基于ProE在闭门器设计中的应用与仿真.docx
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基于ProE在闭门器设计中的应用与仿真
网络教育学院
专科生毕业大作业
题目：
基于Pro/E在闭门器设计中的应用与仿真
学习中心：
浙江丽水奥鹏学习中心[3]
层次：
高中起点专科
专业：
机械设计制造及其自动化
年级：
1003大专班
学号：
101483111007
学生：
李豪杰
指导教师：
张小冀
完成日期：
2011年12月30日
内容摘要
经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。
从最早的手工绘图，到现在的广泛使用计算机辅助设计软件来进行产品的设计。
本文主要介绍了Pro/E三维软件的功能及作用，造型设计中的参数化设计方法，说明了Pro/E软件在三维实体造型的一般过程：
分析了使用Pro／E软件在提高零件设计品质、防止干涉及生成二维图形等方面的特点；通过实践，阐述了零件实体建模、模拟仿真等功能的应用方法。
使用Pro／E软件进行零件设计与传统的设计方式完全不同，其主要不同点在于使用该软件，实际上就相当于设计人员自己把零件从毛坯开始加工成所需的零件。
在这“加工”过程中，能非常直观地发现问题，及时加以纠正。
在设计过程中，首先根据功能要求，创建关键零部件的实体模型，然后进行强度、功能分析，同时考虑加工工艺，反复进行结构调整和参数优化，直到设计出结构合理、工艺性强和生产便利的产品。
一般过程如下:
创建草图→根据零件的基本特征和附加特征生成零件的三维模型→依照装配关系装配零部件→添加场景形成部件装配图→实现产品设计过程。
设计过程充分体现了Pro／E软件在闭门器产品设计当中的应用价值及应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势。
关键词：
闭门器；Pro/e参数化设计；三维造型；模拟仿真；产品装配
目录
内容摘要I
引言1
1Pro/E软件的简介2
1.1PTC公司及Pro/E的简介2
1.2Pro/E与传统二维辅助软件的比较2
2Pro/E软件的功能4
2.1Pro/E的动态仿真4
2.1.1产品组装与机构仿真的方法4
2.1.2约束装配与连接装配的区分4
2.2产品组装与机构仿真的步骤4
2.3Pro/E在逆向工程中的应用5
3Pro/E软件在产品设计中的造型实例8
3.1Pro/E在闭门器设计中的应用8
3.2设计概述8
3.2闭门器壳体的设计10
3.3闭门器齿轮轴设计11
4Pro/E软件的装配实例13
4.1总装配步骤13
4.2活塞组件装配13
4.3整体总装配14
5Pro/E软件的二维工程图转换16
6结论17
7致谢18
参考文献19
引言
随着机械行业的迅速发展和市场竞争的日益激烈，如何提高产品品质，增强产品的市场竞争能力，缩短产品开发周期，降低成本已成为企业十分重视的问题。
现代化的开发手段是提高企业竞争力的重要保证。
企业应用Pro/E后，可改变传统的设计方法，显著缩短了新产品的设计周期，为新产品占领市场创造了有利的条件。
现结合Pro/E软件的实际应用，阐述该软件对提高产品设计能力的重要作用和应用效果。
在产品零部件的计过程中，运动机构的空间干涉问题历来都是令械设计者深感头疼的事。
按传统设计模式，设计者在一些细节问题上耗费了很大精力，降低设计效率。
而有些错误又往往具有很强的隐蔽性，给生产造成不应有的损失。
因此，利用计算机三维设计软件合理地解决这些问题无疑具有一定的实际意义。
当今流行比较广泛的三维设计软件主要有UG、Solidworks、Pro/ENGINEER（简称Pro/E）等。
无论从产品设计中的整体结构设计还是工程图的生成，以及3D装配图的模拟动态仿真，Pro/E软件都具有操作容易、修改方便等特点，因此Pro/E在机械产品三维设计中得到了广泛的应用。
1Pro/E软件的简介
1.1PTC公司及Pro/E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人士的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。
该软件是一款全方位的3D产品开发工具，其功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，力学分析、动态仿真等。
Pro/E是一个功能定义软件，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，对于设计者来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。
该软件的参数化功能是采用符号式的赋予形体尺寸，这样设计者员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，其相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便。
