完美升级版基于Proe的齿轮泵虚拟装配与运动仿真毕业论文设计.docx
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完美升级版基于Proe的齿轮泵虚拟装配与运动仿真毕业论文设计
2010届毕业（设计）论文
题目基于Pro/ENGINEER的齿轮泵虚拟装配与运动仿真
专业班级06级机制2班
学生姓名李跃
指导教师刘青山
指导教师职称副教授
学院名称武汉工程大学
完成日期：
年月日
基于Pro/ENGINEER的齿轮泵虚拟装配与运动仿真
VirtualAssemblyandMotionSimulationoftheGearPumpBasedonPro/E
学生姓名李跃
指导教师刘青山
摘要
Abstract
第一章绪论
1.1课题背景
1.2齿轮泵概述
1.3基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
1.3.1Pro/Engineer概述
1.3.2基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
1.4本文研究的内容
1.4.1本课题要求
1.4.2本文的主要工作
第二章齿轮泵建模
2.1齿轮泵骨架设计
2.2齿轮泵主体设计
2.3齿轮泵主体的设计
2.4齿轮泵右盖设计
2.5齿轮轴的设计
2.6其它零件的设计
第三章齿轮泵虚拟装配与干涉检测
3.1虚拟装配
3.1.1元件放置控制板
3.1.2装配约束类型
3.1.3装配连接类型
3.1.4零件装配与连接
3.2干涉检测
3.3生成爆炸图
第四章机构仿真及工作原理动画
4.1定义齿轮副
4.2添加伺服电动机
4.3运动分析
4.4结果回放及捕捉
4.5结果分析
第五章总结
致谢
参考文献
摘要
本文介绍了利用Pro/E软件，来完成齿轮油泵三维建模设计。
齿轮油泵设计主要从零件建模、装配设计、机构运动仿真、工作原理动画几个方面展开。
利用Po／Engineer进行了齿轮泵的虚松装配和动态仿真，并进行复杂运动学分析，利用这种方法能及早发现设计缺陷，降低产品开发成本，缩短设计周期，可以大大提高产品的设计开发效率。
关键词：
齿轮泵；虚拟装配；运动仿真
Abstract
ThisarticledescribeshowtousePro/Etocompletethedesignofthree-dimensionalmodelingofgearpumps．Thedesignofgearpumps，mainlybeganfrompartsmodeling,assemblydesign，simulationofbodymovement，theworkofseveralaspectsoftheprincipleofanimation．Establishedvirtualassemblymode1ofgearpumpsandachievedmotionsimulationandanalysisbasedonPro/Engineer．inthisway，thedesignercanfindthedisfigurementearlier，thecostofproductdevelopmentisreduced，andtheefficiencyofgearpumpsdesignadvancedgreatly．
Keywords：
gearpump；virtualassembly；motionsimulation
第一章绪论
1.1课题背景
本设计主要围绕齿轮泵设计这个实例展开。
液压泵作为一种重要的液压元件，其规格和型号比较繁多，传统的开发过程繁琐、效率低下、绘图量大，Pro/E作为一款高效快捷的CAD/CAM软件，克服了以上的不足之处，大大提高设计人员的开发速度，齿轮泵因结构简单、制造方便、质量轻和体积小等特点已获得广泛应用。
它是依靠密封空间在齿轮转动时容积的变化，实现机械能与工作油液输出压力能的转化，主要由端盖、泵体、传动齿轮轴、螺钉和垫片等零部件组成。
随着CAX（CAD／CAM／CAE）技术的发展，3D技术在齿轮采设计过程中发挥着越来越重要的作用。
本文将着重就Pro/E的实体建模、虚拟装配、机构仿真等功能进行齿轮油泵的设计。
齿轮油泵包含多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法。
虚拟装配技术是利用计算机工具，而不需产品或者支持过程的物理实现，通过分析、预建模、可视化等进行或者辅助进行装配，根据产品设计的形状特征和精度特性，真实地模拟产品三维装配过程。
Pro／E软件中的机构模块Mechanism，能够对设计进行模拟、仿真、校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度和加速度计算等。
本文利用Pro／E进行了齿轮泵机构的虚拟装配和运动仿真，分析了装配中的干涉情况以及机构运动过程中的位移、速度和加速度情况，为齿轮泵的开发设计提供参考。
Pro/E系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的产品。
本软件采用单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，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。
1.2齿轮泵概述
齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。
由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。
吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。
齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出处阻力的大小，如图1.1。
图1.1
外啮合双齿轮泵的结构。
一对相互啮合的齿轮和泵缸把吸入腔和排出腔隔开。
齿轮转动时，吸入腔侧轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下进入齿间。
