真过程。
2.2.2产品组装与机构仿真的一般步骤
为了实现相应机构在动态分析前的连接方式，下面介绍组装与分析
图2-5装配中的连接方式
的一般步骤。
根据各元件所要模拟的运动的不同，在图2-5中的11种连接方式中，选择要约束相应自由度的连接方式。
然后按照下面的步骤进行：
（1）使用约束条件将固定不动的零件或组件装配起来
（2）使用连接条件将运动的零件装配起来
（3）进入机构模块。
当以约束和连接条件将元件组装在一起之后，即可通过下拉式菜单“应用程序/机构”进入设计模块。
（4）手工拖动元件运动。
进入机构模块后，选择拖动图标，手动拖拽元件，使元件按语定运动方式运动，以测定元件装配是否正确，机构运动方式是否合乎理想。
如果元件装配正确，机构运动合乎理想，则进行下一步，否则回到组装环境重新组装。
（5）设置齿轮副、凸轮从动机构。
如果机构中含有齿轮副或凸轮从动机构，则在机构组装并测试正确后，进行齿轮副或凸轮从动机构的设置，建立机构元件连接条件之间的关系，以便驱动。
（6）添加伺服电机。
当连接完成设定后，即可设置伺服电机，以作为机构的动力来源。
（7）其他设定。
如果运动复杂，还需要添加其他设置，如弹簧、力、转矩等。
（8）分析与仿真。
当机构设置完成后，进行各种分析。
如位置、运动学、动态等，并可根据分析获得结果报告。
最终在动态仿真中的运动参数可以用一下图示为一例进行表达：
图2-6某动态仿真中选定三点的运动分析
在动态仿真中能够进行简单的运动与受力分析，但是复杂的分析这里就不能显现出相应的作用与优势。
这样就提出了下文的有限元分析。
2.3pro/e与ANSYS的有限元分析
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。
有限元求解问题的基本步骤通常为：
第一步：
问题及求解域定义：
根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
第二步：
求解域离散化：
将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
第三步：
确定状态变量及控制方法：
一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
第四步：
单元推导：
对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。
为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。
对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。
第五步：
总装求解：
将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。
第六步：
联立方程组求解和结果解释：
有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；
后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软
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