Pro/E可令设计优化更完美。
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。
同时Pro/E还具有丰富的数据接口，他可以将图纸输出为多种格式，可以方面的和AutoCAD、SolidWorks、UG、CAXA等软件进行数据交换。
Pro/E作为高端三维软件的代表，功能强大、使用简单、易学易用，目前已经成为机械设计、家电设计、模具设计等行业所普遍采用的三维软件。
应用最新的Pro/ENGINEERWildfire5.0技术可以迅速的提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻设计者的劳动强度、缩短设计周期以及加强设计的标准化。
使工作效率、方便程度大为提高。
1.2Pro/E与传统二维辅助软件的比较
传统的计算机辅助设计软件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软件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；而设计过程是一个从“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。
2Pro/E软件的功能
2.1Pro/E的动态仿真
产品装配与机构仿真是Pro/E的一项重要功能。
当设计者进行产品组装与机构仿真时，能将设计者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运行，也能从中检验机构是否存在不合理的因素，像干涉、自由度不满足等缺陷，该项功能对设计师提供了非常重要的帮助。
2.1.1产品组装与机构仿真的方法
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。
2.1.2约束装配与连接装配的区分
约束装配仅仅是按软件默认提供的方式，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”。
因为软件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产品组装与机构仿真的步骤
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。
图1装配中的连接方式
（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。
2.3Pro/E在逆向工程中的应用
“逆向工程”（ReverseEngineering,RE）,也称反求工程、反向工程等。
逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游的反馈信息的回路。
目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAS模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。
这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍与许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。
为了适应先进制造技术的发展，需要经过一定途径将实物样件转化为CAD模型，一起利用计算机辅助制造（ComputerAidedManufacture,CAM）、产品数据管理（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（computerintegratemanufacturesystem，CIMS）等先进技术对其进行处理或管理。
图2逆向工程过程
同时，随着现代测试技术的发展，快速精确的获取食物的几何信息已变成事实。
目前，CAM\CAD系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。
在这一意义下，“实物逆向工程”（简称实物逆向工程）可定义为；逆向工程时和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
Pro\SCAN-TOOLS时一个专用的逆向设计模块，能通过数据点构造网格曲线（StyleCure），在给定误差范围内，检查出“坏”点，选定数据点作为参考点对曲线进行拟合、光滑处理。
以网格曲线为基础构造网格曲面（StyleSuface）、近似曲面（ApproximateSurface）和骨架曲面（SkeletonSurface），也可以生成一种基础曲面（UnderlyingSurface），以测量点为参考点进行拟合。
具有找色和反射线等曲面分析工具。
和Pro\SURFACE模块配合使用，曲面生成后能转换为一薄壁实体，然后在实体上进行特征构造。