随着齿轮的转动，一个个齿间的液体被带至排出腔。
这时排出腔侧轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体排出。
齿轮泵适用于输送不含固体颗粒、无腐蚀性、粘度范围较大的润滑性液体。
泵的流量可至300米3/时，压力可达3×107帕。
它通常用作液压泵和输送各类油品。
齿轮泵结构简单紧凑,制造容易,维护方便，有自吸能力，但流量、压力脉动较大且噪声大。
齿轮泵必须配带安全阀，以防止由于某种原因如排出管堵塞使泵的出口压力超过容许值而损坏泵或原动机。
1.2.1齿轮泵工作原理
齿轮泵的概念是很简单的，即它的最基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，这个壳体的内部类似“8”字形，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。
来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间，并充满这一空间，随着齿的旋转沿壳体运动，最后在两齿啮合时排出。
在术语上讲，齿轮泵也叫正排量装置，即像一个缸筒内的活塞，当一个齿进入另一个齿的流体空间时，液体就被机械性地挤排出来。
因为液体是不可压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，这样，液体就被排除了。
由于齿的不断啮合，这一现象就连续在发生，因而也就在泵的出口提供了一个连续排除量，泵每转一转，排出的量是一样的。
随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。
泵的流量直接与泵的转速有关。
实际上，在泵内有很少量的流体损失，这使泵的运行效率不能达到100％，因为这些流体被用来润滑轴承及齿轮两侧，而泵体也绝不可能无间隙配合，故不能使流体100％地从出口排出，所以少量的流体损失是必然的。
然而泵还是可以良好地运行，对大多数挤出物料来说，仍可以达到93％～98％的效率。
对于粘度或密度在工艺中有变化的流体，这种泵不会受到太多影响。
如果有一个阻尼器，比如在排出口侧放一个滤网或一个限制器，泵则会推动流体通过它们。
如果这个阻尼器在工作中变化，亦即如果滤网变脏、堵塞了，或限制器的背压升高了，则泵仍将保持恒定的流量，直至达到装置中最弱的部件的机械极限（通常装有一个扭矩限制器）。
对于一台泵的转速，实际上是有限制的，这主要取决于工艺流体，如果传送的是油类，泵则能以很高的速度转动，但当流体是一种高粘度的聚合物熔体时，这种限制就会大幅度降低。
推动高粘流体进入吸入口一侧的两齿空间是非常重要的，如果这一空间没有填充满，则泵就不能排出准确的流量，所以PV值（压力×流速）也是另外一个限制因素，而且是一个工艺变量。
由于这些限制，齿轮泵制造商将提供一系列产品，即不同的规格及排量（每转一周所排出的量）。
这些泵将与具体的应用工艺相配合，以使系统能力及价格达到最优。
PEP－II泵的齿轮与轴共为一体，采用通体淬硬工艺，可获得更长的工作寿命。
“D”型轴承结合了强制润滑机理，使聚合物经轴承表面，并返回到泵的进口侧，以确保旋转轴的有效润滑。
这一特性减少了聚合物滞留并降解的可能性。
精密加工的泵体可使“D”型轴承与齿轮轴精确配合，确保齿轮轴不偏心，以防齿轮磨损。
Parkool密封结构与聚四氟唇型密封共同构成水冷密封。
这种密封实际上并不接触轴的表面，它的密封原理是将聚合物冷却到半熔融状态而形成自密封。
也可以采用Rheoseal密封，它在轴封内表上加工有反向螺旋槽，可使聚合物被反压回到进口。
为便于安装，制造商设计了一个环形螺栓安装面，以使与其它设备的法兰安装相配合，这使得筒形法兰的制造更容易。
PEP－II齿轮泵带有与泵的规格相匹配的加热元件，可供用户选配，这可保证快速加温和热量控制。
与泵体内加热方式不同，这些元件的损坏只限于一个板子上，与整个泵无关。
齿轮泵由一个独立的电机驱动，可有效地阻断上游的压力脉动及流量波动。
在齿轮泵出口处的压力脉动可以控制在1％以内。
在挤出生产线上采用一台齿轮泵，可以提高流量输出速度，减少物料在挤出机内的剪切及驻留时间，降低挤塑温度及压力脉动以提高生产率及产品质量。
1.3基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
1.3．1Pro/Engineer概述
Pro/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。
PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。
包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。
其中PRO/EV2000I更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。
1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
经过10余年的发展，Pro/Engineer已经成为三维建模软件的领头羊。
目前已经发布了Pro/Engineer2000i2。
PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。
Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
Pro/E共有六大主模块：
1.工业设计（CAID）模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。
现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。
用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。
事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
包括：