由于Pro\Engineer软件的参数化特征功能，曲面、实体均以特征形式表现在造型树记录上，其修改和再定义也容易实现，为产品的创新设计带来方便。
3Pro/E软件在产品设计中的造型实例
3.1Pro/E在闭门器设计中的应用
尽管机械产品的结构形式千差万别，用途和工作原理也各不相同，但在计算机上进行三维实体造型中则有一些规律可循，使用Pro/E软件进行零件设计与传统的设计方式完全不同，其主要不同点在于使用该软件，实际上就相当于设计者自己把零件从毛坯开始加工成所需的零件。
在这“加工”过程中，能非常直观地发现问题，及时加以纠正。
在设计过程中，首先根据功能要求，创建关键零部件的实体模型，然后进行强度、干涉分析，同时考虑加工工艺，反复进行结构调整和参数优化，直到设计出结构合理、工艺性强和生产便利的产品一般过程如下:
创建草图→根据零件的基本特征生成零件的三维模型→依照装配关系装配零部件→添加场景形成部件装配图。
可调力度液压闭门器的基本构件有壳体、端盖、齿轴盖、轴承、密封圈、齿轮轴、活塞、复位弹簧、单向阀、节流阀、力量调节组件和摇臂组件等。
这些机械零件的设计各有特点，需要综合运用各种实体造型设计方法。
而Pro/E所具有的强大机械功能，能够较好地完成这些零件的设计造型工作。
闭门器的设计中，涉及到壳体类零件的创建方法、齿轮、弹簧的参数化设计方法、轴承的装配方法、复杂组件的装配方法、装配时各个元件间的体积干涉分析方法等，基本涵盖了机械产品设计的全过程。
这些设计，都可在Pro/E中完成。
此外，利用Pro/E强大的单一数据库功能，用户还可以使用工程图环境，由三维实体模型方便地生成二维工程图。
在许多机械产品中应用广泛，且其结构较复杂，设计过程具有代表性，在此，我们就以消防系统用的可调力度闭门器设计为例，具体说明Pro/E软件在机械设计中的应用。
3.2设计概述
设计完成的闭门器主要由壳体、端盖、齿轴盖、轴承、密封圈、齿轮轴、活塞、复位弹簧、单向阀、节流阀、力量调节组件和摇臂组件组成，其分解视图如图3所示。
在设计过程中，首先使用三维实体造型方法创建出各个基本元件，然后使用组件装配方法将这些元件装配成为一个整体，最后根据三维实体模型创建组件工程图。
如图4所示为装配完成后的闭门器模型，而如图5所示为闭门器的二维工程图。
图3分解视图
图4装配图
图5工程图
3.2闭门器壳体的设计
闭门器的壳体用于放置齿轮轴组件、活塞组件、弹簧、缸盖等零件，同时，它还是整个闭门器的基础，设计完成的闭门器如图6所示，它是由图7所示的过程创建而成。
即先后通过实体拉伸、草绘、拉伸界面草绘、孔特征、镜像孔特征、旋转界面草绘、创建倒角、圆角等操作步骤完成对闭门器壳体的设计。
图6闭门器壳体
图7壳体创建过程
3.3闭门器齿轮轴的设计
齿轮轴是一种非常重要的机械零件，广泛应用于动力传递、变速等方面。
在创建齿轮时，需要使用参数化的设计方法。
齿轮是一种参数化的零件，一个齿轮的形状，可以由它的模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数以及齿宽完全确定。
只要修改这些参数的数值，就可以改变齿轮的形状。
下面作具体介绍。
在“参数”对话框中，单击
按钮，依次将齿轮的参数添加至“参数”列表框中，完成后，单击【确定】。
齿轮的各个参数如表1所示。
表1齿轮参数
参数名称
类型
数值
说明
M
实数
1.5
模数
Z
整数
12
齿数
Alpha
实数
20
压力角
Hax
实数
1
齿顶高系数
Cx
实数
0.25
齿隙系数
B
实数
30
齿厚
Ha
实数
齿顶高
Hf
实数
齿根高
X
实数
0.333
变位系数
Da
实数
齿顶圆直径
Df
实数
齿根圆直径
Db
实数
基圆直径
D
实数
分度圆直径
我国的国家标准中规定，压力角为20度，齿顶高系数为1，齿隙系数为0.25。
所以只需要模数、齿数及宽度三个数值，就可以完全确定一个齿轮的形状了。
完成参数添加修改后，再通过绘制齿轮的基本圆、创建齿轮轮廓线、渐开线、镜像渐开线、创建拉伸特征、创建齿廓曲线、创建第一个齿槽、复制齿槽（图8）、完成特征复制（图9）、阵列齿槽（图10）、齿槽阵列参数（图11）等步骤完成齿轮创建中的核心步骤。
至此，使用参数驱动齿轮的轮齿已经全部创建完成，用户只需要修改Z、M和B的数值，然后再生齿轮，即可以得到各种不同规格的齿轮。
齿轮创建步骤中的最核心步骤已经介绍完成，然后修饰特征，如添加齿轮孔等操作。
图8旋转轴图9完成复制特征
图10阵列齿槽图11齿槽阵列参数
4Pro/E软件的装配实例
4.1总装配步骤
闭门器中，包括了壳体、端盖、齿轴盖、轴承、密封圈、齿轮轴、活塞、复位弹簧、单向阀、节流阀、力量调节组件、摇臂组件及其它一些元件，如螺钉、钢球等组成。
闭门器的零件装配即把上述建模过程中产生的齿轮轴、活塞、端盖、齿轴盖、弹簧等零件的三维模型按照需要添加装配约束，放入壳体三维模型中去。
齿轮轴和活塞的配合、端盖和孔的配合、齿轴盖和轴承的配合均为轴和孔的配合，添加的装配约束应为对齐、匹配约束，弹簧和缸盖的约束为表面配合约束。
装配时注意装配基准的选取要统一，如本例中装配后齿轮啮合各齿端面的相对位置要正确。