PRO/3DPAINT（3D建模）、PRO/ANIMATE（动画模拟）、PRO/DESIGNER（概念设计）、PRO/NETWORKANIMATOR（网络动画合成）、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER（图片渲染）几个子模块。
2．机械设计（CAD）模块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。
在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。
随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。
用PRO/E生成曲面仅需2步～3步*作。
PRO/E生成曲面的方法有：
拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。
由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。
包括：
PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计）
3.功能仿真（CAE）模块
功能仿真（CAE）模块主要进行有限元分析。
我们中国有句古话：
“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。
主要是讲事物内在特征很难把握。
机械零件的内部变化情况是难以知晓的。
有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。
利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。
著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。
包括：
PRO/FEM~POST（有限元分析）、PRO/MECHANICACUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICAEQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICAMOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICATHERMAL（热分析）、PRO/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICAVIBRATION（震动分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）。
4．制造（CAM）模块
在机械行业中用到的CAM制造模块中的功能是NCMachining（数控加工）。
说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。
当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。
东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。
在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。
PRO/ES的数控模块包括：
PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。
5.数据管理（PDM）模块
PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。
它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。
并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。
这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。
它包括：
PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。
6.数据交换（GeometryTranslator）模块
在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。
但在实际工作中，往往需要接受别的CAD数据。
这时几何数据交换模块就会发挥作用。
PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：
PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATAFORPDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACEFORSTEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）
Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。
1.主要特性
（1）全相关性：
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。
全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
（2）基于特征的参数化造型：
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。
例如：
设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：
加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。
为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
（3）装配管理：
Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。
高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
（4）易于使用：
菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
2.常用模块
（1）Pro/DESIGNIER是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。
可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。
（2）Pro/NETWORKANIMTOR通过把动画中的帧页分散给网络中的多个处理器来进行渲染，大大的加快了动画的产生过程。
（3）Pro/PERSPECTA-SKETCH能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。
（4）Pro/PHOTORENDER能够很容易的创建产品模型的逼真图象，这些图象可以用来评估设计质量，生成图片。
（5）Pro/ASSEMBLY构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数目不受限制。
装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。
附加的功能还能使用户很容易的创建一组设计，有效的支持工程数据重用（EDU）。
（6）Pro/DETAIL由于具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的能力，因而扩大了Pro/ENGINEER生成设计图纸，这些图纸遵守ANAI、ISO、DIN和JIS标准。
（7）Pro/FEATURE允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。
（8）Pro/NOTEBOOK以“自顶向下”的方式对产品的开发过程进行管理，同时对复杂产品设计过程中涉及的多项任务自动分配，来增强工程的生产效率。
（9）Pro/SCAN-TOOLS满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。
把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。
（10）Pro/SURFACE能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。
Pro/WELDINGTM参数化的定义焊接装配体中的对接要求，使用户很容易的确认焊接点，避免装配零件与焊接点之间发生干涉，在文件编制和制造中消除错误成本。
（11）功能仿真模块Pro/FEM-POST用户无须离开Pro/ENGINEER环境，就能够显示高级解算器计算的有限元结果，还鼓励在产品开发早期对设计进行验证。
（12）Pro/MECHANICACUSTOMLOADS用户可以把自定义载荷输入，清楚的编辑和连接到Pro/MACHANICAMOTION的图形用户界面上。
1.3．2基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
使用软件对设计模型进行运动仿真和有限元分析，能够模拟在真实环境工作状况并对其进行分析和研究，尽早发现设计中的缺陷，并验证产品功能和性能的可靠性，提前进行修改和优化，从而减少制造中发现问题而付出昂贵的代价，提高设计的可行性和缩短周期。
Pro/EngineerWildfire是集CAD/CAM/CAE于一体的大型三维设计软件，其中CAE包含运动分析、结构分析和热力学分析3大部分，功能强大，采用运动、动力学的理论方法，通过CAD会出实体模型并设计出会运动的机构。
对整体机构进行运动、动力学仿真，分析出如位置、速度、加速度等具有重要决定机构性能等设计参数的物理数据。
目前,利用Pro/E进行虚拟装配和运动仿真的基本方法资料有一些，但在虚拟装配过程中,装配顺序和装配定位的约束关系选择是难点,因为这要根据各零件装配关系由设计者确定,而且各零件不同。
运动仿真中的类型选择和约束位置确定,也要根据具体情况确定,而且装配动画操作方法的资料极少。
虚拟装配是运动仿真和装配动画操作的基础,这里简单介绍虚拟装配的步骤。
（1）选择“文件/新建”命令,在新建对话框类型选项中选取“组件”模块,子类型选项中选取“设计”,取消“使用缺省模板”,在名称文本框中输入装配体的文件名。
（2）在新文件选项/模板中选择“mmns_asm_design”选项,进入Pro/E组件模块。
选择“插入/元件/装配”命令,调入零件1模型。
（3）给零件1施加定位约束。
（4）选择“插入/元件/装配”命令,调入零件2。
（5）给零件2进行装配定位。
运动分析可分五步,一是创建模型:
定义主体,生成连接或生成特殊连接。
主体（Body）是指一个元件或彼此无相对运动的一组元件,主体
1.4本文研究的内容
1.4.1本课题要求
齿轮泵因结构简单、制造方便、质量轻和体积小等特点已获得广泛应用。
它是依靠密封空间在齿轮转动时容积的变化，实现机械能与工作油液输出压力能的转化，主要由端盖、泵体、传动齿轮轴、螺钉和垫片等零部件组成。
随着CAX（CAD／CAM／CAE）技术的发展，3D技术在齿轮采设计过程中发挥着越来越重要的作用。
虚拟装配技术是利用计算机工具，而不需产品或者支持过程的物理实现，通过分析、预建模、可视化等进行或者辅助进行装配，根据产品设计的形状特征和精度特性，真实地模拟产品三维装配过程。
Pro／E软件中的机构模块Mechanism，能够对设计进行模拟、仿真、校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度和加速度计算等。
本文利用Pro／E进行了齿轮泵机构的虚拟装配和运动仿真，分析了装配中的干涉情况以及机构运动过程中的位移、速度和加速度情况，为齿轮泵的开发设计提供参考。
在Pro／E中，用户可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，
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