所有零件模型装配后，就可以进行干涉检查。
系统可精确地测量出零件间的最小间隙并以连线的方式显示给用户。
在此模型的基础上也可进行装配分析如质量特性分析，计算零件质量、体积、惯性矩等。
将装配后的零部件分离，重新设定它们之间的相对位置显示零部件的结构和相互间装配关系，可建立零部件分离图，即爆炸图。
闭门器中弹簧推动活塞与齿轮轴将直线运动转换为旋转运动通过摇臂组件来传递运动，而两个轴承分别安装于齿轮轴上。
因此，将齿轮轴和齿轴盖首先装配成子组件，然后再将子组件装配到整个闭门器中。
4.2活塞组件装配
装配完成的活塞组件如图12所示，它是由一个活塞、一个滤网、一个阀座及两个钢球组成，组件的分解视图如图13所示。
操作步骤为：
新建文件，类型选mmns组件，然后选择文件，首先放置活塞，添加滤网、阀座、钢球。
图12活塞组件图13活塞组件分解视图
图14对齐约束参照
图15匹配约束参照
4.3整体总装配
将活塞组件、齿轴盖、齿轴、力矩调节装置组件等装配完成后，即可开始闭门器的总装配，其装配过程如图16所示。
装配步骤与活塞组件装配步骤大同小异，在完成缸盖后，需进行组件布尔运算，在壳体内腔添加弹簧后，模型中出现了体积干涉情况。
这是因为在装配弹簧时，没有考虑到弹簧的自由高度与壳体内腔的封闭高度问题。
在出现体积干涉时，可以利用Pro/E的干涉检测和布尔运算功能来消除体积干涉。
图16闭门器主体总装配过程
最终，完成的闭门器主体模型如图17所示。
在主菜单中，单击【视图】→【分解】→【分解视图】后，系统会自动创建一个分解视图，如图18所示。
如果用户对该分解视图不满意，可以使用前面介绍的位置调整方法自定义分解视图。
图17闭门器主体总装配图
图18闭门器主体分解视图
5Pro/E软件的二维工程图转换
Pro/E除了能进行实体建模和装配外，还可生成二维装配图，它比传统的二维图先进，且效率成倍增长，实体和图样绝对一致，图面错误大大减少，避免了设计者的实体概念与产品图表达的偏差，使设计者从繁琐的图文处理中解脱出来，把更多的时间用在概念设计上。
在Por/E软件中，系统可从三维模型直接投影成各种视图，如三视图、轴测图、各种剖视图等，并在设计者选择的视图上自动标注尺寸，设计者只需对其稍加修改即可，在闭门器的工程图中，介绍其装配图的绘制方法。
需要说明的是，装配图和零件图的侧重点不同，因此画法也不同。
绘制零件图的目的在于使用二维图形表示出三维实体模型的外形和尺寸，因此，一般情况下，绘制零件图的要点在于对几何形状及尺寸的精确描述，这就要求使用各种视图和剖面来尽可能清楚地表示零件的三维结构，使用详细的标注说明零件的特征尺寸、公差以及加工要求等。
而绘制装配图的目的在于表明组件的各个元件间的相互位置关系，以此来指导对组件的装配。
因此，在装配图中，要求使用各种方法尽可能清楚地描述各个元件间的位置关系，另外还需要使用表格说明组件中各个元件的数量，作为装配时的指导。
如图19所示，为创建完成的装配图，可以看出，装配图中一共有三个视图，清楚直观地表达了闭门器各个元件间的相对位置，另外，图中还附有明细表，列出了闭门器组件中所有元件的名称及数量。
图19闭门器主体装配图
6结论
利用Pro/E软件进行机械三维设计，使设计者获得了一个良好的三维空间环境，布置设计不再需要进行艰难的空问构思与想象，而是在很直观的三维环境下进行。
同时也避免了大量而繁琐的尺寸计算，代之以直接的观察和测量来保证整个设计的正确性，对于促进企业的技术进步具有良好的推进作用。
要设计出高品质的新产品，设计人员必须尽快熟悉和掌握三维概念性数字样机设计模式，上述过程给出了闭门器三维实体建模的具体步骤，其它产品的建模过程可以仿此进行。
在三维模型基础上可与其它软件结合，进行产品数据管理、计算机辅助工程、计算机辅助制造等，提高设计效率，缩短产品开发周期，提高产品设计质量，为企业创造效益。
7致谢
值此论文完成之际，心中充满了一片感激之情，在整个论文完成的过程中得到了我的指导老师张小冀老师的精心指导，在此要向她致以最崇敬的感谢。
张小冀总是在百忙之中抽出时间来为我们解答论文设计过程中的疑惑，张小冀不愧是广大师生的表率，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
再次向张小冀献上诚挚的谢意！
感谢我的室友和同学们，在论文完成的过程中在生活上和学习上给予我很大的帮助和支持，是他们不断给我自信，如今才能顺利完稿。
感谢1003大专班的全体成员，在这个大家庭中使我学会了宽容，忍让，团结与互助。
大家在学习上互相交流，生活上相互帮助，再次衷心的向大家说一声谢谢！
最后我要诚挚地感谢我的家人，是他们无微不至的关怀、一贯的体谅与支持，使我能在工作和学习上不断前进，他们是我努力工作和积极生活的精神支柱。
感谢学校给我们提供了这样一个理论与实践相结合的平台，使我们不但巩固了知识更锻炼了能力，也学到了很多东西。
再次向所有关心我的亲
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